РАЗНОВИДНОСТИ ВОДЫ ПО МИНЕРАЛЬНОМУ СОСТАВУ

Расчетно-практическая работа № 3
ОЦЕНКА СВОЙСТВ И СОСТАВА ПРИРОДНОЙ ВОДЫ
Цель работы: Изучить свойства и состав природной воды и способ его описания.
Порядок выполнения работы:
1. Познакомиться и законспектировать общие сведения о природной воде.
2. Описать состав природной воды (составить по варианту формулу Курлова).
3. Изучить и законспектировать экспресс анализ воды.
4. Изучить и законспектировать сведения о методах очистки воды в домашних и промышленных условиях.
1. Общие сведения
1.1.Разновидности природной воды по минеральному составу
В зависимости от содержания растворенных веществ и различных примесей воду
обычно подразделяют на: природную (колодезная, ключевая, снеговая, дождевая, морская и
минеральная), питьевую водопроводную), техническую (для промышленных целей) и лабораторную (дистиллированная, бидистиллированная, деминерализованная).
Воду считают пресной - с содержанием (минерализацией) различных солей до 1 г/л;
солоноватой-с минерализацией до 25 г/л; соленой-с минерализацией свыше 25 г/л.
Концентрация солей в морской или океанской воде колеблется от 8 до 35 г/л. В силу
известных экологических причин сегодня практически не существует абсолютно чистой воды (раньше за такую воду принимались дождевая и талая снеговая). Наиболее низким качеством отличается в наше время вода в сельской местности из-за загрязнения отходами животноводческих ферм и удобрений с полей, а весной, во время таяния снегов, водопроводная
вода в горах.
Вода, к сожалению, легко загрязняется чуждыми ей примесями. Проходя через гидрологический цикл, она может вбирать в себя загрязнения двух видов: обычные - органические
остатки ( экскременты человека и животных, растительные остатки); промышленные - отходы производств и вышедшая из употребления промышленная продукция.Такая вода, естественно, считается загрязненной и уже не пригодна для питья. Обычно природная вода содержит различные соли ( бикарбонаты, хлориды и сульфаты кальция, магния, натрия и калия), мелкие частицы (песок, глина, свободная сера, окислы железа), органические вещества(продукты разложения гниющих растений, бактерий или животных), растворенные газы
(воздух, сероводород, углекислый газ и аммиак).
1.2. Жесткость воды
1
Растворенные в сырой воде соли обуславливают общую жесткость воды, которая
складывается из временной и постоянной жесткости. Временная жесткость, связана в основном с присутствием в ней гидрокарбонатов кальция и магния, что устраняется кипячением или добавлением в нее специальных водо- смягчающих веществ. Постоянная жесткость, обусловленная сульфатами и хлоридами кальция и магния, устраняется перегонкой
(дистилляцией). Воду, содержащую в себе много солей кальция и магния, обычно называют
жесткой.
Итак, временная (карбонатная) жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов Ca и Mg. Устраняется: 1) кипячением Сa (HCO3)2 → СaCО3 
Mg (HCO3)2 → Mg CО3 
2) действием известкового молока или соды
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCО3 
Ca (HCO3) + Na2 Co3 → CaCО3  + 2NaHCO3
3) постоянная (некарбонатная) жесткость обусловлена присутствием
хлоридов Ca и Mg:
сульфатов и
1) CaSo4 + Na2CО3 → CaCO3 
2) MgSo4 + Na2CО3 → MgCo3 
Жесткость воды выражается в условных единицах - градусах жесткости (французских, немецких), или в мгэкв/л. Воду, имеющую общую жесткость менее 10 немецких градусов называют мягкой (например, вода в реке Неве), от 10 до 20 градусов - умеренной, более
20 градусов - очень жесткой.
1.3. Водопроводная вода
В разных городах и населенных пунктах она не равноценна по своему качеству, т.к.
зависит от своего происхождения и способов очистки, применяемых на водоочистных станциях. Качество питьевой воды контролирует служба санитарно - эпидемиологического
надзора (СЭН). Качество питьевой воды оценивается по целому ряду показателей, которые
должны соответствовать требованиям ГОСТ «Вода питьевая» [1].
1.4. Общие требования к качеству воды:
Качество питьевой воды оценивается по таким нормативным показателям: запах - 2
балла (по пяти-бальной шкале); привкус - 2 балла; цветность - 20 градусов; мутность - 1,5
мг/л; осадок - отсутствует; водородный показатель - 6,0 - 9,0; остаточный хлор свободный
- 0,3 - 0,5 мг/л; связанный хлор - 0,8 - 1,2 мг/л; аммиак (по азоту) - 2 мл/л; нитриты (по
NO2) - 3.3 мг/л; нитраты (по NO3) - 45 мг/л; железо - 0,3 мг/л; молибден - 0,25 мг/л; фтор 1,2 мг/л; кадмий - 0,001 мг/л; с минерализацией по сухому остатку <1000 мг/л, по Сl < 350,
SO4 < 500 мг/л, коли - индекс (число бактерий группы кишечных палочек в 1 л.) - 3, плаваю2
щих примесей не должно быть, содержание взвешенных частиц около 0,25 мг/л, реакция в
пределах 6,5-8,5 рН, растворенный О2 > 4 мг/л, окраски не должна быть в столбике 20 см,
БПК (при 20 0 С < 3 мг/л), ядовитых веществ < ПДК, перепад температур не более 3 0 С от
среднемесячной температуры июля. Практически все показатели нормируются по количеству
«не более».
В отдельные сезоны года (снеготаяние, паводок, гниение водорослей и пр.) в воде могут возникать специфические запахи и привкусы, которые полностью не устраняются при
соответствующей обработке воды (отстаивание с обработкой сульфатом аммония и проведением первичного хлорирования, с последующей фильтрацией и обеззараживанием вторичным хлорированием). Фильтруется вода через слои песка, глины и другие гранулированные
частицы. Микрофлора обезвреживается кипячением.
В результате такой обработки образуются и сохраняются побочные продукты, среди
которых может быть и формальдегид, к сожалению, сложно определяемый. Очистка водопроводной воды не освобождает ее от кислых, углекислых солей кальция и магния, сернокислых и солянокислых солей этих металлов, а также от различных стерилизующих добавок
(хлора, окислов железа и др). При сильном загрязнении воды используется специальная
очистка. Но это обходится очень дорого, поэтому в промышленности вода используется в
замкнутых циклах.
Водопроводной воде присущи колебания состава и температуры. Это связано с присутствием в ней избытка хлористых и фтористы соединений, углекислого кальция, органических веществ, железа и других продуктов, а также взвешенных и окрашенных частиц.Важно
отметить, что природная вода обладает свойством самоочищения. Так за 24 часа в разбавленных стоках остается около 50% бактерий, через 36 т часов - 0,5%.
1.5. Химический состав воды
Определяется содержанием неорганических и органических компонентов.
Минерализация (М) воды - концентрация растворенных в воде неорганических веществ
в (М) мг/дм3. Различают характер и степень минерализации.
Характер минерализации (М) обусловлен химическим типом воды (количественное сочетание главных катионов и главных анионов).
Степень минерализации (сухой остаток), выражают в мг/дм3, мг- экв /дм3, в % экв.
Пересчет в мг-экв/л производят путем деления результатов анализа(Табл.2), выраженных в мг/л, на эквивалентную массу соответствующего иона (Табл.1). В качестве эквивалентной массы для 2-х валентных элементов (Ca , Mg  , SО4 , CО3  ) берется 1/2 их
атомной массы (т.е. атомная масса элемента делится на его валентность). Для 1-х валентных
3
элементов берется их атомная масса ( см. Таблицу 1).
Табли-
ца 1
Соотношение атомных и эквивалентных масс у элементов с разной валентностью
Элемент
Эквивалентная масса
Атомная масса Название иона
2+
1/2 Ca
20,04
40,08
кальций-ион
1/2 Mg 2+
12,15
24,31
магний-ион
2
1/2 CО3
30,01
60,01
карбонат-ион
1/2 SО4 2 48,03
96
сульфат- ион
1 HCO3
61,02
61,02
гидрокарбонат- ион
1 Cl 35,45
35,45
хлор-ион
1 NO3 62,0
62,0
нитрат- ион
+
1 Na
22,99
22,99
натрий-ион
1 K+
39,102
39,102
калий-ион
1 NH4+
18,04
18,04
аммоний-ион
Для вычисления % эквивалента принимают сумму мг-эквивалентов анионов, содержащихся в л (дм3) за 100% и вычисляют процентное содержание каждого аниона в мг- эквивалентах по отношению к этой сумме.
Аналогично поступают с катионами. Сумма мг-эквивалентов всех катионов анализируемой пробы воды теоретически должна быть равна сумме мг-эквивалентов всех анионов этой
пробы. В виду погрешностей анализа точного совпадения цифр не бывает. Пересчет в % эквивалентную форму проводится для сопоставления химического состава природных вод различной минерализации и более ясного представления о соотношениях между ионами одной
и той же воды.
2. Описание природной воды по формуле Курлова
Формула Курлова - прием наглядного изображения химического состава природной воды. Формула представлена в виде псевдодроби, в числителе пишут в % эквивалентах анионы
(в убывающем порядке), а в знаменателе в таком же порядке катионы. К символу иона приписывают его содержание в % эквивалентах (в целых числах). Впереди дроби сокращенно
указывают величину минерализации (М) в г/дм3 с точностью до одного десятичного знака,
pH, и, при необходимости, компоненты, придающие воде специфические свойства (содержание газов, микроэлементов, биогенных и органических веществ, радиоактивность и пр.). Для
подземных вод сзади дроби указывают температуру (о С) и дебит (D) воды (м3 /сутки).
После составления формулы воды дают ей название, куда включаются элементы с содержанием 25% и более.
 М мг/дм3
Общий вид формулы:
М х = ------------------ г/дм3
(1)
1000
Примеры:
Cl 40 HCO3 36
1) М 5,0 = --------------------------,
(2)
Na 62 • Ca 30
вода гидрокарбонатно-хлоридная кальций - натриевая
4
НCO3 87 S04 40 Cl 30
2) М 0,6 = ------ ---------------------------- ,
(3 )
Ca 47 Mg 35
вода хлоридно - сульфатно-гидрокарбонатная магний - кальциевая
Как видно из примеров, в название химического состава воды входят элементы с %
экв.  25.
1.6. Классификация вод по минерализации (по Самарину)
М< 0,1 г/дм3
ультрапресные
М< 1,0 г/дм3
пресные - пригодные для питья
3
до 3 г/дм
соловатые
до 5 г/дм3
соленые
3
> 50 г/дм
рассолы
рН < 4,5
сильнокислые
рН 4,5-5,5
кислые
рН 5,6-6,5
слабо-кислые
рН 6,6-7,5
близкие к нейтральным: пригодные для питья
рН 7,6-8,5
слабо – щелочные: пригодные для питья
рН 8,6-9,5
щелочные
рН >9,5
сильно щелочные
Не пригодны для питья:
а) с М > 1 г/дм3
б) с рН >8,5 - 4,5 - 6,5
в) при содержании хлоридов >350 мг/дм3
г) при содержании сульфатов >500 мг/дм3
(150 + 300 = 450)
д)  Cl + SО4  450
Таблица 2.
Химический состав воды, мг/ л.
Варианты
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pH
Ca2 
Mg 2 
Na
К+
6. 9
7..3
7. 4
7..5
7. 6
7. 4
7..5
10.5
7.9
6.9
79
93
76
2.5
2.76
88. 2
152..3
0.2
3.4
79.0
37
10
14 3
2. 15
7..67
29.1
121..2
2.8
3.0
37
35
6
37
11,9
4, 12
21, 4
630
180
3,02
35
230
253
190
183
280
265
134
60
90
240
Cl
SO42  CO32
HCO3
12
6
17
56
3.2
14.2
553
89.6
1.9
12
66
83
25
5.69
2.5
0.34
79.0
915.6
3.76 136.5
1.11
66
-
418
238
890
30.31
48.45
346
629.7
90.5
26.6
418

3. Экспресс- анализ воды
В промышленных условиях вода подвергается физическому (температура, прозрачность, вкус, цвет и запах), химическому (реакция воды, присутствие органических и химиче-
5
ских веществ, жесткость и некоторые другие), микробиологическому (наличие бактерий и
водорослей) анализам и, конечно, очистке. Определяют следующие ее показатели.
Цветность определяют по окраске 100 мл воды, налитой в бесцветный стакан и рассматриваемой на фоне белого листа бумаги. Если она имеет темный цвет, то это говорит о
присутствии в ней разлагающихся органических веществ, красная или желтая окраска - глины, глины или некоторых органических веществ.
Прозрачность воды устанавливают, глядя на шрифт из книги сквозь слой воды высотой 20 см, налитой в бесцветный стакан; все буквы в строчках должны хорошо читаться.
Присутствие хлопьевидных осадков, комков и песчинок говорит о загрязнении воды известковыми осадками, илом, песком или глиной.
Запах воды устанавливают при температуре от 20 до 600С. Гнилостный запах говорит о
присутствии сероводорода. Такая вода для приготовления растворов не пригодна.
Вкус «дегустируют» после пятиминутного кипячения воды и ее охлаждения до 20-250С.
Гнилостный вкус укажет на продукты распада животных и растительных организмов,
соленый - на присутствие поваренной или других щелочных солей, горький - солей магния,
вяжущий - солей железа, сладковатый - гипса.
Жесткость воды в домашних условиях находят весьма просто - намыливанием. Если
мыло плохо мылится и не дает пены, то в воде присутствует двууглекислая и едкая известь.
Реакцию воды (кислотность, щелочность) устанавливают при помощи лакмусовых полосок: синяя в присутствии кислот краснеет, а красная в присутствии щелочей синеет. Помощь в этом могут оказать и специальные индикаторные бумаги для определения рН различных жидкостей.
Соли трехвалентного железа учитывают с помощью роданистого калия. Водный раствор роданистого калия в присутствии следов трехвалентного железа окрашивается в желтый, а при больших количествах - в кроваво-красный цвет. Этот тест служит и для предварительной проверки воды на содержание железа в ней.
4. Методы очистки воды в домашних условиях
Улучшить свойства воды можно механическим путем (фильтрация) или химическим
(кипячение, перегонка, прибавление химических реагентов).
Фильтрование помогает избавить колодезную и речную воду от загрязнения колодезным железом и органическими веществами, от примесей песка и глины. Примеси из такой
воды удаляют при помощи фильтрования через активированный уголь.
Кипячение воды устраняет жесткость, обуславливаемую присутствием в ней двууглекислых солей магния и кальция, удаляет имеющиеся в ней газы и летучие вещества, уничто6
жает все возможные бактерии. При кипячении карбонаты разлагаются и оседают на стенках
посуды в виде накипи. Выпавшие же после кипячения в осадок соли удаляют фильтрованием.
Химические реагенты: Сильно загрязненную воду перед использованием сливают, а
мутность устраняют добавлением к воде 1-4мг/л алюмокалиевых квасцов. Выпадающий студенистый осадок увлекает при своем осаждении легкую муть и различные взвешенные в воде
частицы, бактерии и некоторые органические вещества. После отстаивания (несколько часов) воду сливают, фильтруют и кипятят. При другом способе очистки в воду добавляют
натриевую соль щавелевой кислоты до тех пор, пока не прекратиться образование осадка.
Для осаждения кальция и магния используют растворы фосфорнокислого и сернистого калия. Введение в загрязненную воду 0,03% раствора марганцево-кислого калия также способствует ее очищению.
Компактные устройства очистки: Наиболее эффективный способ очистки воды магнитная обработка, то есть кондиционирование воды в магнитном поле. Сегодня, установки для подобной очистки широко используются и позволяют получать от 10 до 115 литров
воды в минуту. С помощью магнитной обработки изменяется процесс кристаллизации карбоната кальция. Кристаллы СаСо3, выделяющиеся из кодиционированной воды, имеют уже
не кубическую форму, а представляют собой плоские тонкие снежные хлопья, рассеянные в
жидкости. Для обработки бытовой воды легко приспособить бытовой фильтр «Родник-3». В
нем используется фильтрующий слой угля, который удаляет из водопроводной воды посторонние привкусы и запахи. «Турист-2М», выпускаемый в Электростали, надежный помощник в походе и в домашних условиях. Он обеспечивает полное обеззараживание и очистки
воды из открытых водоемов, очищает водопроводную воду от соединений железа, фенола и
гуминовых соединений, устраняет привкус и запах.
5. Методы промышленной очистки воды
- механические (решетки, сита, фильтры, отстойки, нефтеловушки) - таким образом обрабатывается 60-95% стоков.
- химические реагенты, вызывающие осадок.
- биологическая очистка в естественных условиях на специальных полях фильтрации или
орошения (20 м на 100-150 м), окруженных земляным валом.
- биологическая очистка в искусственных условиях (биофильтры, аэротанки).
- биофильтры - из кирпича и бетона, заполненного гравием и щебнем, с микроорганизмами, которые разлагают органическое вещество.
- аэротанки - резервуар, в который перемещается активный ил со сточными водами.
7
Контрольные вопросы
1. Как различается природная вода по минеральному составу?
2. Что такое жесткость воды и каковы ее разновидности?
3. Какая служба контролирует качество воды и каким руководствуется нормативным
документом?
4. Каковы основные требования к качеству воды?
5. Как описывается химический состав природной воды?
6. По каким признакам оценивается качество воды?
7. Каким образом можно очистить воду в домашних условиях?
8. Какой способ очистки воды наиболее эффективен?
9. Какие существуют портативные устройства для очистки воды?
10. Какие известны промышленные методы очистки воды?
Литература
1. ГОСТ 2874-82 Вода птьевая. Гигиенические требования и контроль качества.
2. Котова Л.И., Рыжков Л.П., Полина А.В. Биологический контроль качества воды. М.:
Наука,1989.С.142.
3.Черновский А.Л. Учение о гидросфере (учебное пособие). Новосибирск,1998
Методическое указание составил к.б.н., профессор кафедры «Приборные устройства» НГПУ Матвеев П.В.
8