Раздел 4. «Физико-химические и технологические показатели качества воды» Лекция №3.

Показатели, необходимые для характеристики качества воды, определяются характером использования воды различными потребителями. Например, качество воды хозяйственно-питьевого назначения характеризуют с помощью показателей, не применяемых во внимание при использовании воды на ТЭС и АЭС. Здесь рассмотрим основные показатели, используемые при анализе природных вод, применяемых в теплоэнергетике как исходное сырьё.

Минеральные примеси различных природных вод по количественному составу примерно постоянны и отличаются лишь концентрациями, установление которых и входит в задачу анализа природных вод. Важнейшие показатели качества воды, определяющие применимость для паротурбинных установок и метод её обработки – концентрация грубодисперсных примесей (взвешенные вещества), концентрация ионов Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, , , , , , , , рН воды, удельная электропроводимость, технологические показатели (сухой прокаленный остаток, щелочность, жесткость, кремнесодержание, окисляемость), концентрация растворённых газов и .

Содержание грубодисперсных (взвешенных) веществ выражают в (мг/кг) и определяют фильтрованием 1 л пробы воды через бумажный фильтр, который затем высушивают при температуре 105-110 ⁰С до постоянной массы

Прозрачность воды определяют с помощью методов шрифта и креста. Для первого способа применяют градуированный на сантиметры стеклянный цилиндр высотой 30 см, под дно которого подложен определённый шрифт. Столб воды в сантиметрах, через который ещё можно прочесть текст, и определяет прозрачность воды. Прозрачность по кресту определяют по той же методике, используя трубку длиной 350 см, диаметром 3,0 см, на дно которой помещают бумажный круг с крестом, имеющим ширину линий в 1 мм.

Мутность воды пропорциональна содержанию в ней взвешенных частиц, определяют, сравнивая анализируемую пробу с определенным эталоном мутности.

Удельная электропроводность растворов χ, характеризуемая электро-проводностью 1 см³ жидкости с размером граней 1 см и выражаемая в См/см, является важным показателем качества природной и обрабатываемой воды, указывающим на суммарную концентрацию ионгенных примесей. Удельная электропроводность воды, не содержащей примесей, при 25 ⁰С составляет 0,063 мкСм/см и определяется переносом в электрическом поле только ионов H⁺ и . При постоянной температуре и данной степени диссоциации существует прямая зависимость между концентрацией электролита и его удельной электропроводностью. Так удельную электропроводность водных растворов различных солей концентрацией 500 мк/кг в условном пересчете на NaCl можно оценить из соотношения

1 мкСм/см↨≈ 0,5 мг NaCl/кг H₂O.

Сухой остаток (СО) (мг/л) определяют путем выпаривания определенного объёма предварительно профильтрованной пробы и последующего просушивания остатка при температуре 110-120 ⁰С.

Сухой остаток выражает содержание растворенных в воде минеральных и органических примесей, нелетучих при указанной температуре. Содержащиеся в природной воде Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂ при выпаривании разлагаются с выделением H₂O и CO₂ и в сухом остатке появляются CaCO₃ и MgCO₃; это надо иметь в виду, сравнивая сухой остаток с минеральным.

Минеральный остаток (мг/л) (общее солесодержание) подсчитывается путем суммирования концентраций катионов и анионов, определенных при проведении полного химического анализа воды.

Прокаленный остаток (мг/л) характеризует содержание в воде минеральных веществ; его определяют путем прокаливания при 800 ⁰С сухого остатка. При прокаливании сгорают органические вещества и частично разлагаются карбонаты.

Окисляемость воды – это показатель, имеющий условное значение и представляющий собой расход какого-либо сильного окислителя, необходимого для окисления в определённых условиях органических примесей, которые содержатся в 1 л воды. Обычно для этих целей применяют перманганат калия ( ) или бихромат калия ( ), различают соответственно перманганатную и бихроматную окисляемость. Окисляемость воды выражают в кислородных или перманганатных единицах (мгO₂/кг, мг /кг), различающихся в 3,95 раза. Бихроматная окисляемость обычно превышает в 2-2,5 раза перманганатную, а разность между ними позволяет судить об устойчивости органических примесей к действию окислителей. При определении окисляемости обоих видов происходит окисление не только содержащихся в воде органических веществ, но и некоторых неорганических, например закисного железа, сероводорода, нитритов. Поэтому следует еще раз подчеркнуть, что окисляемость характеризует содержание в воде органических веществ лишь приближенно и условно.

Окисляемость чистых грунтовых вод составляет обычно 1-3 мгO₂/л, в то время как в водах поверхностных источников окисляемость повышается до 10-12 мгO₂/л. Реки болотного происхождения и поверхностные источники в период паводка отличаются очень высокой окисляемостью, превышающей, например, 30 мгO₂/л. Сточные воды, содержащие органические вещества и сбрасываемые в водоемы, могут повышать окисляемость воды различных источников.

Для суммарной оценки органических загрязнений воды в последнее время начинают применять метод сорбции из воды органических веществ активированным углем с последующим его высушиванием и экстракцией из него этих веществ хлороформом (метод угольно-хлороформного экстракта). В массовых единицах (мг/кг) оценивают в ряде случаев содержание общего органического углерода в воде.

Жесткость воды – один из важнейших показателей её качества. Общей жесткостью называют суммарную концентрацию ионов кальция и магния, выраженную в единицах микрограмм-эквивалент (мг-экв/л) на 1 л воды.

Ж_о = Ж_к + Ж_н.к..

= +

Общую жесткость воды подразделяют на кальцевую и магниевую. Кальциевая жесткость определяется катионами кальция Ca²⁺ (мг-экв/л). Магнивая жесткость определяется катионами магния Mg²⁺ (мг-экв/л). Часть (в предельном случае при Щ_о > вся жесткость), эквивалентная содержанию бикарбонатов, называется карбонатной жесткостью; разность между общей и карбонатной жесткостями называется некарбонатной жесткостью.

Общая жесткость подразделяется на карбонатную Ж_к и некарбонатную Ж_н.к. Карбонатная жесткость обусловливается наличием в воде бикарбонатов и карбонатов кальция и магния, некарбонатная жесткость – присутствием в воде хлоридов, нитратов, сульфатов кальция и магния (мг-экв/л).

Процесс выделения из воды ионов Ca²⁺и Mg²⁺ получил название умягчение воды. Воды с высокой жесткостью дают плотные отложения на теплопередающих поверхностях.

По значению общей жесткости природных вод установлена следующая класссификация: < 1,5 мг-экв/кг – малая жесткость, = 1-3,0 мг-экв/кг – средняя, = 3,0-6,0 мг-экв/кг – повышенная, = 6,0-12,0 мг-экв/кг – высокая, > 12 мг-экв/кг – очень высокая жесткость.

Общая щелочность воды Щ_о – суммарная концентрация в воде растворимых гидрооксидов и анионов слабых кислот за вычетом концентрации ионов водорода.

= + - , мг/экв/л,

= + + + + + +

+ .

Общую щелочность Щ_о выражают в миллиграмм − эквивалентах на 1 л. Её определяют титрованием пробы воды кислотой в присутствии индикаторов: фенолфталеина и метилоранжа. Для вод, в которых может содержаться гидратная форм щелочности ( ), карбонатная ( ) или бикарбонатная ( ), вычисление отдельных форм (слагаемых) общей щелочности определяют по таблице в зависимости от результатов титрования пробы с фенолфталеином – и метилоранжем – .

Вычисление форм щелочности природной воды

Соотношение Щфф	Гидраты Щг	Карбонаты Щк	Бикарбонаты Щб
Щфф = Щмо	Щфф; Щмо	Нет	Нет
Щфф > 0,5 Щмо	2Щфф-Щмо	2(Щмо-Щфф)	Нет
Щфф = 0,5 Щмо	Нет	Щмо; 2Щфф	Нет
Щфф < 0,5 Щмо	Нет	2Щфф	Щмо-2Щфф
Щфф = 0; Щмо>0	Нет	Нет	Щмо

Природные воды в своем большинстве характеризуются бикарбонатной формой щелочности, которая численно близка к величине общей щелочности (Щ_о~Щ_б).

В природных исходных водах соотношение между щелочностью и общей жесткостью могут быть различными, соответственно вычисляются значения карбонатной жесткости таблица:

Щелочность исходной воды	Карбонатная жесткость исходной воды
Щи.в < о	Жк = Щи.в
Щи.в =	Жк =
Щи.в >	Щи.в − Жк = ; Щи.в − = [NaHCO3]

Ионный состав воды. Вода всегда электрически нейтральна, поэтому сумма концентраций содержащихся в ней катионов равна сумме концентраций анионов при условии, что они выражены в мг-экв/л: с_к=с_а.

Этой закономерностью, называемой уравнением электронейтральности раствора, пользуются при проверке правильности выполнения анализа воды. В водах энергетических объектов могут присутствовать ионы, приведенные в таблице

Ионный состав воды

Катионы	Анионы
Водород	Гидроксильный
Натрий	Бикарбонатный
Калий	Карбонатный
Аммоний	Нитритный
Кальций	Нитратный
Магний	Хлоридный
Железо двухвалентное	Фторидный
Железо трехвалентное	Сульфатный
Алюминий	Силикатный
Медь	Ортофосфатный
	Гидросульфатный

В природных водах обычно содержится катионы , , , и анионы , , , , реже , и , , .

Ионы натрия и калия с анионами природных вод не образуют труднорастворимых простых солей, практически не подвергаются гидролизу, поэтому их относят к группе устойчивых примесей. Концентрация ионов натрия и калия изменяется только в результате испарения или разбавления природной воды, при анализе воды ее часто выражают суммарно.

Ионы кальция и магния относятся к числу важнейших примесей воды и во многом определяют возможность ее использования для различных народнохозяйственных целей, так как эти ионы образуют труднорастворимые соединения с некоторыми находящимися в воде анионами. При использовании природной воды и связанном с этим изменении 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.

Ионы железа характеризуются поливалентностью и могут находиться в различных формах: Fe²⁺ и Fe³⁺. Во всех природных водах с высоким рН ионы Fe³⁺ практически не могут содержаться и все соединения Fe³⁺ находятся коллоидной или грубодисперсной форме. В подземных водах железо обычно находится в ионной форме в виде двухвалентного железа, стехиметрически отвечающего формуле соединения , которое при условии удаления растворенной углекислоты (выдерживание в открытом сосуде) легко гидролизуется, а при наличии в воде растворенного кислорода окисляется с образованием краснокоричневой твердой фазы гидроксида железа Fe(OH)₃:

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 загрязнения продуктами коррозии.