Анализ хим. состава воды

1 Анализ химического состава воды

Анализ воды позволяет судить не только о качестве вод, но и о необходимой системе водоподготовки.

Качество воды в природном источнике определяется по данным анализа, при этом проба должна отражать действительный средний состав воды. Для полного анализа берут 3-4 л воды, для сокращенного анализа - 1 л.

Помимо общих сведений о роде источника, месте и времени отбора пробы приводятся данные о физических и химических свойствах воды. Однако этих данных недостаточно для выбора рациональной системы очистки воды, поскольку она не характеризуют ее технологических свойств. Так, величина цветности не позволяет составить представление о потребной для этого дозе коагулянта. Поэтому, чтобы подобрать и запроектировать сооружение для осветления воды необходимо знать кинетику осаждения взвеси. Знание способности отобранной в пробе воды к фильтрованию позволяет более обоснованно подойти к выбору типа фильтра.

Таким образом, для выяснения технологических свойств воды конкретного источника водоснабжения выполняют пробное коагулирование и пробное обесцвечивание. Наличие этих данных позволяет более правильно обосновать выбор метода очистки воды и назначение расчетных параметров.

1. Исходная вода

Качество природной воды характеризуется ее физическими и химическими свойствами и бактериологическими загрязнениями. К физическим показателям относятся: температура, мутность, цветность, запах, вкус. Химические свойства воды зависят от содержания и концентрации в ней растворенных химических веществ.

Химический состав исходной воды представлен в таблице 1. Для анализа показателей качества воды, классификации ее состава, определения отдельных расчетных характеристик, необходимо концентрацию, входящих в нее химических элементов, выразить в мг-экв/дм³.

Таблица 1 – Химический состав исходной воды

Показатели	Содержание в мг/ дм^3	Эквивалентный вес	Содержание в мг-экв/ дм^3
Катионы
Ca^2+	49,0	20,04	2,4
Mg^2^+	12,6	12,16	1,1
Na^+	73,3	23,0	3,2
К^+	2,1	39,1	0,05
Анионы
HCO3^-	292,0	61,02	4,7
SO4^2-	65,4	48,03	1,4
Cl^-	21,1	35,46	0,5

Помимо представленных химических показателей исходная вода характеризуется следующими дополнительными показателями:

1. Плотный (сухой) остаток – 370,0 мг/ дм³

2. Активная реакция pH – 7,8

3. Мутность – 110 мг/ дм³

4. Цветность – 130º

1.2 Классификация исходной воды

В соответствии со СНиП 2.04.02 -84* воды источников водоснабжения подразделяются:

а) в зависимости от расчетной максимальной мутности (ориентировочно количество взвешенных веществ) на:

маломутные — до 50 мг/ дм³;

средней мутности — свыше 50 до 250 мг/ дм³;

мутные — выше 250 до 1500 мг/ дм³;

высокомутные — свыше 1500 мг/ дм³;

б) в зависимости от расчетного максимального содержания гумусовых веществ, обусловливающих цветность воды, на:

малоцветные — до 35°;

средней цветности — свыше 35 до 120°;

высокой цветности — свыше 120°.

В соответствии с исходными показателями мутности и цветности исходная вода характеризуется как средней мутности, высокой цветности.

Химический состав исходной воды характеризуется по классификации, предложенной О.А. Алекиным. Согласно, этой классификации природные воды подразделяются по:

1. Преобладающему аниону на три класса:

- карбонатные;

- сульфатные;

- хлоридные.

2. Каждый класс подразделяется на три группы по преобладающему катиону:

- кальциевую;

- магниевую;

- натриевую.

3. Каждая группа подразделяется на четыре типа по соотношению между ионами::

первая - HCO₃^- > Ca²⁺+ Mg²⁺;

вторая - HCO₃^- < Ca²⁺+ Mg²⁺ < HCO₃ + SO₄^2-;

третья - HCO₃ + SO₄^2- < Ca²⁺+ Mg²⁺ или Cl^- < Na⁺;

четвертая - HCO₃ = 0.

Согласно этой классификации исходная вода относится по преобладающему аниону к карбонатному классу, по преобладающему катиону к натриевой группе, и по соотношению между ионами – к первой группе.

По общей минерализации, определяемой по сухому остатку равному 370,0 мг/ дм³, исходная вода характеризуется как средней минерализации (диапазон для этого типа вод 200 - 500 мг/ дм³).

1.3 Определение жесткости

Жесткость воды определяется содержанием в ней растворенных солей кальция и магния. Жесткость воды выражают в мг-экв/ дм³. Различают карбонатную, некарбонатную и общую жесткость.

Карбонатная жесткость обусловлена содержанием в воде карбонатных и бикарбонатных солей кальция и магния. Она определяется концентрацией ионов кальция [Ca²⁺]+ и магния [Mg²⁺] эквивалентной иону гидрокарбоната [HCO₃^-].

При длительном кипячении воды, обладающей карбонатной жесткостью, в ней появляется осадок, состоящий главным образом из CaCO3, и одновременно выделяется углекислый газ СО².. Оба эти вещества появляются вследствие разложения гидрокарбоната кальция. Именно поэтому карбонатную жесткость называют временной жесткостью.

Некарбонатная (постоянная) жесткость обусловлена кальциевыми и магниевыми солями сильных кислот (серной, соляной, кремниевой и азотной). Некарбонатная жесткость определяется суммой катионов [Ca²⁺]+ [Mg²⁺], нескомпенсированных ионами гидрокарбоната [HCO₃^-]. Эта жесткость остается после кипячения.

Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости сотавляет общую жесткость воды.

По исходному составу воды определяем характеристики жесткости.

1. Карбонатная Ж_кар = [Ca²⁺]+ [Mg²⁺] = 2,4+1,1 = 3,5 мг-экв/дм³

2. Некарбонатная Ж_нек – ее нет, поскольку [HCO₃^-] > [Ca²⁺]+ [Mg²⁺].

3.Общая жесткость - Ж_общ = Ж_кар = 3,5 мг-экв/дм³.

Присутствие в воде значительного количества солей кальция и магния делает воду непригодной для многих технических целей. Жесткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических операций, например при крашении водорастворимыми красками.

В действующих нормах САнПиН 2.1.4.1074 -0, общая жесткость воды, используемой для питьевых и хозяйственно-бытовых нужд, нормируется. Допустимое максимальное содержание солей жесткости в воде по суммарному содержанию в ней ионов кальция и магния составляет должно составлять до 7(10) ммоль/л. Величина, указанная в скобках, может быть установлена по постановлению государственного санитарного врача для конкретной системы водоснабжения.

1. 4 Проверка точности выполнения анализа

Вода электронейтральна, поэтому сумма концентраций катионов и анионов, выраженные в мг-экв/ дм³, равны. Учитывая преобладание в природных водах катионов Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺ и анионов HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^- можно записать:

[Ca²⁺] + [Mg²⁺] + [Na⁺] + [К⁺] = [HCO₃^- ]+ [SO₄^2- ] + [Cl^- ], [мг-экв/дм³]

По этому уравнению проверяется правильность выполнения химического анализа воды. При правильном определении концентрации химических элементов, погрешность не должна превышать 5%.

Выполним проверку для исходного состава воды:

2,4+1,1+3,2+0,05 = 4,7+1,4+0,5; 6,75 мг-экв/дм³ и 6,6 мг-экв/дм³.

Погрешность результата составляет 2% и можно сказать, что он выполнен удовлетворительно.

*Причиной расхождения может быть как ошибка в подсчете, так и недостаточным количеством определяемых показателей химических элементов.

Для проверки качества выполненного анализа сравнивают величину плотного остатка с суммарной массой всех ионов. При этом количество бикарбонатов следует принять равным половине концентрации, найденной анализом, так как при определении плотного остатка бикарбонаты переходят в карбонаты.

[Ca²⁺] + [Mg²⁺] + [Na⁺] + [К⁺] +0,5[HCO₃^- ]+ [SO₄^2- ] + [Cl^- ]=Р, [мг /дм³]

Тогда: 49+12,6+73,3+2,1+0,5·292+65,4+21,1 = 369,5 мг/ дм³. Величина сухого остатка 370,0 мг/ дм³. Разница составляет 1 %.

Вывод. Результаты химического анализа выполнены удовлетворительно.

1.5 Определение общего солесодержания

Данные анализов ионного состава воды удобно изображать графически. Для этого в выбранном масштабе на двух параллельных соприкасающихся полосках в определенном порядке откладывают концентрации катионов и анионов в мг-экв/ дм³ . Графическое изображение результата позволяет представить гипотетический состав солей в воде. Анионы на диаграмме располагаются в порядке увеличения их кислотных свойств. Расположение катионов обусловлено тем порядком в котором они будут образовывать малорастворимые соединения при постепенном увеличении рН , то есть увеличения щелочности среды.

Зная масштаб можно определить концентрацию всех солей, которые присутствуют в составе воды. На рисунке 1 представлена диаграмма, построенная для заданного состава воды.

1.6 Определение содержания свободной углекислоты

Находящиеся в воде ионы CO₃^2- HCO₃^- и углекислый газ CO_2, связаны углекислотным равновесием. Часть свободной углекислоты, находящаяся в равновесии с бикарбонатами, называется равновесной и не вступает в химические реакции. Избыточная свободная (или агрессивная) углекислота в отличие от равновесной весьма активна. Наличие ее в воде вызывает коррозию бетонных сооружений и металлических труб.

Содержание свободной углекислоты определяем согласно рекомендаций [3] по формуле:

[СО₂]_фак = [СО₂]_таб·τ·β,

[СО₂]_таб – содержание свободной углекислоты определенное по таблице 69 [3]

для заданного значения рН и общей щелочности Щ, равной карбонатной жесткости;

τ – поправка на температуру, вводится в формулу если температура исходной воды не равна 10ºС;

β - поправка на фактическое солесодержание.

По показателям исходной воды: рН=8.5 и Щ = 0,98 мг-экв/дм³ по таблице 69 [3] определяем [СО₂]_таб = 1,0 мг/ дм³. По таблицам 70, 71 [3] определяем поправки τ = 0,99; β = 0,95. Тогда фактическое содержание свободной углекислоты будет равно [СО₂]_фак = 1·0,99·0,95 = 0,9 мг/дм³.