Классификация природных вод и их примесей. риродные воды классифицируют по ряду признаков, простейший из них - солесодержание воды: пресная вода - солесодержание до 1 г/кг; солоноватая - солесодержание

риродные воды классифицируют по ряду признаков, простейший из них - солесодержание воды: пресная вода - солесодержание до 1 г/кг; солоноватая - солесодержание 1-10г/кг; соленая - солесодержание более 10 г/кг.

Большое распространение получила предложенная О.А.Алекиным система, по которой воды различаются по преобладающему в них аниону: гидрокарбонатный класс вод с преобладающим анионом НСО_з или суммой анионов НСО_зи СО_з (С), сульфатные воды (S), хлоридные воды (С1). По преобладающему катиону классы делятся на три группы: кальциевую (Са), магниевую (Mg) и натриевую, (Na). Группы в свою очередь подразделяются на типы, учитывающие соотношения между ионами, мг - экв/кг. Реки средней полосы европейской части СССР в основном относятся к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе (C^Сa).

Примеси природных вод по степени дисперсности (крупности) подразделяют на истинно - растворенные (ионно- или молекулярно - дисперсные), распределенные в воде в виде отдельных ионов, молекул, коллоидно - дисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм, грубодисперсные с размером частиц более 100 нм (0,1 мкм). Данная классификация носит условный характер. Грубодисперсные примеси воды, называемые также суспензиями или взвешенными веществами с частицами размером порядка нескольких микрометров, проявляют свойства, аналогичные коллоидным системам, и их часто объединяют под общим названием микрогетерогенных систем.

Коллоидные примеси представляют собой агломераты из большого числа молекул с наличием поверхности раздела между твердой фазой и водой. Из - за малых размеров коллоидные частицы не теряют способности к диффузии и обладают значительной удельной поверхностью. Например, если кубик вещества объемом 1 см³ раздробить на более мелкие кубики с длиной ребра 10нм, то количество таких кубиков составит 10¹⁸ единиц с общей площадью поверхности 600 м². Коллоидные частицы не выделяются из воды под действием силы тяжести, не задерживаются обычными фильтрующими материалами (песком, фильтровальной бумагой) и различимы в рассеянном свете (конус Тиндаля). В природных водах в коллоидно - дисперсном состоянии находятся различные производные кремниевой кислоты и железа, органические вещества - продукты распада растительных и животных организмов.

Грубодисперсные примеси (так называемые взвешенные вещества) имеют столь большую массу, что практически не способны к диффузии. С течением времени устанавливается определенное седиментационное равновесие, и примеси либо выпадают в осадок, либо всплывают на поверхность (при плотности частиц меньше плотности воды).

Длительно оставаясь во взвешенном состоянии, грубодисперсные примеси обусловливают мутность воды. Чем больше размер частиц грубодисперсных примесей, тем быстрее устанавливается седиментационное равновесие и тем легче выделяются они из воды при отстаивании или фильтровании. Так, скорость отстаивания частиц песка и ила размерами 100 и 20 мкм составляет в неподвижной воде при 10 °С соответственно около 7 и 0,4 мм/с.

По химическому составу примеси природных вод можно разделить на два типа: минеральные и органические.

К минеральным примесям воды относятся растворенные в ней содержащиеся в атмосфере газы Na₂, О₂, С0₂, образующиеся в результате окислительных и биохимических процессов МН₃, СН₄, H₂S, а также газы, вносимые сточными водами, различные соли, кислоты, основания, в значительной степени находящиеся в диссоциированной форме, т. е. в виде образующих их катионов и анионов.

К органическим примесям природных вод относят гумусовые вещества, вымываемые из почв и торфяников, а также органические вещества различных типов, поступающие в воду совместно с сельскохозяйственными стоками и другими типами недостаточно очищенных стоков.

Механизм поступления примесей в природную воду формирует определенное постоянство типа важнейших ионов, содержащихся в различных водотоках и водоемах. Сведения о наиболее распространенных в природных водах ионах и их концентрациях приведены в табл. 1.1.

Характеризуя ионизированные примеси, можно отметить следующее.

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 Na₊ и К₊ 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. Произведения растворимости некоторых труднорастворимых соединений Са и Mg приведены в табл. 1.2 и 1.3.

В технологических процессах подготовки воды для снижения концентрации кальция и магния часто используется образование их труднорастворимых соединений, выводимых из воды до поступления ее в водопаровой тракт.

Ионы железа характеризуются поливалентностью и могут находиться в различных формах: Fe²⁺ и Fe³⁺. Необходимо отметить, что обратный логарифм произведения растворимости рПР Fe(он)₂ при 25°С равен 14,75 а рПР Fe(OH)₃ составляет 37.2 единицы. Исходя из этих значений и ионного произведения воды, можно вычислить, что для поддержания равновесного насыщения воды ионами железа на уровне 0,1 мг/кг для закисного железа рН воды следует довести до 9.2 а для оксидного - до 3,5; при увеличении концентрации Fe₃₊ в ионной форме рН раствора будет понижаться. Во всех природных водах с высоким рН ионы Fe₃ практически не могут содержаться и все соединения F₃₊ находятся в коллоидной или грубодисперсной форме. В подземных водах железо обычно находится в ионной форме в виде двухвалентного железа, стехиометрически отвечающего формуле соединения Fе(НСО₃)₂, которое при условии удаления растворенной углекислоты (выдерживание в открытом сосуде) легко гидролизуется, а при наличии в воде растворенного кислорода окисляется с образованием красно-коричневой твердой фазы гидроксида железа Fe(ОН)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 транспортирования ее по стальным и чугунным трубам вследствие загрязнения продуктами коррозии.

Гидрокарбонат - ионы (НСОз) - важнейшая составная часть солевых компонентов воды. В природных водах кроме "полусвязанной" углекислоты (ионы НСО₃ - называемые также бикарбонатами), а в некоторых случаях и "связанной" углекислоты (ионы CO₃^-2) содержится также так называемая "свободная" углекислота, находящаяся в виде растворенного в воде газа СО₂ и его гидрата - молекул Н₂СО₃. Между различными формами угольной кислоты существует кинетическое равновесие, связанное с величиной рН и содержанием ионов кальция в растворе.

Хлорид - ионы (Сl^-) с катионами, обычно находящимися в природных водах, не образуют труднорастворимых солей и при температуре около 25°С не подвергаются гидролизу или окислению.

Сульфат - ионы (SO₄^2-) в поверхностных водах, не загрязненных органическими веществами, достаточно устойчивы, как анионы сильной кислоты они не подвергаются гидролизу и образуют относительно труднорастворимую соль только с одним из катионов природных вод - Са²⁺. Однако растворимость сульфата кальция при обычной температуре достаточно высока (около 1г/кг), и в природных водах, как правило, не происходит выделения твердой фазы CaS0⁴.

4.Физико=химические показатели воды.

Показатели, необходимые для характеристики качества воды, определяются характером использования воды различными потребителями. Например, качество воды хозяйственно - питьевого назначения характеризуют с помощью показателей, не принимаемых во внимание при использовании воды на ТЭС и АЭС. В то же время для воды, применяемой на обычных ТЭС, в отличие от воды, используемой на АЭС, не обязателен такой показатель, как содержание различных радиоактивных примесей и т. п.

Ниже рассматриваются основные показатели, используемые при анализе главным образом природных вод, применяемых в теплоэнергетике как исходное сырье, и специфические показатели качества сточных вод электростанций на органическом и ядерном топливе.

Минеральные примеси различных природных вод по качественному 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 ее обработки, - это концентрация грубодисперсных примесей (взвешенные вещества), концентрация ионов Na⁺+K⁺, Ca ²⁺, Mg⁺, Fe²⁺, NH₄^-, НСО₃-,Cl^-, SO⁴_2- NO₃^-, N0₂^-, рН воды, удельная проводимость, технологические показатели (например, сухой и прокаленный остаток, щелочность, жесткость, кремнесодержание, окисляемость), концентрация растворенных газов O₂ И СO₂.

Содержание грубодисперсных (взвешенных) веществ выражают в миллиграммах на килограмм (мг/кг) и определяют фильтрованием 1л пробы воды через бумажный фильтр, который затем высушивают при температуре 105-110°С до постоянной массы. Этот способ точен, но весьма трудоемок, в связи с чем для оперативного контроля наличия взвешенных веществ используют либо различные нефелометрические методы, либо приемы, заключающиеся в косвенном определении взвешенных веществ по прозрачности и мутности воды.

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 определенный шрифт. Столб воды в сантиметрах, через который еще 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, пропорциональную содержанию в воде взвешенных частиц, определяют, сравнивая анализируемую пробу с определенным эталоном мутности.

Концентрацию основных ионов - примесей природных вод определяют методами химического анализа и выражают в единицах миллиграмм на килограмм (мг/кг) или миллиграмм - эквивалент на килограмм (мг - экв/кг). Правильность определения концентраций катионов и анионов, т.е. солей, образованных эквивалентным количеством ионов, проверяют на основании закона электронейтральности по уравнению:

или

(2.1.)

где в числителе приведены массовые концентрации ионов, а в знаменателе, соответствующие эквивалентные массы. Если правая и левая части приведенного равенства различаются менее чем на 1 %, анализ можно считать выполненным правильно. В уравнение (2.1) не следует включать анион -------Н5Юз-------, так как в левой части отсутствует соответствующая концентрация иона водорода, а также оксиды Аl₂О₃ и Fе₂O₃, не присутствующие, как правило, в ионной форме.

Показатель концентрации водородных ионов (рН) воды характеризует реакцию воды (кислая, щелочная, нейтральная) и учитывается при всех видах обработки воды.

В соответствии с законом действующих масс для воды, частично диссоциирующей на ионы Н⁺ и ОН^-, согласно уравнению:

можно записать

(2.3.)

Константа K_H2O, или, как ее часто обозначают, K_W, называется ионным произведением воды. При диссоциации воды, не содержащей посторонних примесей, ионы Н⁺ и ОН^- образуются в равных молярных (грамм - ионных) концентрациях, в связи с этим активность каждого из них согласно уравнению (2.3.):

5

(2.4.)

и составит при 22°С 10^-7 моль/кг, рН такой нейтральной воды равно 7, в то время как при более высокой температуре рН_t той же нейтральной воды будет иным. В природных водах, содержащих бикарбонат - ионы, рН воды можно вычислить, преобразовав уравнение (1.5) к виду:

(2.5.)

Значение рН водных растворов определяет интенсивность диссоциации содержащихся в них слабых кислот или оснований. С понижением рН, т.е. с повышением активности (или концентрации) ионов Н⁺, процентное содержание недиссоциированных молекул слабых кислот повышается, а содержание их анионов понижается (табл. 2.3), для катионов слабых оснований наблюдается обратное соотношение. рН природной воды обычно колеблется в пределах 6-8 и зависит в основном от соотношения в воде концентраций НСО₃ и Н₂СО₃. Измерение рН основано на определении разности электрических потенциалов (потенциометрический метод) двух помещенных в анализируемый раствор электродов - индикаторного и электрода сравнения.

Удельная электрическая проводимость растворов X, характеризуемая электрической проводимостью 1см³ (1м³) жидкости с размером граней 1см (1м) и выражаемая в См/см (См/м), является важным показателем качества природной и обработанной воды, указывающим на суммарную концентрацию ионогенных примесей. Удельная проводимость воды, не содержащей примесей, при 25°С составляет 0,063 мкСм/см и определяется переносом в электрическом поле только ионов Н₊ и ОН_-. Удельная проводимость водных растворов, т. е. проводников второго рода, зависит от температуры, концентрации и типа электролита, степени его диссоциации и скорости движения ионов и измеряется методами кондуктометрии.

При постоянной температуре и данной степени диссоциации существует прямая зависимость между концентрацией электролита и его удельной электрической проводимостью. Так, удельную электрическую проводимость водных растворов различных солей концентрацией до 500 мг/кг в условном пересчете на NaCI можно примерно оценить из соотношения:

Поиск по сайту: