1.4. Показатели качества воды

В зависимости от характера использования воды различными потребителями определяются концентрационные показатели, необходимые для качественной и количественной характеристики воды.

Прежде чем приступить к детализации концентрационных показателей качества воды с расчетными примерами, отметим, что действующая научно-техническая, справочная литература и производственные документы (ПТЭ, руководящие и методические указания, справочники, учебники, эксплуатационные инструкции и т.п.) используют для выражения концентрация ряда растворов единицы г-экв/дм³, мг-экв/дм³, относящиеся к эквивалентной концентрации. В то же время в Международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль, что исключает формально понятие "эквивалентной концентрации" (хотя закон эквивалентов никто не отменял), но разрешает использование концентраций, выраженных в нормальностях. Последняя базируется на молярной концентрации эквивалента, обозначаемого, например, C_эк(H₂SO₄) = 1 моль/дм³ и соответствует 1 н раствору H₂SO₄. Массовую и объемную концентрацию вещества допустимо выражать в ранее используемых единицах. Для того чтобы при изучении материалов "Водоподготовки" не было разночтений с действующими документами и литературой, в книге сохранены эквивалентные единицы. При этом надо учитывать, например, что C_эк = 0.1 моль/дм³ = 0.1 н = 0.1 г-экв/дм³ = 100 г-экв/дм³. Поясним вышеизложенное примером.

Пример 1.4. Рассчитать, сколько граммов Na₂SO₄ потребуется для приготовления 400 см³ растворов:

1) 0.3 М Онлайн расчет;

2) 0.3 н Онлайн расчет;

3) с массовой долей 16% (насыщенный раствор r = 1.141 г/см³) Онлайн расчет.

Решение.

1) молярная масса Na₂SO₄ M_Na₂SO₄ = 142 г/моль. По определению в 1 дм³ 0.3 М раствора содержится 0.3 моля Na₂SO₄, соответственно в 400 см³ раствора - 0.12 моля соли. Следовательно, для приготовления заданного объема 0.3 М раствора нужно взять 142 · 0.12 = 17.04 г Na₂SO₄.

2) эквивалент Э_Na₂SO₄ = (1/2) Na₂SO₄, поэтому молярная масса эквивалента М_эк(Na₂SO₄) = 1/2 · 142 = 71 г/моль. По аналогии с предыдущим расчетов M_Na₂SO₄ = 71 · 0.12 = 8.52, т.е. для приготовления 400 см³ 0.3 н раствора (0.3 г-экв/дм³) необходимо 8.52 г Na₂SO₄.

3) по определению, в растворе с массовой долей 16% растворенная соль Na₂SO₄ составляет 16% от общей массы раствора. Определим массу 400 см³ насыщенного раствора и возьмем от нее 16%. Учитывая, что по условию, плотность такого раствора r = 1.141 г/см³, масса раствора равна 1.141 · 400 = 456.4 г. Масса соли должна быть равна 456.4 · 16/100 = 73.02 г.

Отметим также, что при выражении концентраций имеются расхождения, связанные с их выражением по отношению к дм³, кг, л. При плотности анализируемого раствора, близкой к 1 кг/дм³, значения массовой и объемной концентрации одинаковы.

Важнейшими показателями качества воды для использования ее в теплоэнергетике являются:

1) концентрация грубодисперсных примесей (ГДП);

2) концентрация истинно-растворенных примесей (ионный состав);

3) концентрация коррозионно-активных газов;

4) концентрация ионов водорода;

5) технологические показатели, в которые входят сухой и прокаленный остаток, окисляемость, жесткость, щелочность, кремнесодержание, удельная электропроводимость и т.д.

Концентрация грубодисперсных веществ в воде может быть достаточно точно определена фильтрованием воды через бумажный фильтр с последующим его высушиванием при температуре 105 - 110°С до постоянной массы. Однако на практике предпочитают использовать методы определения грубодисперсных веществ по прозрачности или мутности воды. Прозрачность воды определяют при повышенных концентрациях ГДП в воде при помощи стеклянной трубки, залитой водой, на дне которой расположен стандартный шрифт или крест с шириной линий 1 мм. Высота столба воды, при которой определяется хорошая видимость шрифта или креста, является количественной оценкой прозрачности воды. Норма прозрачности питьевой воды "по шрифту" равна 30 см. При малых концентрациях ГДП (< 3 мг/дм³) используют нефелометрический метод, основанный на сравнении мутности анализируемой воды с соответствующим эталоном. Концентрация ГДП может быть также определена по разности значений плотного и сухого остатков, полученных при упаривании 1 дм³ соответственно нефильтрованной и фильтрованной воды и высушивании остатка при 110°С до постоянной массы.

Сухой остаток позволяет косвенно судить о солесодержании воды, т.е. о сумме всех анионов и катионов в воде, за исключением ионов Н⁺ и ОН^-. Однако при образовании сухого остатка несколько изменяется ионный состав примесей за счет разложения гидрокарбонатов. В сухой остаток входит также часть органических и коллоидных примесей. Прокаливание сухого остатка при 800°С приводит к сгоранию органических примесей и распаду карбонатов. Поэтому разность значений плотного и сухого остатков позволяет лишь ориентировочно оценить концентрацию органических примесей в воде. На практике предпочитают определять концентрацию органических примесей в воде косвенным методом, используя сильные окислители (например, КМnО₄). Поэтому концентрацию органических примесей называют окисляемостью воды и выражают через расход окислителя, необходимого в стандартных условиях для окисления органические примесей, содержащихся в 1 дм³ воды.

Концентрации отдельных ионов в воде, мг/дм³ (или г-экв/дм³) определяют методами химического анализа. Правильность проведения анализа должна подтверждаться выполнением закона электронейтральности SА = SК, г-экв/дм³. Возможная ошибка при этом не должна превышать 1%:

(1.22)

Если ошибка превышает 1%, то следует проверить качество анализа отдельных ионов или повторить весь анализ.

Суммарная концентрация всех катионов и анионов в воде составляет солесодержание воды, при этом не учитываются анионы кремниевой кислоты из-за неопределенности сведений об их концентрации в ионной форме, полуторные оксиды и ионы Н⁺ и ОН^-. В случае кислых или щелочных растворов ионы H⁺ и ОН^- следует учитывать при подсчете солесодержания.

Жесткость воды является одним из важнейших показателей, определяющих пути использования воды в теплоэнергетике. Общей жесткостью воды Ж_o называется суммарная концентрация ионов кальция и магния, выражаемая в г-экв/дм³, а при малых значениях - в мкг-экв/кг. По определяющему катиону общая жесткость воды подразделяется на кальциевую Ж_Са и магниевую Ж_Mg. Часть общей жесткости (в предельном случае при С_НСО₃^- > Ж_о вся жесткость), эквивалентная концентрации гидрокарбонат-ионов и карбонат-ионов в воде, называется карбонатной жесткостью Ж_к, а остальная часть, эквивалентная содержащимся в воде другим анионам (С1^-, SO₄^{2 -} и др.), называется некарбонатной жесткостью Ж_нк:

Подчеркнем еще раз, что при С_{НСО₃^- + СО₃^2-} > С_{Са²⁺ + Mg²⁺} принимается, что Ж_о = Ж_к, а Ж_нк = 0. По значению Ж_о, (г-экв/дм³) природных вод установлена следующая классификация: Ж_о < 1.5 - малая жесткость; Ж_о = 1.5 - 3.0 - средняя; Ж_о = 3.0 - 6.0 - повышенная; Ж_о = 6.0 - 12.0 - высокая; Ж_о > 12.0 - очень высокая. Жесткие воды образуют плотные отложения на теплопередающих поверхностях. Процесс выделения из воды ионов кальция и магния получал название умягчение.

Пример 1.5. Онлайн расчет Жесткость исходной воды составляет 4 г-экв/дм³, а С_Са²⁺ = 60 мг/дм³. Определить магниевую жесткость и концентрацию магния в воде.

Общая жесткость определяется соотношением

Из итого равенства находим Ж_Mg = 4 - 3 = 1 г-экв/дм³. Следовательно, С_Mg = 12 мг/дм³.

Пример 1.6. Онлайн расчет Качество исходной воды характеризуется следующими данными: Ж_о = 5 г-экв/дм³, Ж_нк = 2 г-экв/дм³. Определить Ж_к, Ж_Са и Ж_Мg, если Ж_о/Ж_Mg = 4.

Карбонатную жесткость находим из равенства

Ж_к = Ж_о - Ж_нк = 5 - 2 = 3 г-экв/дм³;

Ж_Mg = Ж_о/4 = 1.25 г-экв/дм³,

тогда кальциевая жесткость равна

Ж_Са = Ж_о - Ж_Mg = 5 - 1.25 = 3.75 г-экв/дм³.

Общей щелочностью воды Щ_о г-экв/дм³, называется суммарная концентрация всех анионов слабых кислот и ионов гидроксида за вычетом концентрации ионов водорода:

Щ_о = SC_Aн^сл.к + С_ОН^- - С_H⁺. (1.23)

Характер анионов слабых кислот, обусловливающих общую щелочность, позволяет подразделять ее на гидратную щелочность (равную концентрации ионов ОН^-), гидрокарбонатную (НСО₃^-), карбонатную (CO₃^2-), силикатную (НSiO₃^-, SiO₃^2-) и фосфатную (Н₂РО₄^-, HPO₄^2-, РО₄^3-).

Обычно в природных водах гидрокарбонатная щелочность существенно преобладает над другими видами щелочности, поэтому ее значение без большой погрешности выражает общую щелочность воды. Так как аналитически достаточно надежно определяемым значением щелочности можно считать 0.01 г-экв/дм³, учет гидратной щелочности следует проводить лишь при С_ОН^- > 10^-2 г-экв/дм³, т.е. при рН > 9.

Экспериментально щелочность воды определяют титрованием пробы воды кислотой в присутствии кислотно-щелочных индикаторов фенолфталеина и метилового оранжевого, меняющих свою окраску соответственно при рН = 8.3 и 4.4. Обозначив через Ф количество кислоты, израсходованной при титровании по фенолфталеину и через М суммарных расход кислоты по фенолфталеину и метиловому оранжевому с учетом мольных переходов СО₃^2- ® НСО₃^- ® Н₂СО₃ (см. табл. 1.6), получим данные для определения вида щелочности воды, приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7 Определение видов щелочности при титровании
Соотношение между Ф и М В воде присутствуют ионы Щелочность

гидратная карбонатная бикарбонатная

M = Ф ОН^- Ф (= M) - -

M < 2Ф ОН^- и СО₃^2- 2Ф - M 2(M - Ф) -

M = 2Ф СО₃^2- - M (= 2Ф) -

M > 2Ф СО₃^{2 -} и НСО₃^- - 2Ф M - 2Ф

Ф = 0 НСО₃^- - - M

**Таблица 1.7**
Соотношение между Ф и М	В воде присутствуют ионы	Щелочность
гидратная	карбонатная	бикарбонатная
M = Ф	ОН^-	Ф (= M)	-	-
M < 2Ф	ОН^- и СО₃^2-	2Ф - M	2(M - Ф)	-
M = 2Ф	СО₃^2-	-	M (= 2Ф)	-
M > 2Ф	СО₃^{2 -} и НСО₃^-	-	2Ф	M - 2Ф
Ф = 0	НСО₃^-	-	-	M

Пример 1.7. Онлайн расчет: MAS 11 MCS 14 Скачать файл Mathcad 14 Состав примесей воды, г-экв/дм³: С_Cа²⁺ = 3; C_Mg²⁺ = 1; C_Na⁺ = 1; C_НСО₃^2- = 3; C_SO₄^2- = 1; C_Cl^- = 1. Определить жесткость и щелочность воды.

Проверим правильность представленного анализа:

SKm = SAн = 3 + 1 + 1.

Общая жесткость воды:

Ж_o = Ж_Cа + Ж_Mg = 3 + 1 = 4 г-экв/дм³,

где Ж_Cа = 3 мг-экв/дм³; Ж_Mg = 1 мг-экв/дм³.

Щелочность воды:

Щ_o = C_НСО₃^- = 3 г-экв/дм³ и Ж_к = Щ_o = 3; Ж_нк = Ж_o - Ж_к = 4 - 3 = 1 г-экв/дм³.

Пример 1.8. Онлайн расчет В 5 дм³ бидистиллята растворили 0.4 г NaOH и 265 мг Na₂CO₃. Определить значение и характер щелочности раствора.

Поскольку в растворе содержаться только ионы ОН^- и СО₃^2-, то общая щелочность состоит из гидратной и карбонатной. Вначале определяем концентрацию растворенных веществ в 1 дм³:

С_NaOH = 400/5 = 80 мг/дм³, С_Na₂СO₃ = 265/5 = 53 мг/дм³,

после чего

Щ_г = 80/40 = 2 г-экв/дм³, Щ_к = 53/53 = 1 г-экв/дм³,

где 40 и 53 - молярные концентрации эквивалентов NaOH и Na₂CO₃.

Щ_о = Щ_г + Щ_к = 2 + 1 = 3 г-экв/дм³.

Удельная электропроводимость воды, См/см, характеризуется электрической проводимостью слоя воды, находящегося между двумя противоположными гранями куба с ребром, равным 10^-2 м. Она косвенно связана с суммарной концентрацией примесей в истинно растворенном состоянии (солесодержанием). В чистой воде, не содержащей примесей, перенос зарядов осуществляется лишь ионами Н⁺ и ОH^-. Удельная электропроводимость такой воды при 20°C составляет 0.04 мкСм/см. В растворах связь между электропроводимостью и концентрацией ионных примесей зависит от множества факторов, в том числе от температуры, вида ионов, степени диссоциации, что существенно затрудняет измерения. Более определенная связь существует в растворах (проводниках второго рода) при постоянных температуре и степени диссоциации.

Так, удельную электропроводность водных растворов различных солей концентрацией до 500 мг/дм³ в условном пересчете на NaCl можно примерно оценить из соотношения:

1 мкСм/см » 0.6 мг/дм³. (1.24)

Концентрация растворенных газов в воде зависит от множества факторов: природы газа, температуры воды, степени минерализации воды, парциального давления газа над водой, рН воды и т.п. Это во многих случаях существенно затрудняет их аналитическое определение в технологических процессах и требует специальных методов анализа. Концентрация свободной СО₂ в природной воде находится в пределах 10 - 50 мг/дм³ при 20°C. Концентрация О₂ в значительной степени зависит от содержания в воде органических веществ и температуры. При увеличении температуры от 0 до 35°C концентрация кислорода в чистой воде уменьшается от 14.6 до 6.5 мг/дм³.