3. Пример обработки результатов химического анализа подземных вод

Основной формой выражения результатов химического анализа воды является весовая ионная форма, которая является исходной для получения других форм выражения химических анализов воды. В этой форме в виде соответствующих таблиц результаты анализов проб воды поступают в производственные организации (см. табл. 3.4).

Таблица 3.4

Результаты химического анализа подземных вод

Катионы, мг/л			Анионы, мг/л				Растворенные газы, мг/л
		+
42,9	13,2	47,6	195,2	74,1	15,9	13,2

Для полного выявления свойств воды и точного представления о соотношении ионов результаты анализов переводят из весовой в эквивалентную форму – в миллиграмм-эквиваленты ионов в 1 л.

Для перевода мг/л в мг/экв в 1 л воды необходимо количество каждого иона разделить на его эквивалентный вес (частное от деления ионного веса на валентность).

Например, по данным анализа, содержание составляет 42,9 мг/л. Атомный вес – 40,08, валентность – 2, то эквивалентный вес этого иона буде равен 40,08 : 2 = 20,04. Значит, в эквивалентной форме выражение анализа содержание кальция будет составлять 42,9 мг/л : 20,04 = 2,14 мг-экв/л.

Вместо деления на эквивалентный вес часто производят умножение количества миллиграммов иона в 1л на величину, обратную эквивалентному весу. Эта величина называется пересчетным коэффициентом. Так, пересчетный коэффициент для будет составлять 1:20,04 = 0,0499. Пересчетные коэффициенты наиболее часто встречающихся ионов приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5

Пересчетные коэффициенты основных катионов и анионов

Пересчетный коэффициент	Катионы				Анионы
	0,0499	0,0822	0,0438	0,0256	0,0164	0,0208	0,0282	0,0333

Для выражения результатов химического анализа в процент-эквивалентной форме сумму катионов и сумму анионов в миллиграмм-эквивалентной форме принимают за 100 % каждую. Далее с помощью пропорции определяют процентное содержание каждого катиона и аниона.

Так как вода является природным химическим раствором, находящимся в подвижном равновесии, то ионы противоположного знака взаимодействуют друг с другом, как уже говорилось, в эквивалентных количествах.

Поэтому сумма катионов в эквивалентной форме должна равняться сумме анионов. Если суммы не равны, то либо пересчет сделан неправильно, либо анализ проведен не точно. Допустимое расхождение сумм анионов и катионов не должно превышать 5 %.

В нашем случае:

.

Результаты пересчетов результатов химического анализа воды приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6

Результаты обработки химического анализа подземных вод

Форма выражения анализа	Анионы			Сумма	Катионы			Сумма	Жесткость		Минерализация	Водородный показатель pH	Растворенные газы	Название воды
							Na++ K+		мг-экв/л	град
мг/л	195,2	74,1	15,9		42,9	13,2	47,6				389	7,2	13,2	Сульфатно-гидрокарбонатная Натриевокалиевая кальциевая
мг-экв/л	3,20	1,54	0,45	5,19	2,14	1,09	1,22	5,31	3,23	9,03
% мг-экв/л	61,7	29,7	8,6	100	40,3	20,4	39,3	100

Для систематизации химических анализов подземных вод используются многочисленные классификации, графические методы изображения состава подземных вод и формулы. Однако в настоящее время отсутствует единая классификация химического состава подземных вод. В связи с этим, предлагается большое количество классификаций вод по их ионному и компонентному составу, химическим свойствам и др.

Рассмотрим наиболее распространенные классификации подземных вод по их химическому составу и свойствам.

Минерализация воды – это сумма всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ. О величине минерализации судят по сухому остатку, который получается после выпаривания определенного объема воды и выпаривания его при температуре 110 °С. Минерализация выражается в мг/л и г/л.

По величине минерализации природные воды подразделяются на 6 групп (см. табл. 3.7).

Таблица 3.7

Классификация природных вод по величине минерализации

Группа природных вод	Минерализация, г/л
Сверхпресные	менее 0,2
Пресные	0,2−1,0
Слабосолоноватые	1–3
Сильносолоноватые	3−10
Соленые	10−35
Рассолы	более 35

По величине минерализации вода, химический анализ которой представлен в табл. 3.6, относятся к пресным.

Водородный показатель (pH) показывает концентрацию водородных ионов принято выражать показателем pH, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм концентрации иона Н⁺: pH = −lg [Н⁺]. Практически показатель pH равен показателю степени концентрации ионов водорода взятому с обратным знаком. По величине водородного показателя природные воды подразделяются на 7 групп (см. табл. 3.8).

Таблица 3.8

Классификация природных вод по величине водородного показателя

Группа природных вод	Водородный показатель (pH)
Сильнокислые	менее 1,9
Кислые	1,9−4,0
Слабокислые	4,1−6,9
Нейтральные	7
Слабощелочные	7,1−8,2
Щелочные	8,3−10,3
Сильнощелочные	более 10,3

По величине водородного показателя вода относится к слабощелочным.

Жесткость воды обуславливается содержанием в воде ионов и . Для вод, используемых в хозяйственных и технических целях, жесткость имеет большое значение. Величина жесткости выражается в мг-экв/л, либо в немецких градусах (1 мг-экв/л равен 2,8 немецких градусов).

Различают общую, временную (устранимую) и постоянную (неустранимую) жесткость воды.

Общая жесткость определяется суммарным содержанием в воде ионов и . Временная жесткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатных и карбонатных солей кальция и магния. Для ее определения сравнивают между собой содержание в воде и сумму и . В том случае, если содержание гидрокарбонатного иона больше суммы ионов кальция и магния, то величина устранимой жесткости будет равна сумме этих ионов и наоборот. Постоянная жесткость равна разности между величинами общей и временной жесткости.

По величине общей жесткости природные воды подразделяются на 5 групп (табл. 3.9).

Таблица 3.9

Классификация природных вод по величине общей жесткости

Группа природных вод	Общая жесткость, мг-экв/л
Очень мягкие	менее 1,5
Мягкие	1,5−3,0
Умеренно жесткие	3,1−6,0
Жесткие	6,1−9,0
Очень жесткие	более 9,0

Общая жесткость воды, результаты химического анализа которой представлены в табл. 6.1, будет равна 3,23 мг-экв/л или 9,03 °С, временная жесткость также будет равна 3,23 мг-экв/л (т.к. < + ). По величине общей жесткости вода относится к умеренно жестким водам.

Для графического изображения результатов химического состава и систематизации анализов наибольшее распространение получили графики-прямоугольники, циклограммы, графики-треугольники, а также представление химического состава воды в виде формулы М.Г.Курлова.

Для наглядного изображения данных химического состава используется формула М.Г. Курлова, которая представляет собой псевдодробь, в числителе которой слева направо записывают анионы и их содержание (в % мг-экв/л) в порядке убывания. В знаменателе таким же способом записываются катионы. Количество катионов и анионов округляется до целых чисел. Для более четкого представления об условиях формирования химического состава вод в формуле указываются все анионы и катионы, содержание которых превышает 1 % мг-экв/л. Слева от дроби записывается величина общей минерализации в граммах на литр, а если имеются элементы, специфичные для данного химического анализа (газы, активные элементы и др.), то их количества (в г/л) записывают перед минерализацией. Справа от дроби записываются величины pH, дебита воды (в л/с) и температура воды в градусах Цельсия.

В наименование состава воды указываются те компоненты, содержание которых более 25 % мг-экв/л. В начале пишут название воды по преобладающему аниону (если анионов с содержанием 25 % мг-экв/л два и более, то название воды пишут через черточку от меньшего содержания к большему), затем добавляют название типа воды по преобладающим катионам и пишут их через черточку по тому же принципу.

Так, химический состав воды, результаты химического анализа которой представлены в табл. 3.6, будет обозначаться следующей формулой:

.

Название воды, состав которой приведен в записанной выше формуле, будет: сульфатно-гидрокарбонатная натриево-калиевая кальциевая.

График-прямоугольник представляет собой два вертикальных прямоугольника на одном из которых в масштабе нанесены % мг-экв/л анионов, на другом - % мг-экв/л катионов, в последовательности, определяемой относительной реакционной силой (для анионов: + , , ; для катионов: , , ) (см. рис. 3.5).

Рис. 3.5. График-прямоугольник химического состава воды

П ри построении циклограмм, вычерчивается окружность, диаметр которой в масштабе равен величине минерализации воды. Окружность разбивается на две половины вертикальной плоскостью, площадь левой половины круга соответствует 100 % содержания катионов, а площадь правой – 100 % содержания анионов. Содержание каждого иона показывается в виде сектора, площадь которого пропорциональна его содержанию в % мг-экв/л (см. рис. 3.6).

Рис. 3.6. График-прямоугольник химического состава воды

Для изображения результатов массовых химических анализов вод используют графики-треугольники (см. приложение 2), на которых показывается содержание катионов и анионов. Методика построения подобных графиков подробно изложена в п.п. 3.2.

Построенные точки одного анализа подписываются одинаковой цифрой. Графики-треугольники, показанные на рис. 3.6, построены по данным результатов химического анализа (см. табл. 3.7).

Рис. 3.7. Графики-треугольники химического состава воды

Вредное (разрушающее) воздействие подземных вод на материал сооружений (бетон, железобетон, металл и т.д.) называется агрессивностью.

В зависимости от химических соединений, обуславливающих разрушающее воздействие, различают следующие виды агрессивности: углекислую, выщелачивающую, сульфатную, магнезиальную и общекислотную.

Углекислая агрессивность заключается в разрушении бетона в результате растворения карбонатов кальция (СаСО₃) под действием свободной углекислоты (СО₂). Данный вид агрессивности проявляется при содержании агрессивной СО₂ в концентрациях более 3 мг/л.

Выщелачивающая агрессивность проявляется в виде растворения карбонатов кальция (СаСО₃) и выщелачивания гидрооксида кальция (Са(НО)₂).

Подземные воды считаются агрессивными при содержании менее 1,5 мг-экв/л.

Сульфатная агрессивность проявляется в виде вспучивания и разрушения бетона, под действием солей серной кислоты. Проявляется при содержании в водах ионов в концентрации более 250 мг/л.

Магнезиальная агрессивность отмечается при высоких содержаниях ионов Mg²⁺, более 1000 мг/л. Бетон при этом вспучивается и разрушается.

Общекислотная агрессивность выражается в виде разрушения металлических частей сооружений и установок подземными водами с водородным показателем (рН) менее 7.

Рассматриваемая подземная вода проявляет углекислую агрессивность, так как содержание СО₂ превышает значение 3 мг/л.