Глава 8

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОДЫ И СТОЧНЫХ ВОД

§ 44. Состав природной воды и требования, предъявляемые к технической воде

Природная вода никогда не встречается совершенно чистой, а все­гда содержит примеси, которые находятся в ней в растворенном или во взвешенном состоянии. Иногда содержание примесей достигает та­ких значений, что вода становится непригодной для промышленных целей. Следовательно, свойства природной воды зависят от содержа­ния в ней перечисленных ниже составных частей.

Сухой остаток*. Общее содержание растворенных в воде ми­неральных и органических веществ, не летучих при 100—120 °С, харак­теризуется сухим остатком. Сухой остаток выражается в мг/л и состав­ляет для большинства речных вод 100—600 мг/л.

Жесткость воды. Очень часто в природной воде присутствуют ионы кальция и магния, от которых вода становится жесткой. Жесткая вода с мылом дает нерастворимые в воде магниевые и кальциевые соли, в ней плохо развариваются продукты, а при кипении отлагаются на внутренних стенках сосуда соли, образуя так называемую накипь.

Термин «сухой остаток» иногда применяют вместо термина «плотный остаток». Это неверно, так как плотный остаток — это остаток после выпаривания пробы не­фильтрованной воды, высушенный при 120°С до постоянной массы и выраженный в мг/л.

Накипь состоит из плотно приставших к металлу слоистых отложений от светло-серого до коричневого цвета толщиной до нескольких милли­метров. Плохо проводя теплоту, накипь ухудшает условия теплопере­дачи в промышленных аппаратах и снижает экономичность их работы. Найдено, что слой накипи в 1 мм толщиной создает такое же сопротив­ление передаче теплоты, как металлическая стенка толщиной около 20 мм.

Суммарная концентрация ионов кальция и магния в воде называ­ется общей жесткостью воды. Жесткость, обусловленная только ионами кальция, называется кальциевой, а только ионами магния — магниевой жесткостью. Кроме того, различают карбонатную и некарбонатную жесткость. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости воды тоже составляет общую жесткость воды.

Карбонатная жесткость обусловливается бикарбонатами и карбо­натами кальция и магния. При кипячении воды карбонатная жесткость понижается, так как бикарбонаты кальция и магния разлагаются по реакциям:

Са(НСO₃)₂ → СаСО₃ + СО₂ + Н₂О

Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃ + СО₂ + Н₂О

MgCO₃ + H₂O →Mg(OH)₂+CO₂

Значение жесткости, на которое снижается жесткость воды при кипячении, называется устранимой или временной жесткостью.

Некарбонатная жесткость обусловливается в основном следующими солями: CaCI₂, CaSO₄, CaSiO₃, Ca(NO₃)₂, MgCl₂, MgSO₄, MgSiO₃, Mg(NO₃)₂. Все эти соли, а также часть солей, вызывающих карбонат­ную жесткость, которые не разлагаются при кипячении, составляют так называемую постоянную жесткость.

Жесткость измеряется в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л); 1 мг-экв/л отвечает содержанию в воде 20,04 мг/л ионов кальция или 12,16 мг/л ионов магния.

Пример. Вода содержит 150,3 мг/л ионов кальция и 30,4 мг/л магния. Подсчи­тать общую жесткость воды.

Ж_общ = мг-экв/л

X л о р и д ы — натриевые, калиевые, кальциевые и магниевые соли хлороводорода. Они характеризуют соленость воды; их содержание выражается в миллиграммах хлор-иона в I л воды*. Обладая хорошей растворимостью в воде, хлориды присутствуют во всех водах. Больше всего они содержатся в морской воде (до 3%) и придают ей горько-соленый вкус. Соленость способствует процессам коррозии.

Бромиды и иодиды — натриевые и калиевые соли бромоводорода и иодоводорода — характерны для вод нефтяных месторождений.

Сульфаты — натриевые, кальциевые и магниевые соли серной кислоты. При содержании в воде 100 мг/л и выше сульфаты повышают коррозионную активность воды.

Си л и к аты —натриевые и кальциевые соли кремниевой кисло­ты—попадают в воду при растворении различных силикатных пород.

Соленость воды еще выражается в градусах Брандта (°В); (1 °Б соответствует содержанию 10 мг NaCl или 6,06 мг С1~ в 1 л воды.

Обладая малой растворимостью, они в незначительных количествах содержатся в воде и образуют плотную накипь.

Бораты — натриевые и аммониевые соли тетраборной кислоты — присутствуют в некоторых водах нефтяных месторождений.

Фосфаты — кислые и средние соли ортофосфорной кислоты -присутствуют обычно в воде в незначительном количестве.

Железо в воде может находиться в коллоидном состоянии и входить в состав химических соединений. В подземных водах железо содержится преимущественно в виде бикарбоната. В поверхностном слое воды это соединение под воздействием воздуха может окисляться по реакции:

4Fe(HCO₃)₂+O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃ + 8CO₂

От образующегося гидроксида железа(III) вода приобретает жел­тый цвет и мутнеет. Крайне нежелательно содержание железа в воде, которая поступает на производства, так как железо может отлагаться в трубах, уменьшая их живое сечение.

Азотсодержащие вещества — аммиак, азотная и азотистая .кислоты. Конечным продуктом разложения белковых веществ, попа­дающих в воду, является аммиак. Он способен под влиянием кислорода воздуха и микрорганизмов окисляться в азотистую кислоту, которая при дальнейшем окислении превращается в азотную:

2NH₃ + 3О₂ →2HNO₂ + 2H₂O

2HNO₂ + O₂ →2HNO₃

Растворенные газы — диоксид углерода, кислород и азот — содержатся во всякой воде. Зимой их больше, чем летом и осенью, так как растворимость газов зависит от температуры.

Диоксид углерода в природных водах имеется в свободном и связанном состоянии: в бикарбонатах кальция и магния, в карбона­тах натрия и магния. Диоксид углерода регулирует равновесие в рас­творе карбонатов и бикарбонатов:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О ↔ Са(НСО₃)₂

MgCO₃ + СО₂ + Н₂О ↔ Mg(HCO₃)₂

Из уравнений реакций видно, что карбонаты в присутствии сво­бодного диоксида углерода превращаются в бикарбонаты.

Кислород является активным газом. Находясь в воде, он спо­собен окислять металлическую аппаратуру с образованием ржавчины. Поэтому содержание кислорода в воде крайне нежелательно.

Азот не оказывает влияния на качество технической воды.

Органические вещества чаще всего встречаются в виде гуминовых веществ и находятся в воде в коллоидном или взвешенном состоянии. Они образуют с ионами кальция и магния нерастворимые в воде соли, вследствие чего отсутствуют в жестких водах.

Нерастворимые частицы могут быть минерального или органического происхождения и представляют собой грубодисперсные или близкие к коллоидным примеси песка, глины, остатки животных, растений и др. Из них более мелкие частицы могут плавать, делая воду мутной, илистой. Некоторые реки южных областей (Терек, Кура, Аму-Дарья и др.) содержат 1000 мг и больше взвешенных частиц на 1 л воды.

В нефтеперерабатывающем и нефтехимическом производстве вода употребляется для технических целей, для питания паровых котлов, для хозяйственно-бытовых нужд и как химический реагент. Поэтому требования, предъявляемые к составу воды, зависят от ее назначения. Используемая для охлаждающих систем вода должна быть прозрач­ной, некислой (рН>6,9), не иметь запаха и гуминовых кислот. Она не должна содержать сероводорода, свободного диоксида углерода, за­гнивающих веществ и углеводородов. Вода, применяемая для питания паровых котлов, должна содержать как можно меньше накипеобразо-вателей: бикарбонатов, карбонатов, хлоридов, силикатов, нитратов и сульфатов кальция и магния, взвешенных частиц, а также растворен­ных диоксида углеводорода и кислорода. Вода, предназначенная для хозяйственно-бытовых нужд, должна удовлетворять санитарным требованиям, т. е. не содержать примесей, вредных для здоровья человека.