§ 4.2. Домішки води

Природна вода містить велику кількість різних домішок. В одному кубічному сантиметрі питної води міститься при­близно 10 тис. млрд молекул домішок, які надходять у воду на різних етапах її природного кругообігу. При конденсації воло­ги в атмосфері й випаданні води у вигляді дощу та снігу в ній розчиняються кисень, азот, діоксид вуглецю, а також складні речовини різних димових і відпрацьованих газів. Проходячи крізь ґрунт, вода зустрічається зі складовими частинами порід (солями, силікатами) і органічними речовинами та розчиняє їх. За наявності кисню неметали перетворюються на мінеральні та інші кислоти (вугільну, азотну, сірчану, фосфорну). Кислоти, взаємодіючи із дуже поширеними в природі вапняками та іншими породами, створюють бікарбонати кальцію, магнію, за­ліза, які добре розчиняються у воді. Силікати, через їх малу розчинність, переходять у воду в меншій кількості. При фільт­руванні води через ґрунт відбувається іонообмінна адсорбція, ґрунтові комплекси добре затримують фосфати; відбувається обмін іонів адсорбованих ґрунтом на іони К⁺. Ось чому у воді поверхневих джерел концентрація іонів Иа⁺ у середньому вде­сятеро перевищує концентрацію іонів К⁺. Мінеральний склад поверхневих вод (річок, озер, водойм) залежить від характеру ґрунтів, з яких збираються річкові води, а також від метеоро­логічних умов і пори року. У весняний паводковий період вода містить мінімальну кількість солей за значного вмісту зваже­них частинок, які захоплюються потоками талих вод із поверхні ґрунту. У природну воду річок можуть потрапляти різні про­мислові й побутові стоки, які також вносять до неї ті чи інші домішки.

За хімічним складом домішки природних вод поділяються на мінеральні й органічні. До мінеральних домішок відносять азот, кисень, вуглець, сірку у вигляді аміаку, метану, сірководню; різні солі, кислоти та їх основи, які у водному розчині значною мірою дисоційовані на іони. Найчастіше в природних водах трапляються катіони: Иа⁺, К⁺, Са²⁺, М§²⁺, ИН₄⁺, Ге²⁺, Мп²⁺, Си²⁺, №²⁺, А1³⁺ та аніони НСО³, СІ', 80₄, Н80₃, Ж)₃, С0₃^_, НБ', І', Ж)₂, Н80₄. У найбільшій кількості у воді містяться іони Са²⁺ й М§²⁺, що визначає її жорсткість. При застосуванні природної води для технологічних потреб у харчовій промисловості необхідно брати до уваги здатність цих катіонів утворювати складнорозчинні сполуки з аніонами харчової сировини.

У значних кількостях природні води можуть містити іони Ха⁺ і К⁺, які, на відміну від іонів Са²⁺ і Мй²⁺, з аніонами харчової сировини не утворюють складнорозчинних сполук. Іони заліза в природній воді можуть бути у формі Це²*) і окисленій Це³*) формі. У підземних водах залізо, зазвичай, перебуває в іонній формі у вигляді Ге²⁺, яке за наявності розчиненого кисню окис- нюється до Ге³⁺ і гідролізується в складнорозчинний гідроксид, що утворює колоїдний розчин або тонкодисперсну суспензію. У поверхневих водах залізо може входити до складу органічних речовин, за наявності яких розвиваються залізобактерії.

Значною частиною сольових компонентів води є НС0₃, С0₃~ і гідратований діоксид вуглецю Н₂С0₃ (вугільна кислота). їх спів­відношення у водному розчині підлягають закономірностям дисоціації і залежать від рН. При рН 4,3 весь діоксид вуглецю, що міститься у воді, представлений С0₂ і Н₂С0₃. Із підвищен­ням рН частка С0₂ зменшується з одночасним підвищенням частки НС0₃; при рН 8,35 практично весь діоксид вуглецю пе­ребуває у формі НС0₃, а при рН 12 — тільки у формі С0₃".

Для підтримки в розчині певної концентрації НС0₃ необхід­на присутність у воді еквівалентної кількості С0₂. Ця рівновага може зміщуватися при контакті водного розчину з повітрям або під час сатурації (насичення С0₂) розчину. За наявності повітря вміст С0₂ може стати більшим або меншим від величини, що відповідає рівноважному вмісту в системі НС0₃ — С0₂. У при­сутності Са²⁺ надлишок С0₃” визначає випадання з розчину твер­дої фази СаС0₃, а нестача іонів С0₃²' — розчинення СаС0₃.

Хлорид-іони (СІ") не утворюють із катіонами складнороз­чинних солей. Сульфат-іони (80₂ ) утворюють складнорозчин- ну сіль тільки із Са²⁺. За високої температури концентрації ор­ганічних домішок і відсутності кисню сірка аніона 80₄~ може відновлюватися до в²'. У цьому разі вода набуває неприємного запаху сірководню (Н₂в).

Поширеними в природних водах є кислотні сполуки крем­нію. Ці кислоти за звичайних для вод значень рН малорозчинні і здатні утворювати колоїдні розчини (розчинність Н₂БЮ₃ за 20° С — 0,15 г/кг).

У воді в дуже малих концентраціях (до 10 ⁵ г/кг) містяться бром, миш’як, молібден, свинець та деякі інші мікроелементи. Склад мінеральних домішок природних вод прийнято характе­ризувати за переважаючим аніоном. У гідрокарбонатних водах переважаючими є аніони НСО , у сульфатних — БО/', у хлорид- них — СГ. Більша частина вод України належить до гідрокар­бонатних. Як правило, вони містять понад 25 мг/1 000 г іонів НС0₃ — при вмісті залишку іонів менше за 25 мг/1 000 г.

Органічні домішки потрапляють у воду в результаті відми­рання об’єктів рослинного й тваринного світу, а також із побу­товими та виробничими відходами, а також із стічними водами підприємств харчової промисловості. У результаті вимивання ґрунту й торфовищ у відкриті водойми потрапляють гумусові ре­човини, зокрема гумінові кислоти та їх солі. Така вода має жов­тий колір. Уміст окремих сполук гумінових з’єднань може істотно впливати на процес очищення води. Органічні домішки є голов­ною причиною неприємного кольору, смаку та запаху води.

Домішки природних вод відрізняються за ступенем дисперс­ності. Залежно від розміру частинок розчини бувають істинні (діаметр часток < 10~⁷ см), колоїдні (діаметр часток 10~⁷-10"⁵ см) і суспензії (діаметр часток 10⁵ см). Істинні розчини являють со­бою гомогенні системи, в яких частинки розподілені у воді як окремі молекули та іони. Колоїдні розчини гетерогенні, в них частинки розподілені у вигляді агломератів із великої кількості молекул і поверхнею поділу між твердою фазою і водою. Через дрібні розміри колоїдних частинок вони не виділяються з води в осад силою тяжіння та не втрачають здатності до дифузії. Ко­лоїдним розчинам властиве розсіювання світла, що викликає коалесценцію води.

Грубодисперсні (зважені) частинки мають більшу масу, ніж колоїдні, і практично не здатні до дифузії. Згодом ці домішки випадають в осад або спливають на поверхню. Такі домішки ви­значають каламутність води. У природних водах у зваженому стані перебувають мул, пісок, частинки рослин.

Природна вода містить також різні гази природного похо­дження, розчинність яких у воді залежить від хімічної природи газів, температури, ступеня мінералізації води і тиску, під яким газ перебуває над водою. Добре розчинні у воді С0₂ і Н₂Б, які, як правило, утворюють із водою вугільну та сірководневу кислоти. Погано розчиняються СН₄, М₂, 0₂, Н₂, Аг, Не. Вони практично не вступають із водою в хімічну взаємодію та перебувають у ній у молекулярно-дисперсному стані. З підвищенням температури й збільшенням складу мінеральних речовин розчинність газів зменшується. За постійної температури розчинність газів, від­повідно до закону Генрі, змінюється прямо пропорційно тиску. Тому, як правило, що глибше здійснюється водозабір артезіан­ських свердловин, то більше вода насичена газами. У разі виходу такої води на поверхню, коли пружність газу у воді стає біль­шою, ніж в атмосфері, спостерігають його інтенсивне виділен­ня. Такий газ називають спонтанним, а воду — газованою.

У природній воді, крім мінеральних та органічних речовин, містяться забруднення біологічного характеру. Вода містить різні мікроорганізми. В ній можуть перебувати плісняви, бактерії, дріжджі, гриби, водорості, інфузорії, яйця гельмінтів тощо. Роз­виваючись у воді, мікроорганізми можуть зменшувати вміст у ній органічних речовин, мінералізуючи їх, що сприяє її очищенню.

Патогенні (хвороботворні) мікроорганізми можуть бути при­чиною інфекційних захворювань людини (дизентерія, холера, черевний тиф, поліомієліт та ін.), тому питну воду обов’язково слід очищувати біологічним способом.