1.2.22. Основні типи домішок у природних водах

За О. Альокіним домішки умовно поділяють на п’ять основних груп:

1) головні іони, що вміщуються у найбільшій кількості;

2) розчинені гази;

3) біогенні речовини;

4) мікроелементи;

5) органічні речовини.

За іншими поглядами, особливо для підземних води, прийнято розглядати макрокомпоненти, мікрокомпоненти, а також газовий склад.

Головні іони включають аніони та катіони.

Аніони: гідрокарбонатний;

карбонатний;

сульфатний;

хлоридний.

Карбонатні аніони деколи не називають, перераховуючи їх на гідрокарбонатні.

Катіони: кальцію;

магнію;

натрію;

калію.

В океанічних водах до головних іонів також відносять (бромід-ний), (фторидний), (борної кислоти), (стронцію). Їх вміст відображений у таблиці 1.3. Вони разом складають 99,99% всіх розчинених у світовому океані речовин.

Таблиця 1.3.

Головні іони в океанічних водах (за с. Бруєвичем)

Морські та річкові води значно відрізняються. У морських переважають хлориди (88,65%) та сульфати (10,79%), а у річкових карбонати (60,1%) та інші (24,8%). Це вказує, зокрема, на різне походження домішок. На поверхні суходолу воно пов’язане з контактом з відносно добре промитими породами. В океані — із загальнопланетарними геологічними процесами, що відбувалися на протязі тривалого часу.

Розчинені гази можуть вступати, або не вступати у хімічну взаємодію з водою. Їх розчинність — це здатність утворювати з водою однорідну систему. Розчинність газів, що утворюють хімічний зв’язок з нею набагато більша. Це аміак , сірководень , сірчанистий газ та діоксид вуглецю, або вуглекислий газ .

Кількість розчиненого газу вимірюється концентрацією насиченого розчину при даних температурі та тиску. Насиченим називають розчин, що знаходиться у рівновазі з надлишком газу.

Розчинність газів у воді залежить від температури, тиску та загальної мінералізації. При постійній температурі та невисокому тиску, для газів, що не вступають у хімічну взаємодію із водою, вона підкорюється закону Генрі:

С = kР, (1.173)

де: С — розчинність газу (мг/л);

Р — його парціальний тиск в газовій фазі;

k — коефіцієнт Генрі, який також є мірою розчинності газу.

Вплив загальної мінералізації зворотній. Найбільш насиченими можуть бути холодні та прісні води. Слід відрізняти розчинність (як можливість) та фактичний вміст (концентрацію) того чи іншого газу.

На практиці досить часто користуються відносною характеристикою — відсотком насичення (А).

де: Сф — фактичний вміст газу;

Ср — вміст, що відповідає рівновазі водного розчину при даній температурі.

Наявність газів у воді пов’язана з такими основними факторами:

1) обмін з атмосферою;

2) біохімічні процеси у водних об’єктах;

3) процеси дегазації мантії і метаморфізація (перетворення) гірських порід у глибинних шарах земної кори при високих температурі та тиску.

В першому випадку у воду потрапляють азот, кисень, диоксид вуглецю, інертні гази. У другому — диоксид вуглецю, метан та інші вуглеводні, сірководень, азот, водень. У третьому — диоксид вуглецю, оксид вуглецю, сірководень, водень, метан, аміак, хлористий водень та ін. Ця група характерна в основному для підземних вод.

В цілому у поверхневих водах переважають кисень, азот і диоксид вуглецю, а у підземних — диоксид вуглецю, сірководень та метан.

Кисень потрапляє у воду шляхом абсорбції з атмосфери разом з дощовими чи талими водами, або продукується водними рослинами при фотосинтезі. Концентрація кисню з глибиною понижується, що пов’язано з ослабленням фотосинтезу, споживанням на дихання та окислення органічних речовин. Концентрації у поверхневих водах мають значні сезонні та добові коливання. Вони змінюються також для різних водних об’єктів. Основні межі змін концентрації від нуля до 14 мг/л. За рахунок інтенсивного фотосинтезу деколи може спостерігатися перенасичення — до 20 мг/л. На пониження концентрацій впливають також органічне забруднення або євтрофікація водойми. (Євтрофікація — підвищена біопродуктивність, що приводить до накопичення органічних решток і погіршення фізико-хімічних властивостей води). Мінімальна концентрація розчиненого кисню, необхідна для нормального розвитку риб становить 5 мг/л. Якщо вона понижується до 2 мг/л починається їх масова загибель (замор).

Диоксид вуглецю поступає у воду з атмосфери, за рахунок дихання тварин, при розкладі органічних речовин та іншими шляхами. Має дуже велику розчинність за рахунок хімічної взаємодії з молекулами води. Концентрація в природних водах значно залежить від рН і змінюється від десятих часток до 3-4 мг/л. Деколи концентрація може підвищуватися до 10-20 мг/л. В глибинних підземних водах вона може бути набагато більшою, що пов’язано з виділенням вулканічних газів. При високих значеннях концентрації вода стає агресивною по відношенню до бетону та металів.

При взаємодії з водою утворює вугільну кислоту. При цьому утворюється карбонатна система (рівновага), яка тісно пов’язана з кальцієвою (кажуть також про карбонатно-кальцієву рівновагу). Це сама складна система рівноваг у природних водах.

Загальний вміст компонентів карбонатної системи виражають так:

(1.174)

З карбонатною системою також безпосередньо пов’язані іони водню та кальцію, а непрямо фактично весь комплекс розчинених речовин. Систему рівноваг описують такими рівняннями:

(1.175)

В природних водах у більшості випадків співвідношення форм карбонатної рівноваги впливає на значення рН.

Сірководень поступає у природні води в основному за рахунок відновлювальних процесів, що відбуваються при бактеріальному розкладі та біохімічному окисленні органічних речовин. Іншим джерелом є дегазація мантії Землі. Сірководень токсичний і має неприємний запах. Його наявність може вказувати на досить сильне забруднення води органічними речовинами. Як-правило він відсутній в основній частині водних об’єктів і з’являється лише деколи у придонних шарах (сірководнева зона, зокрема, у Чорному морі концентрація досягає 6 мг/л). Сірководень швидко окислюється при наявності у воді достатньої кількості кисню, а також деяких видів. бактерій. Але він може бути присутній у значних концентраціях в мінеральних (сульфідних, сірководневих) водах. Ці води мають лікувальне значення, що пов’язано з особливими їх загальними властивостями.

Азот (нітроген) поступає у водні об’єкти в основному з атмосфери, частково внаслідок біохімічних процесів. Він має властивості інертного газу, але все ж приймає участь у гідрохімічних процесах. Основна форма знаходження азоту як елементу у природних водах це різноманітні біогенні сполуки.

Метан — відносять до газів, що найбільше розповсюджені у підземних водах. Основним його джерелом є дисперсні органічні сполуки у породах. У невеликих кількостях він спостерігається у придонних шарах озер, де виділяється з деяких відкладів при біохімічному розкладі органічної речовини.

Біогенні речовини це мінеральні речовини, що найбільш активно приймають участь у життєдіяльності (водних) організмів. До них відносяться сполуки азоту , фосфору , кремнію , іони заліза та деяких мікроелементів. У природні води потрапляють в основному при розпаді організмів в межах об’єкту, а також з площі водозбору та зі стічними водами. Концентрації їх невеликі, а режим пов’язаний з температурою, що впливає на гідробіологічні процеси.

Мікроелементи — хімічні елементи, сполуки яких зустрічаються у природних водах в дуже малих концентраціях (мікрограми на літр). Різноманітність їх дуже велика. До типових катіонів відносять та інші. Іони важких металів — та ін. Комплексоутворювачі — . Типові аніони — . Також у природних водах присутні радіоактивні елементи. Всі ці домішки можуть знаходитися у воді у вигляді завислих речовин, колоїдів (гідроксидів металів), комплексів з гуміновими та іншими органічними кислотами, недисоційованих, напівдисоційованих молекул та вільних іонів. Загальна причина малих їх концентрацій є мала міграційна здатність. Мікроелементи важливі для живих організмів, вони входять до складу ферментів, вітамінів, гормонів.

Органічні речовини — наслідок функціонування біосфери (як у водах, так і на водозборі). Значна частина органіки — наслідок діяльності людини. Склад цих речовин дуже різноманітний. Вони можуть знаходитися у розчиненому вигляді, в колоїдному та завислому стані. Вони впливають на окислюваність домішок. Показником їх вмісту може бути органічний вуглець. Мінімальні його концентрації у незабруднених водах складають приблизно 1 мг/дм³, а максимальні 10-20 мг/дм³. У болотних водах вони досягають сотень мг/дм³. У забруднених водах концентрації змінюються у діапазоні від 10 мг/дм³ до 100 мг/дм³ та більше.

В сучасних умовах завдяки антропогенному впливу на природні води крім описаних основних п’яти груп домішок все більше значення набувають різноманітні специфічні забруднюючі речовини. Вони впливають на розвиток водних об’єктів, їх екосистеми, а також на якість води.