Основные показатели качества воды

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсу "Химия воды"

Астрахань – 2008

УДК 54(07)

ББК 24

Определение качества воды: Лабораторный практикум по курсу "Химия воды" / А.А. Бурлинóв, Ю.И. Рябухин / Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2008. – 62 с.

Предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров

190500.62 – Эксплуатация транспортных средств (ускоренный курс)

и по специальностям:

180103.65 – Судовые энергетические установки

180403.65 – Эксплуатация судовых энергетических установок

140104.65 – Промышленная теплоэнергетика

и изучающих дисциплину "Химия воды и топлив", для выполнения лабораторных работ по темам "Показатели качества воды" и "Жёсткость воды".

Кратко изложены основные понятия о показателях качества воды и даны некоторые сведения о физико-химических способах уменьшения жёсткости воды.

Содержит описание лабораторных работ, позволяющих определить временную, постоянную и общую жёсткость воды. Приведены техника безопасной работы в химической лаборатории, требования к оформлению отчёта по лабораторной работе, задачи и примеры их решения, контрольные вопросы и список рекомендуемой литературы.

Для электронного варианта публикуется по решению кафедры "Общая, неорганическая и аналитическая химия" (протокол № 3 от 26 марта 2008 г.)

Ил.: 5, табл. 1, библиогр.: 9 назв., приложение – 1.

Рецензент: доктор техн. наук, профессор Пивоварова Н.А.

© Бурлинóв А.А.,

Рябухин Ю.И., 2008

© Астраханский государственный

технический университет, 2008

ВВЕДЕНИЕ

Вода1 (оксид водорода) Н₂О – простейшее химическое соединение водорода с кислородом, его относительная молекулярная масса равна 18,016 а. е. м. Вода – жидкость без запаха, вкуса и цвета, при нормальном атмосферном давлении имеет температуру плавления 0 ⁰С, температуру кипения (760мм рт. ст., 1 атм, 101325 Па) 100 ⁰С.

Вода самое распространённое в природе вещество. Она является главной составной частью водной оболочки земного шара – гидросферы².

Поверхность земного шара на 72 % покрыта водой – это океаны, моря, реки, озёра, болота, ледники. В довольно больших количествах вода находится в атмосфере, а также в зем­ной коре. Общие запасы свободной воды на Земле составляют 1,39 млн. км³. Почти вся вода на Земле (97,2 %) находится в Мировом океане³. Приблизительно 2,1 % воды сосредоточено в полярных льдах и лед­никах. Вся пресная вода в озёрах, реках, болотах, искусственных водохранилищах, включая грунтовые воды составляет лишь 0,6 %. Остальные 0,1 % воды входят в состав солёных и солончаковых грунтовых вод. Атмосферная вода в виде пара составляет 0,0005 %.

Изотопный состав воды.Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в сред­нем следующее (мол. %): ¹H₂¹⁶O – 99,73; ¹Н₂¹⁸О – 0,20; ¹H₂¹⁷O – 0,04; ¹H²Н¹⁶O – 0,03; остальные 5 разновидностей присутствуют в воде в ничтожных количествах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в воде содер­жится небольшое количество радиоактивного оксида трития ³H₂О (или Т₂О).

По физическим свойствам тяжёлая вода D₂O (оксид дейтерия) с кислородом природного изотопного состава заметно отли­чается от обычной воды, в которой содержание D₂О (или^²H₂О) в воде составляет 0,0145–0,0146 мас. %.

Тяжёло-изотопная вода H₂¹⁸О, по свойствам ближе к воде H2¹⁶О.

Различают природную, сточную и денатурированнуюводу.

Природная вода – это вода, которая качественно и количественно фор­мируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антро­погенного воздействия1 и качественные показатели которой находятся на естественном среднемноголетнем уровне.

Природная вода представляет собой сложную много­компонентную систему, в состав которой входят минеральные вещества, газы, а также коллоидные и грубодисперсные частицы, в том числе микроорганизмы.

Минеральные воды –это природные, обычно подземные, воды, характеризующиеся повышенным содержанием биологи­чески активных минеральных или органических веществ и обладающие определёнными химическим составом и физико-химическими свойствами (температура, радиоактивность), благодаря которым они оказывают лечебное действие.

В широком смысле к минеральным водам относят и природные воды, из которых извлекают химические элементы (например, галогены, бор), а также термальные воды, используемые в энергетических целях.

По составу минеральные воды подразделяют на азотные, метановые и углекислые. По анионному соста­ву минеральные воды классифицируют на: гидрокарбонатные (содер­жат преимущественно НСО₃^–), сульфатные (SO₄^2–), хлоридные (Сl^–), а также гидрокарбонатно-сульфатные, хлоридно-сульфатные, хлоридно-гидрокарбонатные и хлоридно-сульфатно-гидрокарбонатные. По катионному составу различают минеральные воды с преобладанием ионов Са²⁺ (кальциевые), Na⁺ (натриевые), Са²⁺ и Mg²⁺(кальциево - магниевые), Са²⁺, Mg²⁺ и Na⁺( кальциево - магниево - натриевые) Са²⁺ и Na⁺( кальциево - натриевые), Mg²⁺ и Na⁺(магниво - натриевые)

Сумма находящихся в воде катионов (анионов), недиссоциированных молекул и биологически активных веществ (исключая газы) определяет общую минерализацию воды, которую выражают в г/л. Различают минеральные воды слабой (1–2 г/л), малой (2–5 г/л), средней (5–15 г/л) и высокой (15–30 г/л) минерализации, а также рассольные (35–150 г/л) и крепкорассольные (свыше 150 г/л) воды.

По величине рН выделяют сильнокислые (рН < 3,5), кислые (3,5–5,5), слабокислые (5,5–6,8), нейт­ральные (6,8–7,2), слабощелочные (слабоосновные) (7,2–8,5) и щелочные (> 8,5) минеральные воды.

По температуре различают холодные (до 20 ⁰С), тёплые (слаботермальные, 20–35 ⁰С), горячие (термальные, 35–42 ⁰С) и очень горячие (высокотермальные, больше 42 ⁰С) минеральные воды.

Лечебные минеральные воды применяют для питья (общая минерализа­ция ≤ 20 г/л), ванн, душей, ингаляций, полосканий и оро­шений на курортах1. Кроме того, пользуются привозными водами, разлитыми в бутылки. Некоторые минеральные воды применяют в качестве освежающего напитка; общая минерализация таких вод хлоридно-натриевого типа не должна превышать 4–4,5 г/л, гидрокарбонатного типа – 6 г/л.

Дистиллированная вода, полученная конденсацией водяного пара, практически не содержит солей и растворённых газов и потому неприятна на вкус. Кроме того, при продолжительном употреблении она даже вредна для организма. Это связано с вымыванием из клеток тканей желудка и кишечника содержащихся в них солей и микроэлементов, которые необходимы для нормального функционирования организма.

Получение высокочистой воды – весьма сложная за­дача. Поскольку она хранится в каком – то сосуде, в ней содержатся примеси материала этого сосуда (будь то стекло или металл). Для прецизионных научных исследо­ваний наиболее чистую воду получают методом ректи­фикации (перегонкой) дистиллированной воды во фторопластовых колоннах.

Морская вода. Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питья и для большинства других целей. Морскую воду часто называют солёной. Под солёностью понимают массу (г) солей в 1 кг морской воды. В пределах мирового океана солё­ность колеблется от 33 до 37 г/кг, в среднем её можно считать равной 35 г/кг. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5 % по массе (35 %) растворённых солей.

Удаление солей из воды до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде (доли или несколько мг/л), называется обессоливанием, а удаление солей до концентраций, допустимых при применении вод для питья (до 1 г/л), – опреснением.

Пресная вода, её основными потребителями являются: сельское хозяйство (70 %), промышленность, включая энергетику (20 %), и коммунальное хозяйство (~10 %).

В промышленном производстве наиболее водоёмкими яв­ляются химическая, целлюлозно-бумажная и металлурги­ческая промышленность. Так, на изготовление 1 т синтетического волокна расходуется 2500 – 5000, пласт­массы – 500 – 1000, бумаги – 400–800, стали и чугу­на – 160–200 м³ воды.

Норма водоснабже­ния на одного человека 1000 т воды в год (с учётом промышленности и сельского хозяйства).

Опыт показывает, что на быто­вые нужды житель благоустроенного города расходует 200–300 л воды в день. Распределение потребления воды в среднем следующее: на приготовление пищи и питьё расходуется всего лишь 5 %, в смывном бачке туалета – 43, для ванны и душа – 34, на мытьё посуды – 6, на стирку – 4, на уборку помещения – 3 %.

Содержание солей в водопровод­ной воде, согласно требованиям органов здравоохранения, не должно превышать 0,05 %. Это намного меньше по сравнению с их 3,5 %-ным содержанием в нормальной морской во­де или по сравнению с ~0,5 %-ным содержанием в солоноватых под­земных водах.

Статистика показы­вает, что 80 % всех заболеваний в мире связано с плохим качеством питьевой воды и нарушением санитарно-гигиенических норм водоснабжения. И ещё одна циф­ра – от болезней, связанных с водой, страдает треть населения планеты, то есть 2 млрд. человек. После этих цифр так и хочется сказать: "будьте осторожны" и "берегите воду от загрязнений".

Общее число микроорганизмов в 1 мл питьевой воды должно быть не выше 100, число бактерий группы кишечных палочек (коли-индекс) – не более 3.

Техническая вода. Воду, расходуемую промышленными предприятиями, принято называть технической. Её применяют главным образом в качестве охлаждающего агента (хладагента), транспортирующей среды для сыпу­чих материалов (например, гидротранспорт золы на тепловых электростанциях – ТЭС), растворителя. В целом по всем отраслям промышленности 70–75 % от общего расхода воды применяют как хладагент по циркуляционной схеме. В этом случае вода лишь на­гревается и практически не загрязняется. Главные источни­ки загрязнения охлаждающей воды систем циркуляционного водос­набжения – вода, добавляемая в системы для восполнения неизбежных потерь, и атмосферный воздух, из которого поглощаются в охладителях воды взвешенные вещества и газы, растворимые в воде.

Основными ионами, которые могут приводить к отложениям ми­неральных солей в системах циркуляционного водоснабжения, являются катионы: Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Fе³⁺, Al³⁺ и Zn²⁺, а также анионы: НСО₃^–, СО₃^2–, SО₄^2–, РО₄^3– и SiO₃^2–, ОН^– . Наиболее часто встречающийся компонент солевых отложений – карбонат кальция СаСО₃. Предотвратить отложение карбонатов можно подкислением воды серной H₂SО₄ или хлороводородной кислотами НСl, её рекарбонизацией (обычно обработка топочными газами, содержащими СО₂), действием органических фосфатов, а также полифосфатов (NaPO₃)₆ или Na₅P₃О₁₀.

Для предотвращения (уменьшения) коррозии труб и теплообменного оборудования в воду доба­вляют ингибиторы коррозии, однокомпонентные, например, полифосфаты или многокомпонентные, например, ингибиторы на основе соединений хрома и цинка.

Для предупреждения обрастания оборудования микрофитами (водорослями) воду в основном хлорируют (содержание Cl₂ до 5 мг/л), а иногда озо­нируют (обрабатывают озоном О₃).

При эксплуатации различных транспортных средств, машин и установок, снабжённых двигателями внутреннего сгорания (ДВС), кроме топлив и смазочных материалов, применяются различные технические жидкости, создаваемые в большинстве своём на водной основе. К ним относятся охлаждающие жидкости, которые заливают в системы охлаждения двигателей, гидравлические и амортизаторные жидкости, которые используют для заполнения гидроподъёмных, тормозных и амортизационных систем, промывочные жидкости для очистки масляных систем двигателей без их разборки и др.

По величине минерализации (в г/л) различают следующие природные воды: ультрапресные – до 0,2; пресные – 0,2–0,5; слабоминерализованные – 0,5–1,0; солоно­ватые – 1–3; солёные – 3–10; с повышенной солёностью – 10–35; переходные к рассолам – 35–50; рассолы – более 50.

Макро­компонентами природных вод обычно являются элементы Са, Mg, Na, К, Fe (катионогенные воды) и Si, С, S, C1 (анионогенные воды).

К ми­крокомпонентам природных вод относятся редкие и рудные элементы: В, Li, Rb, Сu, Zn, Bi, Be, W, Br, I, и др.

Основные газы, которые содержатся в природных водах, – это кислород О₂, диоксид углерода СО₂ и азот N₂ (харак­терны как для поверхностных, так и для глубинных условий), метан СН₄, сероводород Н₂S, монооксид углерода СО и водород Н₂ (более типичны для подземных вод и для вод вулканически активных областей).

Сточная вода– это вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном упот­реблении, а также прошедшая через какую-либо загрязненную террито­рию, в том числе населённого пункта.

Денатурированная,или природно-антропогенная, вода –этоприродная вода, ан­тропогенно-загрязненна, например, посредством смешения со сточной водой.

Сточные воды - любые воды и атмосферные осадки, отводимые в водоёмы с территорий промышленных предприятий и населённых мест через систему канализации или самотёком, свойства которых оказались ухудшенными в результате деятельности человека.

Атмосферные, или ливневые, воды образуются в результате вы падения атмосферных осадков. К ним кроме дождевых вод относятся воды, образующиеся от таяния снега, поливки улиц, фонтанов и дренажей.

Промышленные сточные воды - это вода, загрязненная вследствие использования ее на производстве.

Виды промышленных сточных вод по виду образования выделяют: хозяйственно-бытовые, производственные сточные воды, а также ливневые (поверхностные) воды.

Классификация и состав промышленных сточных вод

Промышленные сточные воды могут содержать следующие примеси:

− минеральные,

− органические,

− бактериальные,

− биологические

По степени агрессивности имеется разделение на три группы в зависимости от значения рН:

− неагрессивные промышленные сточные воды (6,5 ≤ рH ≤ 8);

− слабоагрессивные промышленные сточные воды (6 ≤ рH < 6,5 и

8 < рH ≤ 9);

− сильноагрессивные промышленные сточные воды (рH < 6 и

рH > 9).

Воду в промышленных системах в зависимости от назначения разделяют на четыре категории:

1 категория – промышленная вода для охлаждения жидких и конденсации газообразных продуктов в теплообменниках, в которых она не контактирует с продуктом, а только нагревается и практически не загрязняется;

2 категория – промышленная вода служит в качестве среды, поглощающей различные нерастворимые и растворимые примеси; вода не нагревается, но загрязняется взвешенными и растворенными веществами;

3 категория – промышленная вода используется так же, как вода II категории, но при этом нагревается (очистка газов в скрубберах);

4 категория – промышленная вода служит в качестве экстрагента или растворителя химических веществ

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ

Вода содержит примеси минерального и органического происхождения, находящиеся в форме молекул, ионов, коллои­дов, суспензий и эмульсий. В растворенном виде в воде содержатся атмосферные газы, вещества–метаболиты1, образующиеся в результате жизнедеятельности водных организмов, и вещества – продукты процессов, протекающих в гидросфере. Формирование состава примесей природных вод – результат взаимодействия веществ, растворённых в воде, с окружающей средой – горными породами, почвой, атмосферой. При этом в воде протекают следующие процессы: растворение веществ и взаимодействие их с водой и веществами - примесями в воде; биохимические реакции в организмах растений и животных; коллоидно-дисперсные взаимодействия. Результат указанных процессов определяется давлени­ем и температурой окружающей среды, природой веществ, геологическими особенностями горных пород, почв и т.д. На формиро­вание состава примесей поверхностных, подземных, а также атмосферной влаги вод, оказывает большое влияние водохозяйственная и иная деятельность человека.

Изменение состава примесей происходит при разбавлении и смешении вод различного состава, изменении температуры, а также окружающей среды в процессах гид­ролиза, окисления–восстановления, карбонизации, выщела­чивания, ионного обмена и др.

Под качеством воды в целом понимается характеристика её состава и свойств, определяющая пригодность воды для конкретных видов пользования (ГОСТ 17.1.1.01-77). Критериями оценки качества воды являются определённые показатели, некоторые из которых составляют содержание данного практикума.