Расчетно-практическая работа № 3 ОЦЕНКА СВОЙСТВ И СОСТАВА ПРИРОДНОЙ ВОДЫ Цель работы: Изучить свойства и состав природной воды и способ его описания. Порядок выполнения работы: 1. Познакомиться и законспектировать общие сведения о природной воде. 2. Описать состав природной воды (составить по варианту формулу Курлова). 3. Изучить и законспектировать экспресс анализ воды. 4. Изучить и законспектировать сведения о методах очистки воды в домашних и промышленных условиях. 1. Общие сведения 1.1.Разновидности природной воды по минеральному составу В зависимости от содержания растворенных веществ и различных примесей воду обычно подразделяют на: природную (колодезная, ключевая, снеговая, дождевая, морская и минеральная), питьевую водопроводную), техническую (для промышленных целей) и лабораторную (дистиллированная, бидистиллированная, деминерализованная). Воду считают пресной - с содержанием (минерализацией) различных солей до 1 г/л; солоноватой-с минерализацией до 25 г/л; соленой-с минерализацией свыше 25 г/л. Концентрация солей в морской или океанской воде колеблется от 8 до 35 г/л. В силу известных экологических причин сегодня практически не существует абсолютно чистой воды (раньше за такую воду принимались дождевая и талая снеговая). Наиболее низким качеством отличается в наше время вода в сельской местности из-за загрязнения отходами животноводческих ферм и удобрений с полей, а весной, во время таяния снегов, водопроводная вода в горах. Вода, к сожалению, легко загрязняется чуждыми ей примесями. Проходя через гидрологический цикл, она может вбирать в себя загрязнения двух видов: обычные - органические остатки ( экскременты человека и животных, растительные остатки); промышленные - отходы производств и вышедшая из употребления промышленная продукция.Такая вода, естественно, считается загрязненной и уже не пригодна для питья. Обычно природная вода содержит различные соли ( бикарбонаты, хлориды и сульфаты кальция, магния, натрия и калия), мелкие частицы (песок, глина, свободная сера, окислы железа), органические вещества(продукты разложения гниющих растений, бактерий или животных), растворенные газы (воздух, сероводород, углекислый газ и аммиак). 1.2. Жесткость воды 1 Растворенные в сырой воде соли обуславливают общую жесткость воды, которая складывается из временной и постоянной жесткости. Временная жесткость, связана в основном с присутствием в ней гидрокарбонатов кальция и магния, что устраняется кипячением или добавлением в нее специальных водо- смягчающих веществ. Постоянная жесткость, обусловленная сульфатами и хлоридами кальция и магния, устраняется перегонкой (дистилляцией). Воду, содержащую в себе много солей кальция и магния, обычно называют жесткой. Итак, временная (карбонатная) жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов Ca и Mg. Устраняется: 1) кипячением Сa (HCO3)2 → СaCО3 Mg (HCO3)2 → Mg CО3 2) действием известкового молока или соды Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCО3 Ca (HCO3) + Na2 Co3 → CaCО3 + 2NaHCO3 3) постоянная (некарбонатная) жесткость обусловлена присутствием хлоридов Ca и Mg: сульфатов и 1) CaSo4 + Na2CО3 → CaCO3 2) MgSo4 + Na2CО3 → MgCo3 Жесткость воды выражается в условных единицах - градусах жесткости (французских, немецких), или в мгэкв/л. Воду, имеющую общую жесткость менее 10 немецких градусов называют мягкой (например, вода в реке Неве), от 10 до 20 градусов - умеренной, более 20 градусов - очень жесткой. 1.3. Водопроводная вода В разных городах и населенных пунктах она не равноценна по своему качеству, т.к. зависит от своего происхождения и способов очистки, применяемых на водоочистных станциях. Качество питьевой воды контролирует служба санитарно - эпидемиологического надзора (СЭН). Качество питьевой воды оценивается по целому ряду показателей, которые должны соответствовать требованиям ГОСТ «Вода питьевая» [1]. 1.4. Общие требования к качеству воды: Качество питьевой воды оценивается по таким нормативным показателям: запах - 2 балла (по пяти-бальной шкале); привкус - 2 балла; цветность - 20 градусов; мутность - 1,5 мг/л; осадок - отсутствует; водородный показатель - 6,0 - 9,0; остаточный хлор свободный - 0,3 - 0,5 мг/л; связанный хлор - 0,8 - 1,2 мг/л; аммиак (по азоту) - 2 мл/л; нитриты (по NO2) - 3.3 мг/л; нитраты (по NO3) - 45 мг/л; железо - 0,3 мг/л; молибден - 0,25 мг/л; фтор 1,2 мг/л; кадмий - 0,001 мг/л; с минерализацией по сухому остатку <1000 мг/л, по Сl < 350, SO4 < 500 мг/л, коли - индекс (число бактерий группы кишечных палочек в 1 л.) - 3, плаваю2 щих примесей не должно быть, содержание взвешенных частиц около 0,25 мг/л, реакция в пределах 6,5-8,5 рН, растворенный О2 > 4 мг/л, окраски не должна быть в столбике 20 см, БПК (при 20 0 С < 3 мг/л), ядовитых веществ < ПДК, перепад температур не более 3 0 С от среднемесячной температуры июля. Практически все показатели нормируются по количеству «не более». В отдельные сезоны года (снеготаяние, паводок, гниение водорослей и пр.) в воде могут возникать специфические запахи и привкусы, которые полностью не устраняются при соответствующей обработке воды (отстаивание с обработкой сульфатом аммония и проведением первичного хлорирования, с последующей фильтрацией и обеззараживанием вторичным хлорированием). Фильтруется вода через слои песка, глины и другие гранулированные частицы. Микрофлора обезвреживается кипячением. В результате такой обработки образуются и сохраняются побочные продукты, среди которых может быть и формальдегид, к сожалению, сложно определяемый. Очистка водопроводной воды не освобождает ее от кислых, углекислых солей кальция и магния, сернокислых и солянокислых солей этих металлов, а также от различных стерилизующих добавок (хлора, окислов железа и др). При сильном загрязнении воды используется специальная очистка. Но это обходится очень дорого, поэтому в промышленности вода используется в замкнутых циклах. Водопроводной воде присущи колебания состава и температуры. Это связано с присутствием в ней избытка хлористых и фтористы соединений, углекислого кальция, органических веществ, железа и других продуктов, а также взвешенных и окрашенных частиц.Важно отметить, что природная вода обладает свойством самоочищения. Так за 24 часа в разбавленных стоках остается около 50% бактерий, через 36 т часов - 0,5%. 1.5. Химический состав воды Определяется содержанием неорганических и органических компонентов. Минерализация (М) воды - концентрация растворенных в воде неорганических веществ в (М) мг/дм3. Различают характер и степень минерализации. Характер минерализации (М) обусловлен химическим типом воды (количественное сочетание главных катионов и главных анионов). Степень минерализации (сухой остаток), выражают в мг/дм3, мг- экв /дм3, в % экв. Пересчет в мг-экв/л производят путем деления результатов анализа(Табл.2), выраженных в мг/л, на эквивалентную массу соответствующего иона (Табл.1). В качестве эквивалентной массы для 2-х валентных элементов (Ca , Mg , SО4 , CО3 ) берется 1/2 их атомной массы (т.е. атомная масса элемента делится на его валентность). Для 1-х валентных 3 элементов берется их атомная масса ( см. Таблицу 1). Табли- ца 1 Соотношение атомных и эквивалентных масс у элементов с разной валентностью Элемент Эквивалентная масса Атомная масса Название иона 2+ 1/2 Ca 20,04 40,08 кальций-ион 1/2 Mg 2+ 12,15 24,31 магний-ион 2 1/2 CО3 30,01 60,01 карбонат-ион 1/2 SО4 2 48,03 96 сульфат- ион 1 HCO3 61,02 61,02 гидрокарбонат- ион 1 Cl 35,45 35,45 хлор-ион 1 NO3 62,0 62,0 нитрат- ион + 1 Na 22,99 22,99 натрий-ион 1 K+ 39,102 39,102 калий-ион 1 NH4+ 18,04 18,04 аммоний-ион Для вычисления % эквивалента принимают сумму мг-эквивалентов анионов, содержащихся в л (дм3) за 100% и вычисляют процентное содержание каждого аниона в мг- эквивалентах по отношению к этой сумме. Аналогично поступают с катионами. Сумма мг-эквивалентов всех катионов анализируемой пробы воды теоретически должна быть равна сумме мг-эквивалентов всех анионов этой пробы. В виду погрешностей анализа точного совпадения цифр не бывает. Пересчет в % эквивалентную форму проводится для сопоставления химического состава природных вод различной минерализации и более ясного представления о соотношениях между ионами одной и той же воды. 2. Описание природной воды по формуле Курлова Формула Курлова - прием наглядного изображения химического состава природной воды. Формула представлена в виде псевдодроби, в числителе пишут в % эквивалентах анионы (в убывающем порядке), а в знаменателе в таком же порядке катионы. К символу иона приписывают его содержание в % эквивалентах (в целых числах). Впереди дроби сокращенно указывают величину минерализации (М) в г/дм3 с точностью до одного десятичного знака, pH, и, при необходимости, компоненты, придающие воде специфические свойства (содержание газов, микроэлементов, биогенных и органических веществ, радиоактивность и пр.). Для подземных вод сзади дроби указывают температуру (о С) и дебит (D) воды (м3 /сутки). После составления формулы воды дают ей название, куда включаются элементы с содержанием 25% и более. М мг/дм3 Общий вид формулы: М х = ------------------ г/дм3 (1) 1000 Примеры: Cl 40 HCO3 36 1) М 5,0 = --------------------------, (2) Na 62 • Ca 30 вода гидрокарбонатно-хлоридная кальций - натриевая 4 НCO3 87 S04 40 Cl 30 2) М 0,6 = ------ ---------------------------- , (3 ) Ca 47 Mg 35 вода хлоридно - сульфатно-гидрокарбонатная магний - кальциевая Как видно из примеров, в название химического состава воды входят элементы с % экв. 25. 1.6. Классификация вод по минерализации (по Самарину) М< 0,1 г/дм3 ультрапресные М< 1,0 г/дм3 пресные - пригодные для питья 3 до 3 г/дм соловатые до 5 г/дм3 соленые 3 > 50 г/дм рассолы рН < 4,5 сильнокислые рН 4,5-5,5 кислые рН 5,6-6,5 слабо-кислые рН 6,6-7,5 близкие к нейтральным: пригодные для питья рН 7,6-8,5 слабо – щелочные: пригодные для питья рН 8,6-9,5 щелочные рН >9,5 сильно щелочные Не пригодны для питья: а) с М > 1 г/дм3 б) с рН >8,5 - 4,5 - 6,5 в) при содержании хлоридов >350 мг/дм3 г) при содержании сульфатов >500 мг/дм3 (150 + 300 = 450) д) Cl + SО4 450 Таблица 2. Химический состав воды, мг/ л. Варианты 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 pH Ca2 Mg 2 Na К+ 6. 9 7..3 7. 4 7..5 7. 6 7. 4 7..5 10.5 7.9 6.9 79 93 76 2.5 2.76 88. 2 152..3 0.2 3.4 79.0 37 10 14 3 2. 15 7..67 29.1 121..2 2.8 3.0 37 35 6 37 11,9 4, 12 21, 4 630 180 3,02 35 230 253 190 183 280 265 134 60 90 240 Cl SO42 CO32 HCO3 12 6 17 56 3.2 14.2 553 89.6 1.9 12 66 83 25 5.69 2.5 0.34 79.0 915.6 3.76 136.5 1.11 66 - 418 238 890 30.31 48.45 346 629.7 90.5 26.6 418 3. Экспресс- анализ воды В промышленных условиях вода подвергается физическому (температура, прозрачность, вкус, цвет и запах), химическому (реакция воды, присутствие органических и химиче- 5 ских веществ, жесткость и некоторые другие), микробиологическому (наличие бактерий и водорослей) анализам и, конечно, очистке. Определяют следующие ее показатели. Цветность определяют по окраске 100 мл воды, налитой в бесцветный стакан и рассматриваемой на фоне белого листа бумаги. Если она имеет темный цвет, то это говорит о присутствии в ней разлагающихся органических веществ, красная или желтая окраска - глины, глины или некоторых органических веществ. Прозрачность воды устанавливают, глядя на шрифт из книги сквозь слой воды высотой 20 см, налитой в бесцветный стакан; все буквы в строчках должны хорошо читаться. Присутствие хлопьевидных осадков, комков и песчинок говорит о загрязнении воды известковыми осадками, илом, песком или глиной. Запах воды устанавливают при температуре от 20 до 600С. Гнилостный запах говорит о присутствии сероводорода. Такая вода для приготовления растворов не пригодна. Вкус «дегустируют» после пятиминутного кипячения воды и ее охлаждения до 20-250С. Гнилостный вкус укажет на продукты распада животных и растительных организмов, соленый - на присутствие поваренной или других щелочных солей, горький - солей магния, вяжущий - солей железа, сладковатый - гипса. Жесткость воды в домашних условиях находят весьма просто - намыливанием. Если мыло плохо мылится и не дает пены, то в воде присутствует двууглекислая и едкая известь. Реакцию воды (кислотность, щелочность) устанавливают при помощи лакмусовых полосок: синяя в присутствии кислот краснеет, а красная в присутствии щелочей синеет. Помощь в этом могут оказать и специальные индикаторные бумаги для определения рН различных жидкостей. Соли трехвалентного железа учитывают с помощью роданистого калия. Водный раствор роданистого калия в присутствии следов трехвалентного железа окрашивается в желтый, а при больших количествах - в кроваво-красный цвет. Этот тест служит и для предварительной проверки воды на содержание железа в ней. 4. Методы очистки воды в домашних условиях Улучшить свойства воды можно механическим путем (фильтрация) или химическим (кипячение, перегонка, прибавление химических реагентов). Фильтрование помогает избавить колодезную и речную воду от загрязнения колодезным железом и органическими веществами, от примесей песка и глины. Примеси из такой воды удаляют при помощи фильтрования через активированный уголь. Кипячение воды устраняет жесткость, обуславливаемую присутствием в ней двууглекислых солей магния и кальция, удаляет имеющиеся в ней газы и летучие вещества, уничто6 жает все возможные бактерии. При кипячении карбонаты разлагаются и оседают на стенках посуды в виде накипи. Выпавшие же после кипячения в осадок соли удаляют фильтрованием. Химические реагенты: Сильно загрязненную воду перед использованием сливают, а мутность устраняют добавлением к воде 1-4мг/л алюмокалиевых квасцов. Выпадающий студенистый осадок увлекает при своем осаждении легкую муть и различные взвешенные в воде частицы, бактерии и некоторые органические вещества. После отстаивания (несколько часов) воду сливают, фильтруют и кипятят. При другом способе очистки в воду добавляют натриевую соль щавелевой кислоты до тех пор, пока не прекратиться образование осадка. Для осаждения кальция и магния используют растворы фосфорнокислого и сернистого калия. Введение в загрязненную воду 0,03% раствора марганцево-кислого калия также способствует ее очищению. Компактные устройства очистки: Наиболее эффективный способ очистки воды магнитная обработка, то есть кондиционирование воды в магнитном поле. Сегодня, установки для подобной очистки широко используются и позволяют получать от 10 до 115 литров воды в минуту. С помощью магнитной обработки изменяется процесс кристаллизации карбоната кальция. Кристаллы СаСо3, выделяющиеся из кодиционированной воды, имеют уже не кубическую форму, а представляют собой плоские тонкие снежные хлопья, рассеянные в жидкости. Для обработки бытовой воды легко приспособить бытовой фильтр «Родник-3». В нем используется фильтрующий слой угля, который удаляет из водопроводной воды посторонние привкусы и запахи. «Турист-2М», выпускаемый в Электростали, надежный помощник в походе и в домашних условиях. Он обеспечивает полное обеззараживание и очистки воды из открытых водоемов, очищает водопроводную воду от соединений железа, фенола и гуминовых соединений, устраняет привкус и запах. 5. Методы промышленной очистки воды - механические (решетки, сита, фильтры, отстойки, нефтеловушки) - таким образом обрабатывается 60-95% стоков. - химические реагенты, вызывающие осадок. - биологическая очистка в естественных условиях на специальных полях фильтрации или орошения (20 м на 100-150 м), окруженных земляным валом. - биологическая очистка в искусственных условиях (биофильтры, аэротанки). - биофильтры - из кирпича и бетона, заполненного гравием и щебнем, с микроорганизмами, которые разлагают органическое вещество. - аэротанки - резервуар, в который перемещается активный ил со сточными водами. 7 Контрольные вопросы 1. Как различается природная вода по минеральному составу? 2. Что такое жесткость воды и каковы ее разновидности? 3. Какая служба контролирует качество воды и каким руководствуется нормативным документом? 4. Каковы основные требования к качеству воды? 5. Как описывается химический состав природной воды? 6. По каким признакам оценивается качество воды? 7. Каким образом можно очистить воду в домашних условиях? 8. Какой способ очистки воды наиболее эффективен? 9. Какие существуют портативные устройства для очистки воды? 10. Какие известны промышленные методы очистки воды? Литература 1. ГОСТ 2874-82 Вода птьевая. Гигиенические требования и контроль качества. 2. Котова Л.И., Рыжков Л.П., Полина А.В. Биологический контроль качества воды. М.: Наука,1989.С.142. 3.Черновский А.Л. Учение о гидросфере (учебное пособие). Новосибирск,1998 Методическое указание составил к.б.н., профессор кафедры «Приборные устройства» НГПУ Матвеев П.В. 8