Какие примеси содержит вода
Вода — это самое распространенное вещество на нашей планете. Жизнь без неё в прямом смысле невозможна, на https://hte.ru вы сможете узнать подробно о фильтрации – зачем нужна и каким устройством её лучше выполнять.
В нашей статье расскажем какие примеси могут присутствовать в воде. Ведь, пищевое качество данной жидкости очень важно для здоровья наших близких и нас самих. Знание о качестве воды должно быть на первом месте для людей, заботящихся о собственном будущем. Портить показатели полезности могут различные примеси, находящиеся в составе данного вещества. Среди таковых существуют следующие их виды:
1. Механические примеси
Механические примеси представляют собой большие частицы инородных тел. Именно их легко обнаружить невооруженным глазом, присмотревшись внимательно к воде. Если вода не прозрачная, а мутная значит это именно они. К таким частицам относятся песок, глина, ржавчина, ил и другие.
Благодаря им, выходит из строя стиральная машинка, забивается трубопроводный кран и выходит со строя нагревательный бойлер. При очистке воды от механических примесей применяются фильтры с механической очисткой и отстойники.
2. Химические примеси
К таким примесям относятся растворенные в воде неорганического происхождения вещества, такие как фосфаты (PO43) и сульфаты (SO42), нитраты (NO3) и хлориды (Cl). Также соли алюминия, натрия, железа, кальция и магния могут представлять химическую загрязнённость. Но самые опасные из данных примесей это токсичные примеси: свинец (Pb), хром (Cr), ртуть (Hg), стронций (Sr) и цинк (Zn). Количество включений химического происхождения определить сложнее, чем количество механических, но возможно. Для этого проверяют электропроводность воды. Чем ниже электропроводность, тем примесей больше.
При очистке жидкости от химических примесей используют методы:
Так же применяют фильтрацию при помощи сорбционных фильтров.
3. Биологические примеси
В числе всего перечня таковые включения считаются наиболее опасными, так как ими являются микроорганизмы и вирусы. В числе бактериального состава, который можно обнаружить в природном или поставляемом службами коммуникации водном ресурсе, могут содержаться:
Очищение воды от биологических примесей называют обеззараживанием. Выполняется эта процедура при помощи хлора или хлорсодержащих веществ, либо же воздействием озона или ультрафиолетового излучения.
Источники примесей
Источник загрязнения это объект, который провоцирует поступление вредных веществ и организмов многими путями в поверхностные или подземные воды. Загрязнители значительно понижают пригодность воды к её использованию в условиях быта. Так, в природных условиях водный ресурс может быть загрязнён разнообразными примесями, которые разделяются на группы относительно их биологических и физико-химических свойств.
Атмосферные воды, называемые кислотными дождями. Помимо того, что кислотные дожди оксиды выливают серу и азот, они так же путем вымывания грязи с городских улиц приносят к водным пользовательским бассейнам кислоты, фенолы и следы нефтепродуктов промышленности.
Городские сточные воды. Преимущественно, это бытовые стоки, содержащие фекалии, моющие средства, а также набор микроорганизмов, в том числе и патогенных.
Промышленные сточные воды. Источниками являются разнообразные отрасли промышленности, где необходимо применение воды как средства очистки или охлаждения. К таковым относят: чёрную металлургию, химическую промышленную деятельность, лесохимическую, нефтеперерабатывающую промышленность, а также энергетические и прочие.
Сельскохозяйственные стоки.
В их содержании можно обнаружить:
— смытые эрозией частицы почвы;
— биогенные вещества, содержащиеся в удобрениях;
— помёт сельскохозяйственных животных.
Также, могут содержаться множественные бактерии, паразитов и различных микроорганизмов. Наилучшим решением потребления в пищу чистой воды, будет покупка подготовленной на специальных станциях с современной системой фильтрации. Поэтому, покупка артезианской бутилированной воды на сегодня признана наиболее безопасным способом обеспечивать себя качественной продукцией, не содержащей вредных составляющих. А наличие достаточного числа минералов и солей, наоборот, способствует улучшению показателей здоровья.
Источник
Больше всего примесей содержится в воде
Все примеси, загрязняющие природную воду, можно разделить по степени дисперсности (крупности):
1) Грубодисперсные с размерами частиц более 100 нм;
2) Коллоиднодисперсные с размерами частиц от 1 до 100 нм;
3) Молекулярнодисперсные с размерами частиц менее 1 нм.
Грубодисперсные примеси обуславливают мутность природных вод и являются механическими примесями, состоящими из песка, глины и т.д.
Коллоиднодисперсные вещества не осаждаются даже в течение длительного времени. В природных водах в коллоиднодисперсном состоянии находятся соединения кремния, алюминия, железа, а также органические вещества, образующиеся в результате распада животных и растительных организмов.
К молекулярнодисперсным примесям относятся растворенные в воде соли, кислоты, щелочи и газы. Ионы кальция занимают в водах первое место по содержанию. Основным источником появления ионов кальция в природных водах являются известняки.
По химическому составу примеси природных вод можно разделить на два типа : 1. минеральные и 2. органические.
К минеральным примесям воды относятся растворенные в ней содержащиеся в атмосфере газы N 2 , O 2 , СО 2 ‚ образующиеся в результате окислительных и биохимических процессов NН З, СН 4 ‚ Н 2 S‚ а также газы, вносимые сточными водами; различные соли, кислоты, основания, в значительной степени находящиеся в диссоциированной форме, т.е. в виде образующих их катионов и анионов.
К органическим примесям природных вод относят гумусовые вещества, вымываемые из почв и торфяников, а также органические вещества различных типов, поступающие в воду совместно с сельскохозяйственными стоками и другими типами недостаточно очищенных стоков.
Высокоосновные аниониты. Зависимость обменной емкости от рН среды. Объяснить, как изменяются показатели качества воды после высокоосновного анионирования. Почему высокоосновные аниониты ставят в схемах водоочистки в ее последних ступенях?
Иониты представляют собой нерастворимые в воде вещества, которые благодаря наличию в них специальных функциональных групп способны к реакциям ионного обмена.
Высокое значение Рн в зоне обмена на анионите способствует диссоциации слабых кислот Н 2 СО 3 и Н2SiO3 и переводу их в ионизированное состояние, поэтому они также могут участвовать в реакциях анионного обмена, но лишь при использовании сильноосновных анионитов:
С учётом значений обменных емкостей слабоосновных и сильноосновных анионитов (
Основные характеристики природной воды
1.1. Поступление примесей в воду
Природная вода, разделяемая условно на атмосферную (дождь, туман, снег), поверхностную (реки, озера, пруды, болота), подземную (артезианские скважины, шахтные колодцы) и морскую (моря, океаны), всегда содержит различные примеси. Характер и количество имеющихся в воде примесей определяет качество воды т.е. характеризует возможность использования ее для различных целей в промышленности и в быту.
Примеси поступают в воду, находящуюся в природном круговороте, из окружающей ее среды. Вода, занимающая около 70 % поверхности Земли, испаряясь, поступает в атмосферу, а после конденсации водяных паров в верхних слоях атмосферы возвращается на поверхность Земли в виде осадков, образуя поверхностные и подземные стоки и водоемы. Подземные стоки создаются при просачивании атмосферной воды в более или менее глубокие слои почвы, где вода собирается над водонепроницаемыми пластами, стекает по ним и выходит вновь на поверхность земли в местах выхода этих пластов, сливаясь с поверхностными стоками. Далее вода в руслах рек и ручьев перемещается к озерам, морям, водохранилищам, завершая этим свой природный круговорот.
Наряду с природным существует производственно-бытовой круговорот воды, создаваемый в результате потребления ее для различных целей (охлаждение, коммунальное водоснабжение и т.п.).
Примеси поступают в воду на всех этапах отмеченных круговоротов. При конденсации влаги в атмосфере в конденсате растворяется кислород, азот, углекислый газ в соответствии с их парциальными давлениями, а в промышленных районах – также значительное число оксидов серы и других продуктов, содержащихся в дымовых газах. Суммарное солесодержание атмосферных осадков составляет в среднем 10 мг/дм 3 . Просачиваясь через грунт, вода встречается с различными минеральными солями (NaCl, Na 2 SO 4 , MgSO 4 , CaCO 3 , силикатами и др.) и органическими веществами, растворяет или механически захватывает их. При одновременном присутствии в воде кислорода, органических веществ и микроорганизмов (бактерий), постоянно находящихся в поверхностных слоях почвы, создаются условия для перевода основных составляющих ряда органических веществ в минеральные кислоты (углерода в угольную, азота в азотную, серы в серную, фосфора в фосфорную и т.п.). Образующиеся в подпочвенных водах кислоты взаимодействуют с широко распространенными в природе известняками – карбонатами кальция, железа, доломитами CaMg(CO 3) 2 и другими породами, что приводит к поступлению в воду хорошо растворимых бикарбонатов Ca, Mg, Fe, например:
| | (1.1) |
| ; | (1.2) |
| | (1.3) |
Коренные горные породы – сложные силикаты (граниты, кварцевые породы), они весьма слабо растворимы в воде и лишь при длительном контакте обогащают воду растворимыми силикатами в небольшой концентрации (5–15 мг/дм 3).
При прохождении воды через толщу почвы, захваченные ею механические грубодисперсные примеси отфильтровываются, в связи с чем грунтовые (лежащие вблизи поверхности земли) и артезианские (лежащие более глубоко между двумя водонепроницаемыми пластами) воды характеризуются невысокой концентрацией взвешенных и органических примесей. В то же время десорбция углекислоты из таких вод затруднена в связи со слабым газообменом их с атмосферой, что приводит к интенсивному растворению карбонатных пород (см. уравнения реакций (1.1) – (1.3)) и большому насыщению подземных вод бикарбонатами.
Фильтрация воды через почву частично сопровождается ионообменной адсорбцией ионогенных примесей; так, почвенные комплексы хорошо задерживают фосфаты, происходит обмен адсорбированного почвой Na + на К + и т.п. Поэтому, несмотря на примерно одинаковую распространенность натрия и калия в природе, в поверхностной воде среднее соотношение концентраций :[К + ] составляет большей частью 10:1.
Существенно большим разнообразием примесей по сравнению с природными водами характеризуются производственно-бытовые стоки. По характеру загрязнений эти стоки подразделяют на три группы: бытовые сточные воды; производственные сточные воды; стоки, образующиеся при лесозащитных и растениеводческих работах.
Бытовые сточные воды и стоки лесозащитных и растениеводческих работ с применением реагентов имеют более или менее однообразный состав: белковые вещества и продукты их распада, жиры, мочевину, мыло, синтетические моющие средства, удобрения и т.п.
Эти примеси в основном относятся к классу органических веществ и в водной среде окисляются под действием кислорода и микроорганизмов.
Загрязнения производственных стоков определяются главным образом типом предприятия, на котором они образуются. Концентрация примесей (кислот, щелочей, нейтральных солей, нефтепродуктов, органических соединений) в сточных водах, подлежащих переработке и повторному использованию, может достигать несколько граммов на один кубичесий дециметр воды и оказывать резко отрицательное влияние на водно-химический и биохимический режимы водостока при аварийных сбросах: снижение концентрации кислорода, изменения рН, отравляющее действие, заиливание и т.п., поэтому бесконтрольный сброс сточных вод в природные водотоки запрещен в законодательном порядке.
1.2. Классификация, характеристика вод и их примесей
Природные воды классифицируют по ряду признаков, простейшим из них является солесодержание воды. В соответствии с солесодержанием различают
· пресную воду – солесодержание 1 г/дм 3 ;
· солоноватую – солесодержание 1–10 г/дм 3 ;
· соленую – солесодержание более 10 г/дм 3 ;
Большое распространение получила предложенная О.А. Алехиным система, по которой воды различаются по преобладающему в них аниону: гидрокарбонатный класс вод с преобладающим анионом или суммой анионов (С), сульфатные воды (S), хлоридные воды (Cl). По преобладающему катиону классы вод делятся на три группы: кальциевую (Са), магниевую (Mg) и натриевую (Na). Реки средней полосы европейской части России в основном относятся к гидрокарбонатному классу кальциевой группы (С Са).
Примеси природных вод по степени дисперсности (крупности) подразделяют: на истинно-растворимые (ионно- или молекулярно-дисперсные), распространенные в воде в виде отдельных ионов, молекул; коллоидно-дисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм; грубодисперсные с размером частиц более 100 нм (0,1 мкм).
Коллоидные примеси представляют собой агломераты из большого числа молекул с наличием поверхности раздела между твердой фазой и водой. Из-за малых размеров коллоидные частицы не теряют способности к диффузии и имеют значительную удельную поверхность.
Например, если кубик вещества объемом 1 см 3 раздробить на более мелкие кубики с длиной ребра 10 нм, то количество таких кубиков составит 10 18 единиц с общей площадью поверхности 600 м 2 .
Коллоидные частицы не выделяются из воды под действием силы тяжести, не задерживаются обычными фильтрующими материалами (песком, фильтрующей бумагой) и различимы в рассеянном свете (конус Тиндаля). В природных водах в коллоидно-дисперсном состоянии находятся различные производные кремниевой кислоты и железа, органические вещества – продукты распада растительных и животных организмов.
Грубодисперсные примеси (так называемые взвешенные вещества) имеют столь большую массу, что практически не способны к диффузии. С течением времени устанавливается определенное седиментационное равновесие, примеси либо выпадают в осадок, либо всплывают на поверхность (при плотности частиц меньше плотности воды).
Длительно оставаясь во взвешенном состоянии, грубодисперсные примеси обусловливают мутность воды. Чем больше размер частиц грубодисперсных примесей, тем быстрее устанавливается седиментационное равновесие, и тем легче выделяются они из воды при отстаивании или фильтрации. Так, скорость отстаивания частиц песка и ила размером 100 и 20 мкм составляет в неподвижной воде при 10 °С соответственно около 7 и 0,4 мм/с.
По химическому составу примеси природных вод можно разделить на два типа: минеральные и органические.
К минеральным примесям воды относятся растворенные в ней содержащиеся в атмосфере газы N 2 , O 2 , СО 2 , а также газы, вносимые сточными водами, различные соли, кислоты, основания, в значительной степени находящиеся в диссоцинированной форме, т.е. в виде образующих их катионов и анионов.
К органическим примесям природных вод относят гумусовые вещества, вымываемые из почв и торфяников, а также органические вещества различных типов, поступающие в воду совместно с сельскохозяйственными стоками и другими типами недостаточно очищаемых стоков.
1.3. Характеристика ионизированных примесей
Механизм поступления примесей в природную воду формирует определенное постоянство типа важнейших ионов, содержащихся в различных водотоках и водоемах. Сведения о наиболее распространенных в природных водах ионах и их концентрациях приведены в табл. 1.1.
Важнейшие ионы природных вод
Характеризуя ионированные примеси, можно отметить следующее.
Ионы натрия и калия с анионами природных вод не образуют труднорастворимых простых солей, поэтому их относят к группе устойчивых примесей. Концентрация Na + , K + изменяется только в результате испарения или разбавления природной воды, при анализе воды ее часто выражают суммарно.
Ионы кальция и магния относят к числу важнейших примесей воды, они во многом определяют возможность ее использования для различных народнохозяйственных целей, так как образуют труднорастворимые соединения с некоторыми находящимися в воде анионами. При использовании природной воды и связанным с ним изменением исходных концентраций катионов и анионов, например при упаривании или снижении растворимости с ростом температуры, происходит выделение труднорастворимых солей кальция и магния на теплопередающих поверхностях в виде твердой фазы.
В технологических процессах подготовки воды для снижения концентрации кальция и магния часто используется образование их труднорастворимых соединений, выводимых из воды до поступления ее в водопаровой тракт.
Ионы железа характеризуются поливалентностью и могут находиться в различных формах: Fe 2+ и Fe 3+ . Необходимо отметить, что обратный логарифм произведения растворимости при 25 °С равен 14,75, а составляет 37,2 единицы. Исходя из этих значений и ионного произведения воды, можно вычислить, что для поддержания равновесного насыщения воды ионами железа на уровне 0,1 мг/дм 3 для закисного железа рН воды следует довести до 9,2, а для оксидного – до 3,5; при увеличении концентрации Fe 3+ в ионной форме рН раствора будет понижаться. Во всех природных водах с высоким рН ионы Fe 3+ практически не могут содержаться и все соединения Fe 3+ находятся в коллоидной или грубодисперсной форме.
В подземных водах железо обычно находится в ионной форме в виде двухвалентного железа, стехиометрически отвечающего формуле соединения Fe(HCO 3) 2 , которое при условиях удаления растворенной углекислоты (выдерживание в открытых сосуде) легко гидролизуется, а при наличии в воде растворенного кислорода окисляется с образованием красно-коричневой твердой фазы гидроксида железа Fe(OН) 3:
| →4Fe(OH) 3(T) + 8CO 2 . | (1.4) |
В водах поверхностных источников железо может входить также в состав органических соединений, присутствие в воде соединений железа в повышенных концентрациях создает условия для развития железобактерий, образующих бугристые колонии на стенках трубопроводов.
Концентрация железа в исходной воде может увеличиваться в процессе транспортирования ее по стальным и чугунным трубам вследствие загрязнения продуктами коррозии.
Гидрокарбонат-ионы – важнейшая составная часть солевых компонентов воды. В природных водах кроме “полусвязанной” углекислоты (ионы – называемые также бикарбонатами), а в некоторых случаях и “связанной” углекислоты (ионы ) содержится также так называемая “свободная” углекислота, находящаяся в виде растворенного газа СО 2 и его гидрата – молекул Н 2 СО 3 . Между различными формами угольной кислоты существует кинетическое равновесие, связанное с величиной рН и содержанием ионов кальция в растворе.
Хлорид-ионы (Cl -) с катионами не образуют труднорастворимых солей и при температуре около 25 °С не подвергаются гидролизу или окислению.
Сульфат-ионы в поверхностных водах, не загрязненных органическими веществами, достаточно устойчивы; как ионы сильной кислоты, они не подвергаются гидролизу и образуют относительно труднорастворимую соль только с одним из катионов природных вод – Са 2+ . Однако растворимость сульфата кальция при обычной температуре достаточно высока (около 1 г/дм 3), и в природных водах, как правило, не происходит выделения твердой фазы СаSO 4 .
1.4. Кремнесодержащие соединения и органические примеси
Кремниевая кислота. Различные соединения кремниевой кислоты весьма распространены в природных водах; в подземных водах силикатов содержится больше, чем в поверхностных. Ангидрид кремниевой кислоты (SiO 2) c водой может образовывать кислоты типа метакремниевой H 2 SiO 3 (SiO 2 ·H 2 O), ортокремниевой H 4 SiO 4 (SiO 2 ·2H 2 O) и различных поликремниевых, например двуметакремниевой H 2 SiO 5 (2SiO 2 ·H 2 O) и т.д. Все эти кислоты при обычных для природных вод значениях рН малорастворимы и способны образовать в воде коллоидные растворы.
Многообразие форм кремниевых кислот и сравнительно малая их растворимость в воде (например, кремнесодержание в воде при t = 20 °С достигает 150 мг/дм 3 , t = 100 °С достигает 500 мг/дм 3) сильно затрудняют их дифференциацию при анализе воды, поэтому в результате анализа обычно получают только суммарную концентрацию кремнесодержащих соединений, условно выраженную в виде , так называемое кремнесодержание воды.
Кальциевые и магниевые соли кремниевых кислот различных типов, а также ферро- и алюмосиликаты значительно труднее растворяются в воде.
В поверхностных и артезианских водах общее кремнесодержание в пересчете на обычно составляет от 1 до 30 мг/дм 3 , при этом от 5 до 20 % представлено коллоидной формой. При значениях рН > 8 кремниевая кислота может находиться в воде в виде лишь в отсутствие ионов Са 2+ и Mg 2+ .
Органические примеси. Органические вещества, попадающие в открытые водоемы в результате вымывания их из почв и торфяников, объединяют обычно под общим названием гумусовых. Особенно загрязнены гумусовыми веществами, имеющими характерную желтую или коричневую окраску, водотоки болотного происхождения. Кроме того, поверхностные воды обогащаются органическими веществами в результате отмирания водной флоры и фауны с последующими процессами их химического и биохимического распада.
Гумусовые вещества природных вод разделяют условно на три группы, объединяющие органические примеси по более или менее близким физическим и химическим свойствам: 1) гуминовые кислоты (формула С 60 Н 52 О 24 (СООН) 4) обычно находятся в водоемах в виде коллоидов, переходя в истинно растворенное состояние лишь при высоких значениях рН; 2) коллоидные соединения фульвокислот; 3) истинно растворенные соединения фульвокислот.
Водород карбоксильных групп СООН гуминовых кислот может замещаться катионами с образованием солей, называемых гуматами. Гуматы щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде, в то время как гуматы кальция, магния и железа труднорастворимы. Гуминовые кислоты могут также образовывать с гидроксидами железа и алюминия комплексные соединения, частично представленные и коллоидной формой.
Большое значение в увеличении количественного и качественного содержания органических веществ в поверхностных водоемах и водотоках играют недостаточно очищенные бытовые, производственные, а также сельскохозяйственные стоки. Известно, что органические вещества являются главной причиной ухудшения органолептических свойств воды, т. е. появления запахов и привкусов.
Из-за сложности индивидуальной классификации органических примесей каждого типа в практике анализа используют общую способность органических примесей окисляться под действием специфических окислителей. Этот критерий не дает точного представления о реальной концентрации органических веществ в воде, однако позволяет приближенно характеризовать и сравнивать воды различного типа.
1.5. Закономерности изменения количественного состава примесей по районам и сезонам для поверхностных и подземных вод
Подземные водотоки, выходя на поверхность земли, играют значительную роль в питании рек, поэтому солевой состав рек зависит от характера почв и грунтов, с которых они собираются. Вследствие этого воды некоторых северных рек (Печора, Вятка, Нева), стекающих в районах сильновымытых или скальных грунтов, характеризуются малой минерализованностью (около 150 мг/дм 3). Воды рек южных районов (Эмба, Миус, Амударья), протекающих по сильно засоленным почвам, содержат до 1000 мг/дм 3 растворенных примесей. Если река протекает через районы с различными географическими условиями и геологическим строением (например, Волга), минерализованность ее воды может меняться на протяжении от истока до устья в 2–3 раза. Изменением характеристик грунтов и почв в направлении с севера на юг европейской части определяется эмпирическое правило повышения солесодержания рек в указанном направлении.
Количественный и качественный состав примесей рек и водоемов зависит от метеорологических условий и подвержен сезонным колебаниям. Так, в весенний паводковый период, после вскрытия льда, воды содержат минимальное количество растворенных солей, однако характеризуются максимальным количеством взвешенных веществ, увлекаемых с поверхности почвы быстрыми потоками талых вод. В зимний период в результате питания поверхностного водотока подземными водами его солесодержание достигает максимума (рис. 1.1). В летнее время состав речной воды определяется соотношением в питании долей поверхностного и подземного стоков.
Отмеченные географические и сезонные изменения состава природных вод необходимо учитывать при использовании показателей качества природной воды, с тем чтобы не определять пригодность водотока по результатам единичного наблюдения, выполненного на значительном расстоянии от планируемого места водозабора.
В зависимости от характера использования воды различными потребителями определяются и показатели, необходимые для качественной и количественной характеристики воды.
Важнейшими показателями качества воды для использования ее в теплоэнергетике являются
– концентрация грубодисперсных веществ (ГДП);
– концентрация истинно-растворимых примесей (ионный состав);
– концентрация коррозионно-активных газов;
– концентрация ионов водорода;
– технологические показатели, в которые входят сухой и прокаленный остаток, окисляемость, жесткость, щелочность, кремнесодержание, удельная электропроводность и т.д.
Концентрация грубодисперсных веществ в воде может быть достаточно точно определена фильтрованием воды через бумажный фильтр с последующим его высушиванием при температуре 378–383 К до постоянной массы. Однако на практике предпочитают использовать методы определения грубодисперсных веществ по прозрачности и мутности воды.
Прозрачность воды определяют при повышенных концентрациях ГДП в воде при помощи стеклянной трубки, залитой водой, на дне которой расположен шрифт или крест с шириной линии 1 мм. Высота столба воды, при которой определяется хорошая видимость шрифта или креста, является количественной оценкой прозрачности воды. При малых концентрациях ГДП (
Природная вода содержит большое количество различных примесей. В 1 см.3 питьевой воды содержится приблизительно 10 тыс. млрд молекул примесей, поступающих в воду на разных этапах ее природного круговорота. При конденсации влаги в атмосфере, выпадении воды в виде дождя и снега в ней растворяются кислород, азот, диоксид углерода, а также составные вещества различных дымовых и отработанных газов. Проходя сквозь почву, вода встречается с составными частями пород (солями, силикатами) и органическими веществами, растворяя их.
В присутствии кислорода неметаллы преобразуются в минеральные и другие кислоты (угольную, азотную, серную, фосфорную). Кислоты, взаимодействуя с известняками и другими породами, создают бикарбонаты кальция, магния, железа, которые хорошо растворяются в воде. Силикаты из-за малой растворимости переходят в воду в меньшем количестве. При фильтровании воды через почву происходит ионообменная адсорбция, почвенные комплексы хорошо задерживают фосфаты; происходит обмен ионов Na+, адсорбированных почвой, на ионы К+. Вот почему в воде поверхностных источников концентрация ионов Na+ в среднем в 10 раз превышает концентрацию ионов К+. Минеральный состав поверхностных вод (рек, озер, водоемов) зависит от характера почв, из которых собираются речные воды, а также от метеорологических условий и времени года. В весенний паводковый период вода содержит минимальное количество солей при значительном содержании взвешенных частиц, которые увлекаются потоками талых вод из поверхности почвы. В природную воду рек могут попадать разные промышленные и бытовые стоки, также вносящие в нее примеси.
По химическому составу примеси природных вод делятся на минеральные и органические. К минеральным примесям относятся азот, кислород, углерод, сера в виде аммиака, метана, сероводорода; разные соли, кислоты и их основы, которые в водном растворе в значительной степени диссоциированы на ионы. При применении природной воды для технологических нужд в пищевой промышленности необходимо принимать во внимание способность этих катионов образовывать труднорастворимые соединения с анионами пищевого сырья. В значительных количествах природные воды могут содержать ионы Na+ и К+, которые, в отличие от ионов Са2+ и Мg2+, не образуют труднорастворимых соединений с анионами пищевого сырья. Ионы железа в природной воде могут быть в форме (Fе2+) и окисленной (Fе3+) форме. В подземных водах железо обычно находится в ионной форме в виде Fе2+, которое в присутствии растворенного кислорода окисляется до Fе3+ и гидролизируется в труднорастворимый гидроксид, образующий коллоидный раствор или тонкодисперсную суспензию. В поверхностных водах железо может входить в состав органических веществ, в присутствии которых развиваются железобактерии. Значительной частью солевых компонентов воды являются НСО3-, СО2- и гидратированный диоксид углерода Н2СО3 (угольная кислота). Их соотношения в водном растворе подчиняются закономерностям диссоциации и зависят от рН. При рН=4,3 весь диоксид углерода, который содержится в воде, представлен СО2 и Н2СО3. С возрастанием рН часть СО2 уменьшается с одновременным повышением части НСО3-; при рН=8,35 практически весь диоксид углерода находится в форме НСО3-, а при рН=12 — только в форме СО32-.
Для поддержания в растворе определенной концентрации НСОз необходимо присутствие в воде эквивалентного количества СО2. Это равновесие может смещаться при контакте водного раствора с воздухом или в процессе сатурации (насыщения СО2) раствора. В результате содержание СО2 может стать больше или меньше величины, которая отвечает равновесному содержанию в системе НСО3- — СО2. В присутствии Са2+ избыток СО32- предопределяет выпадение из раствора твердой фазы СаСО3, а недостаток ионов СО32- — растворение СаСО3. Хлорид-ионы (Сl-) не создают с катионами труднорастворимых солей. Сульфат-ионы (SО42-) создают труднорастворимую соль только с Са2+. При высокой температуре концентрации органических примесей и отсутствии кислорода сера аниона SО42- может восстанавливаться до S2-. В этом случае вода приобретает неприятный запах сероводорода (Н2S).
В природных водах распространены кислотные соединения кремния. Эти кислоты при обычных для вод значениях рН малорастворимы и способны образовывать коллоидные растворы (растворимость H2SiO3 при 20°С составляет 0,15 г/кг). В воде в очень малых концентрациях (до 10-5 г/кг) содержатся бром, мышьяк, молибден, свинец и некоторые другие микроэлементы. Состав минеральных примесей природных вод принято характеризовать по превосходящему аниону. В гидрокарбонатных водах превосходящими являются анионы НСО-, в сульфатных — SО42-, в хлоридных — Сl-Органические примеси попадают в воду в результате отмирания объектов растительного и животного мира, а также с бытовыми и производственными отходами, сточными водами предприятий пищевой промышленности. В результате вымывания почвы и торфяников в открытые водоемы попадают гумусовые вещества, в том числе гуминовые кислоты и их соли. Такая вода имеет желтый цвет. Содержание отдельных соединений гуминовых соединений может существенно влиять на процесс очистки воды. Органические примеси являются главной причиной неприятного цвета, вкуса и запаха воды.
Примеси природных вод отличаются по степени дисперсности. В зависимости от размера частиц растворы бывают истинные (диаметр частиц 10-«7 см), коллоидные (диаметр частиц 10-7-10-5 см) и суспензии (диаметр частиц 10-5 см). Истинные растворы представляют собой гомогенные системы, в которых частицы распределены в воде в виде отдельных молекул и ионов. Коллоидные растворы гетерогенны, в них частицы распределены в виде агломератов из большого количества молекул и поверхностью разделения между твердой фазой и водой. По причине мелких размеров коллоидных частиц они не выделяются из воды в осадок силой тяжести и не теряют способность к диффузии. Коллоидным растворам свойственно рассеивание света, которое и вызывает опалесценцию воды. Грубодисперсные (взвешенные) частицы имеют массу большую, чем коллоидные, и практически не способны к диффузии. Со временем эти примеси выпадают в осадок или всплывают на поверхность. Такие примеси определяют мутность воды. В природных водах во взвешенном состоянии находятся ил, песок, частицы растений. Природная вода содержит также различные газы природного происхождения, растворимость которых в воде зависит от химической природы газов, температуры, степени минерализации воды и давления, под которым газ находится над водой. Хорошо растворимы в воде СО2 и Н2S, которые, как правило, образуют с водой угольную и сероводородную кислоты. Плохо
растворяются СН4, N2, O2, Н2, Ar, Не. Они практически не вступают с водой в химическое взаимодействие и находятся в ней в молекулярно-дисперсном состоянии. С повышением температуры и увеличением состава минеральных веществ растворимость газов уменьшается. При постоянной температуре растворимость газов согласно закону Генри изменяется прямо пропорционально давлению. Поэтому, как правило, чем глубже осуществляют водозабор артезианских скважин, тем больше вода насыщена газами. При выходе такой воды на поверхность, когда упругость газа в воде становится больше, чем в атмосфере, наблюдают его интенсивное выделение. Такой газ называют спонтанным, а воду — газирующей. Природную воду, кроме минеральных и органических веществ, загрязняют примеси биологического характера. Вода содержит разные микроорганизмы. Кроме того, в ней могут находиться плесени, бактерии, дрожжи, грибы, водоросли, инфузории, яйца гельминтов и др. Развиваясь в воде, микроорганизмы могут уменьшать в ней содержание органических веществ, минерализируя их, что содействует ее очищению.
Патогенные (болезнетворные) микроорганизмы могут вызывать инфекционные заболевания человека (дизентерия, холера, брюшной тиф, полиомиелит и др.), поэтому питьевую воду обязательно следует очищать биологическим способом.
Все примеси, загрязняющие природную воду в результате ее кругооборота, можно по степени дисперсности (крупности) разделить на три группы: 1) грубодисперсные с размером частиц больше 100 ммк; 2) коллоиднодисперсные с размерами частиц от 1 до 100 ммк и 3) молекулярнодисперсные с размером частиц меньше 1 ммк. Грубодисперсные и коллоиднодисперсные примеси образуют с водой гетерогенную систему, т. е. систему с наличием границ раздела между фазами, входящими в состав системы, а молекулярнодисперсные — истинные растворы, т. е. гомогенную систему. Грубодисперсные частицы задерживаются при фильтровании через обыкновенную фильтровальную бумагу; в отличие от них коллоидно- и молекулярнодисперсные вещества не задерживаются фильтровальной бумагой. Между этими тремя группами веществ нет резких границ.
Грубодисперсные вещества, обусловливающие мутность природных вод и являющиеся механическими примесями, состоят из песка, глины и других частиц минерального и органического происхождения, которые смываются с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время весенних и осенних паводков, а также попадают в воду в результате размыва русла рек. Природная вода считается прозрачной при концентрации грубодисперсных взвешенных веществ меньше 5 мг/л. С течением времени частицы грубодисперсных веществ осаждаются в воде, если плотность их больше плотности воды.
Коллоиднодисперсные вещества по размерам частиц занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярнодисперсными. Они свободно проходят через бумажный фильтр, но не проникают через мелкие поры животных и растительных перепонок. Коллоидные частицы не осаждаются даже в течение весьма длительного времени. В природных водах в коллоиднодисперсном состоянии находятся соединения кремния, алюминия, железа, а также органические вещества, образующиеся в результате распада животных и растительных организмов.
К молекулярнодисперсным веществам относятся растворенные в воде соли, кислоты и щелочи. В подавляющем большинстве случаев состав природных вод определяется следующими ионами:
Са 2+ , Mg 2+ , Na + , Cl — , SO 4 2- , HCO 3 — , HSiO 3 — .
Остальные ионы: СО 3 2- , Н + , ОН — , NH 4 + , NО 2 — , NO 3 — , Fe 2+ , Cu 2+ и др. обычно содержатся в природных водах в незначительных количествах, хотя иногда они существенно влияют на свойства воды и поведение ее в котлах, тракте питательной воды и конденсаторах паровых турбин.
Ионы кальция в маломинерализованных водах по количеству занимают первое место. Основными источниками появления ионов кальция в природных водах являются известняки, состоящие из карбоната кальция СаСО 3 , которые растворяются находящейся в воде свободной углекислотой. Другим источником появления Са 2+ в природных водах является гипс CaSО 4 2H 2 О.
Ионы магния поступают в воду преимущественно при растворении доломитов MgCО 3 СаСО 3 при наличии в воде свободной углекислоты.
С ростом минерализации природных вод относительное содержание ионов Са 2+ уменьшается, так как СаСО 3 и CaSО 4 при увеличении их концентрации из-за испарения воды переходят в твердую фазу вследствие их малой растворимости и непрерывно выводятся из раствора.
Вследствие лучшей растворимости MgCО 3 и MgSО 4 ионы Mg 2+ могут содержаться в природных водах в больших концентрациях, доходящих в минерализованных водах до нескольких граммов в литре, а в соленых озерах до десятков г/л.
Из ионов щелочных металлов в природных водах в наибольшем количестве содержатся ионы натрия, причем с увеличением минерализации воды их концентрация возрастает.
Ионы хлора присутствуют почти во всех природных водах, причем содержание их изменяется в очень широких пределах. Залежи хлористых солей осадочных пород растворяются в воде и выносятся подземными водами и реками в моря и океаны, где постепенно они накапливаются, достигая высокой концентрации. Подобно ионам Na + ионы С1 — являются характерными ионами сильно минерализованных вод морей и океанов.
Сульфат-ионы, так же как и хлорид-ионы, распространены повсеместно. В подземных водах содержание SО 4 2- обычно выше, чем в воде рек и озер. Основным источником появления в воде растворенных сульфат-ионов является гипс CaSО 4 2H 2 О.
Водородные (Н +) и гидроксильные (ОН -) ионы появляются в воде в результате ее диссоциации:
Н 2 О ↔ Н + + ОН — . Водородные ионы могут появиться в растворах также в результате диссоциации кислот, например: НС1 ↔ Н + + С1 — ,
а гидроксильные ионы — в результате диссоциации щелочей, например: NaOH ↔ Na + + OH — . В химически чистой воде при температуре 23°С концентрации [Н + ] и [ОН — ] равны 10 -7 г-ион/л и характеризуют нейтральную реакцию жидкости. В кислой среде [Н + ] > 10 -7 > , а в щелочной [Н + ] 7>рОН.
Угольная кислота является двухосновной и имеет две ступени диссоциации:
Н 2 СО 3 ↔ Н + + НСО 3 — ;
НСО 3 — ↔ Н + + СО 3 2- .
В природных водах, кроме так называемой «свободной» углекислоты, находящейся в них в виде растворенного углекислого газа СО 2 и недиссоциированных молекул угольной кислоты Н 2 СО 3 , содержатся бикарбонатные ионы НСО 3 — , а в некоторых случаях карбонатные ионы CO 3 2- .
Количественные соотношения между СО 2 , Н 2 СО 3 , НСО 3 — и СО 3 2- определяют значение рН воды (табл. 11).
Таблица 11. Соотношение форм угольной кислоты в воде при 25° С и различных значениях рН, %
Форма угольной кислоты
В водных растворах существует кинетическое равновесие между различными формами угольной кислоты:
2НСО 3 — ↔ CO 3 2- + Н 2 О + СО 2 .
Из этого уравнения следует, что для поддержания в растворе определенной концентрации НСО 3 — требуется, чтобы в воде присутствовало соответствующее этой концентрации количество свободной «равновесной углекислоты» СО 2 . Если фактически содержащееся в воде количество свободной углекислоты больше «равновесной концентрации», то избыток ее будет способен вызывать растворение СаСО 3 при контакте воды, например, с известняками, доломитами и бетонными сооружениями. Такую воду называют «агрессивной».
Наоборот, при недостатке СО 2 по сравнению с равновесной концентрацией будет наблюдаться распад части бикарбонатных ионов, т. е. сдвиг равновесия вправо. Это приведет к образованию дополнительного количества карбонатных ионов СО 3 2- , которые будут реагировать с обычно присутствующими в природных водах катионами кальция, выделяя из раствора осадок карбоната кальция по уравнению Са 2+ +СО 3 3- → СаСО 3 .
Соединения азота встречаются в природной воде в виде ионов аммония NH 4 + , нитритных ионов NО 2 + , и нитратных ионов NO 3 + . Основным источником появления этих ионов в природных водах являются продукты распада различных сложных органических веществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами. В незагрязненных поверхностных водах содержание NH+ 4 исчисляется долями мг/л, а в загрязненных водах оно может достигать сотен мг/л. В присутствии достаточного количества кислорода и особого вида бактерий ионы аммония окисляются в нитритные, а затем нитратные ионы.
Таким образом, NO 2 — и NО 3 — являются конечным продуктом сложного процесса минерализации органических веществ.
Соединения железа встречаются в природных водах в виде двухвалентного (закисного) и трехвалентного (окисного) железа. Эти соединения могут быть в истинно растворенном состоянии, в виде коллоидов и суспензий.
В грунтовых водах содержится преимущественно бикарбонат закиси железа Fе(НСО 3) 2 , легко гидролизующийся и окисляющийся при наличии в воде кислорода и уменьшении концентрации растворенной в воде углекислоты.
В поверхностных водах железо содержится главным образом в виде органических комплексных соединений либо в виде гидрата окиси железа Fe(OH) 3 .
Примером органического комплексного соединения железа является гуминовокислое железо в речных водах болотного питания. Частой причиной содержания железа в речных водах является загрязнение их производственными сточными водами. Концентрация железа в исходной воде может увеличиваться в процессе транспортирования ее по стальным и чугунным трубам в результате загрязнения воды продуктами коррозии.
Соединения кремния присутствуют в природных водах в виде соединений различной степени дисперсности (коллоидных частиц, молекул и ионов). Разнообразие форм кремнекислых соединений объясняется тем, что кремниевый ангидрид способен присоединять разные количества молекул воды, образуя различные кислоты с общей формулой mSiO 2 nH 2 О. Соли этих кислот образуют ряд минералов, растворение которых природными водами дает кремнекислые соединения разного химического состава. Растворимость кремниевой кислоты в природных водах зависит от ряда факторов и в первую очередь от ионного состава воды и величины рН. Присутствие в воде катионов Са 2+ и Mg 2+ , способных образовывать с кремниевой кислотой малорастворимые силикаты, понижает возможную концентрацию ее в растворе. Наличие в воде катионов Na + и повышение значения рН, наоборот, повышают растворимость кремниевой кислоты.
В поверхностных водах рек, озер, водохранилищ и прудов, а также в грунтовых водах артезианских скважин кремнесодержание в пересчете на SiO 3 2- обычно находится в пределах 0,6-40 мг/л и лишь в отдельных случаях повышается до 65 мг/л.
Кремниевая кислота является двухосновной и имеет две ступени диссоциации:
H 2 SiO 3 ↔ H + + HSiО 3 — ;
HSiO 3 — ↔ H + + SiО 3 2- .
В табл. 12 приведены соотношения различных форм кремниевой кислоты при 25°С в зависимости от величины рН. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в поверхностных водах, значение рН которых близко к 7, вторая ступень диссоциации H 2 SiО 3 практически не возникает.
Таблица 12. Соотношения форм кремниевой кислоты в воде при 25° С и различных рН, %
Форма кремниевой кислоты
Часть соединений кремния находится в коллоидном состоянии в виде частиц поликремниевой кислоты mSiО 2 nH 2 О. Как показали проведенные исследования, количество коллоидной кремниевой кислоты составляет от 3 до 18% общего содержания ее в воде. Между коллоидной и ионной формами кремниевой кислоты существует равновесие, зависящее от физических и химических условий.
В природных водах присутствуют также А1 3+ , Мn 2+ и другие ионы.
Наиболее распространенными в природных водах газами являются азот, кислород и углекислый газ, из которых последние два являются коррозионно агрессивными. Растворимость газов в воде зависит от температуры воды и парциального давления данного газа над нею.
Источником обогащения природных вод кислородом в естественных условиях является атмосфера, кислород которой абсорбируется соприкасающимися с воздухом поверхностными слоями воды. Содержание кислорода в воде регулируется его парциальным давлением в атмосфере. С другой стороны, кислород в природных водах расходуется на различные окислительные процессы. На рис. 11 показана растворимость кислорода в воде (мг/л) при различных температурах, барометрическом давлении 1,01 бар (760 мм рт. ст.), контакте с воздухом и равновесном состоянии раствора. На графике показаны также парциальные давления воздуха, водяных паров и кислорода.
Рис. 11. Растворимость кислорода в воде при различных температурах и давлении 1,01 бар. (760 мм рт. ст.), контакте с воздухом и равновесном состоянии раствора. Парциальные давления водяных паров, кислорода и воздуха при тех же условиях. 1 — растворимость кислорода в воде; 2 — парциальное давление водяных паров; 3 — то же кислорода; 4 — то же воздуха.
Источником появления углекислого газа в природных водах являются различные биохимические процессы окисления органических веществ как в самих водоемах, так и в почве, при фильтрации через которую вода обогащается углекислотой. В глубинных водах нередко содержится большое количество СО 2 в результате химических реакций, связанных с изменением состава горных пород.
Большая часть углекислоты находится в виде свободного молекулярно растворенного газа и лишь незначительная часть ее, прореагировав с водой, образует угольную кислоту. Углекислота присутствует в том или ином количестве почти во всех природных водах. Только при рН>8,5 содержание свободной углекислоты в воде практически равно нулю.
Источник
