Ход работы:

1. Изучить и освоить вышеизложенный материал.

2. Представить в виде 1-го пункта отчета сведения о вкладе какого-либо ученого в познание о строении и форме Земли (обязательно в масштабе планеты) не упомянутого в вышеизложенном материале.

3. Представить в виде 2-го пункта отчета сведения о методах и способах измерения упомянутых в вышеизложенном материале цифр (например радиус Земли составляет 6370 км, был найден способом градусного измерения, который заключается в …….).

4. Представить в виде 3-го пункта отчета сведения о Земле с обязательным присутствием в материале последних 2-х цифр номера зачетной книжки (без повтора вышеизложенного материала).

Практическая работа 3 Оценка качества питьевой воды и воды для технических целей

Цель работы: ознакомление со свойствами и критериями качества подземных вод, отвечающим санитарно-гигиеническим требованиям и условиям водоснабжения, а также приобретение навыков работы с нормативной литературой.

Краткие теоретические сведения

При гидрогеологических исследованиях определяются следующие свойства подземных вод: температура, прозрачность, цвет, запах и вкус, а также плотность, вязкость, электропроводность и радиоактивность.

Температура подземных вод изменяется в широких пределах и зависит от геологического строения и физико-географических условий. В области распространения вечномерзлых пород соленые воды иногда имеют отрицательную температуру до -5°С и ниже. Температура неглубоких подземных вод в средних широтах изменяется от 5 до 15°С. В области современной вулканической деятельности температура воды превышает 100°С. Температура оказывает значительное влияние на ход физико-химических процессов в земной коре и на химический состав подземных вод. Обычно с повышением температуры увеличивается степень растворения солей. Температура оказывает определенное влияние на растворение газов. При увеличении температуры растворимость газов в воде уменьшается.

По температуре, °С, подземные воды классифицируются следующим образом:

переохлажденные — ниже 0;

холодные — 0-20;

теплые (субтермальные) — 20-37;

горячие (термальные) — 37-50;

весьма горячие — 50-100;

очень горячие (перегретые) — более 100.

Прозрачность подземных вод определяется количеством растворенных в них минеральных и органических веществ, коллоидов, а также содержанием механических примесей. По степени прозрачности подземные воды подразделяются на: прозрачные; слегка мутные; мутные; очень мутные. Чаще подземные воды бывают прозрачными.

Цвет подземных вод зависит от их химического состава и наличия примесей. Обычно подземные воды бесцветны. Жесткие воды имеют голубоватый оттенок; закисные соли железа и сероводород окрашивают воду в зеленоватый цвет, органические соединения придают воде желтоватый цвет; взвешенные минеральные частицы — сероватый.

Запах подземных вод обычно отсутствует, но иногда примеси придают какой-нибудь запах. Так, сероводород придает воде запах тухлых яиц; неглубоко залегающие подземные воды, связанные с болотными водами, имеют «болотный запах».

Питьевая вода не должна иметь запаха. Для определения этого свойства воду рекомендуется предварительно подогреть до 40-50°С. Подогретую воду следует слить в бутылку до половины, закрыть горлышко бутылки пробкой, сильно встряхнуть 3-5 раз, а затем быстро произвести определение запаха. Интенсивность запаха воды можно определить по следующей шкале интенсивности запахов (табл. 3.1).

В природе не существует воды, которая бы не содержала растворенных солей, газов и органических соединений. В природных условиях в воде обнаружено в растворенном виде более 80 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева [4].

Определение химического состава подземных вод имеет большое значение, так как свойства подземных вод определяются количеством и соотношением солей, присутствующих в виде катионов и анионов.

Таблица 3.1

Шкала интенсивности запаха воды

Балл	Интенсивность запаха	Описательные определения
0	Никакого	Отсутствие ощутимого запаха
1	Очень слабый	Запах, не поддающийся обнаружению потребителем, но обнаруживаемый в лаборатории
2	Слабый	Запах, не привлекающий внимания потребителя, но его можно ощутить
3	Заметный	Запах, легко обнаруживающийся и мо­гущий дать повод относиться к воде с неодобрением
4	Отчетливый	Запах, обращающий на себя внимание и делающий воду неприятной для питья
5	Очень сильный	Запах настолько сильный, что делает воду непригодной для питья

Среди катионов наибольшее распространение имеют: К⁺, Na⁺, Mg²⁺, Са²⁺, Fe²⁺.

Среди анионов: НСО₃^-, S0₄^2-, Cl^-.

В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы: C0₂,CH₄, O₂, N₂, H₂S, Не.

Природные воды содержат и различные радиоактивные элементы, но практическое применение приобрели воды, содержащие радон, радий, уран. Радиоактивные подземные воды широко используются в бальнеологии.

Концентрация водородных ионов выражается величиной рН. Определение величины рН необходимо при оценке агрессивности подземных вод и их коррозионной активности.

Для нейтральных вод рН = 7, при рН > 7 вода имеет щелочную реакцию, а при рН < 7 - кислую.

По величине рН воды делятся на: весьма кислые (рН < 5); кислые (рН = 5-7); нейтральные (рН = 7); щелочные (рН > 7-9); высокощелочные (рН > 9).

Подземные воды в большинстве своем имеют слабощелочную реакцию. Воды сульфидных, каменноугольных месторождений обычно являются кислыми и весьма кислыми.

Определение концентрации водородных ионов выполняется колориметрическим способом, основанным на свойстве индикаторов менять свою окраску в зависимости от концентрации водородных ионов.

Присутствие ионов кальция и магния (Са²⁺, Mg²⁺) обусловливает жесткость воды. Жесткая вода плохо мылится, дает накипь в паровых котлах. В жесткой воде плохо разваривается пища. Жесткой, как правило, бывает морская вода из-за содержания в ней сернокислых и хлоридных солей магния.

Различают следующие виды жесткости: 1) общая жесткость; 2) карбонатная или временная и 3) постоянная.

Общая жесткость определяется суммарным содержанием в воде всех солей кальция и магния — Са(НСО₃)₂, Mg(НСО₃)₂, CaSО₄, MgSО₄, СаСl₂, MgCl₂.

Карбонатная или временная жесткость обусловлена бикарбонатами солей кальция и магния — Ca(HCO,)r Mg(HC03)r При кипячении гидрокарбоиат — ион НСО₃^-, разрушается и реакция идет по следующей схеме:

2 НСО₃^-–› СО₃^2- + C0₂+ Н₂О

Са²⁺ + СО₃^2-–›СаСО₃

Постоянная жесткость определяется всеми солями кальция и магния за исключением бикарбонатов.

Жесткость воды в России выражают в миллиграмм-эквивалентах на 1 литр, мг-экв/л: 1 мг-экв/л соответствует содержанию 20,04 мг Са²⁺ или 12,16 мг Mg²⁺ на литр воды.

По жесткости подземные воды подразделяются на 5 категорий (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Категория жесткости	Концентрация, мг-экв/л
Очень мягкая	<5
Мягкая	1,5-3
Умеренно жесткая	3-6
Жесткая	6-9
Очень жесткая	>9

Для питьевых целей рекомендуются подземные воды с обшей жесткостью до 7 мг-экв/л. Жесткие воды не пригодны для многих отраслей промышленности: бумажной, сахарной, кожевенной, питания паровых котлов.

Ион железа Fe²⁺ в подземных водах обычно находится в коллоидной форме. При выпадении соединения в осадок происходит помутнение воды, которая приобретает желтоватую окраску. Наличие в воде железистых соединений придает ей неприятный вкус. В подземных водах содержание железа достигает иногда 100 мг/л. В питьевых водах допускается суммарное содержание железа до 0,3 мг/л.

Сульфат — ион S0₄^2- имеет различное происхождение. Накопление его в подземных водах происходит за счет выщелачивания солей кальция (гипса) и окисления пирита. Концентрация его в питьевых водах не может быть более 500 мг/л.

Гидрокарбонат — ион НСО₃^- и карбонат - ион СО₃^2- распространены преимущественно в пресных и слабосолоноватых водах. Обычно содержание их в воде невелико.

Натрий — ион Na⁺ широко распространен в подземных водах. Источниками поступления натрия в подземные воды являются процессы выветривания магматических пород, растворение отложений каменной соли.

Калий — ион К⁺ в подземных водах фиксируется значительно реже, чем натрий-ион. В подземные воды калий проникает при процессах выветривания магматических пород, в минералах которых содержится калий, а также при растворении залежей калийных солей.

Суммарное содержание растворенных в воде минеральных веществ называют общей минерализацией. По содержанию сухого остатка, г/л, который получается после выпаривания определенного объема воды при температуре 105-110°С, подземные воды классифицируются согласно табл. 3.3.

В питьевых водах содержание сухого остатка не должно превышать 1 г/л.

Таблица 3.3 Классификация подземных вод по степени общей минерализации
Категория подземных вод	Содержание сухого остатка, г/л
Сверхпресные	До 0,2
Пресные	0,2-1,0
Слабосолоноватые	1,0-3,0
Сильносолоноватые	3,0-10,0
Соленые	10,0-35,0
Рассольные	Более 35,0

Оценка качества питьевой воды. При оценке подземных вод для водоснабжения пользуются [5]. В этой связи питьевая вода должна быть бесцветной, прозрачной, иметь температуру от 4 до 15°С, не иметь неприятного вкуса и запаха, несодержать болезнетворных бактерий и солей тяжелых металлов. Сухой остаток в воде не должен превышать 1 г/л. Общая жесткость должна быть менее 7 мг-экв/л. Совершенно не допускается в питьевой воде присутствие аммиака и азотистой кислоты, указывающих на фекальную загрязненность. Питьевая вода может содержать не более 0,1 мг/л свинца, 0,05 мг/л мышьяка, 1,5 мг/л фтора, 3 мг/л меди, 5 мг/л цинка, 1 мг/л железа, 0,6 мг/л урана, 0,005 мг/л ртути. В воде не должны присутствовать болезнетворные бактерии брюшного тифа, холеры, дизентерии и другая недопустимая патогенная флора. Бактериальное загрязнение оценивается по «коли-титру», который должен быть не менее 300 мл и «коли-индексу», который должен быть не более 3.

Оценка качества технической воды. Вода, предназначенная для промышленных целей, должна быть прозрачной, бесцветной без запаха и мягкой. Вода для питания котлов должна иметь сухой остаток не более 0,3 г/л, содержать хлора менее 200 мг/л, жесткость должна быть не более 3 мг-экв/л.

Агрессивность подземных вод по отношению к бетону [6]. Бетонные сооружения, находясь в соприкосновении с подземными или поверхностными водами, часто разрушаются некоторыми химическими соединениями, содержащимися в воде. Это разрушающее действие естественных вод называется агрессивной способностью вод. В целях увеличения срока службы сооружений необходимо определить степень агрессивности воды.

Установлено, что при одном и том же химическом составе воды она может оказаться в песчаных породах агрессивной, а в суглинках — неагрессивной. Это обусловлено различием скорости движения воды в различных породах: чем она выше, тем большая масса воды успевает воздействовать на поверхность бетона. По отношению к бетону существуют следующие виды агрессивных вод: сульфатная, магнезиальная, карбонатная, кислородная и общекислотная.

Сульфатная агрессивность. При повышенном содержании сульфатов S0₄^2- происходит кристаллизация в бетоне гипса CaS0₄·2H₂0 с увеличением объема в 2 раза и образование сульфоалюмината кальция — «цементной бациллы», с увеличением объема в 2,5 раза. Все это приводит к разрушению бетона. Для песчаных пород агрессивной считается вода с содержанием иона S0₄^2- свыше 1500 мг/л — при сульфатостойких цементах, а при обычных цементах вода считается агрессивной при концентрации S0₄^2-свыше 250 мг/л.

Магнезиальная агрессивность ведет к разрушению бетона при проникновении в тело бетона воды с повышенным содержанием Mg^2-. При содержании иона более 2000 мг/л вода агрессивна по отношению к бетонным сооружениям в песчаных породах, а при содержании иона Mg^2- свыше 5000 мг/л вода становится агрессивной в суглинках.

Карбонатная (углекислая) агрессивность проявляется преимущественно в песчаных породах. Карбонатная агрессия возникает в результате действия агрессивной углекислоты СО₂. В процессе взаимодействия с водой из цемента выделяется свободная известь СаСО₃, которая реагирует со свободной углекислотой СО₂.

Реакция идет по схеме:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са (НСО₃)₂

Образующийся бикарбонат кальция является растворимым и легко выносится из бетона. Максимальным содержанием агрессивной СО₂, является 3 мг/л, при менее опасных породах — 8,3 мг/л.

Кислородная агрессивность вызывается содержащимся в воде ислородом и проявляется преимущественно по отношению к металлическим конструкциям. Процесс окисления железа идет по следующей схеме:

2Fe + О₂ = 2FеО(закись Fe); 4FeO + О₂ = 2Fe₂О₃(окись Fe);

Fe₂О₃+ 3H₂О = 2Fe(OH)₃ (гидроокись Fe)

При совместном присутствии кислорода с углекислотой агрессивное действие кислорода повышается.

Общекислотная агрессивность оценивается величиной рН, в песках вода считается агрессивной, если рН < 7, а в глинах, если рН < 5.