Жесткость воды и ее практическая значимость

Применение воды и водяного пара в пожаротушении. Вода является основным огнетушащим веществом охлаждения, наиболее доступным  и универсальным. Достоинства воды заключаются в ее дешевизне, доступности, относительно высокой удельной теплоемкости, высокой скрытой теплоте испарения, химической инертности по отношения к большинству материалов и веществ. Недостатками воды являются высокая электропроводность (в том случае когда применяется вода с добавками, которые повышают ее эксплуатационные и огнетушащие свойства), недостаточная адгезия к объекту тушения, относительно низкая способность смачивания и т. п.

Водяной пар используется для тушения пожара в закрытых и труднодоступных отсеках, трюмах, помещениях, танках( цистернах). При тушении пар заполняет помещение, разбавляет и вытесняет из него воздух, таким образом препятствует процессу горения, капли воды насыщенного пара испаряются, поглощают тепло и охлаждают очаг пожара [11].

Вода в медицине. Вода в медицине применяется как растворитель, как антисептическое, стимулирующее, анестезирующее, седативное, спазмолитическое  и лекарственное средство, средство санитарии и гигиены. Применяется также в качестве болеутоляющего, как укрепляющее и тонизирующее средство,  при травмах пакет со льдом может остановить кровотечение и уменьшить воспаление тканей,  применяется при ожогах, при снижении жара и т. д. [13]

Сельское хозяйство. Сельским хозяйством вода используется как транспортное средство поставляющее питательные вещества в клетки животных и растений, вода участвует в обменных реакциях, процессах фотосинтеза, реакциях гидролиза, вода регулирует температуру живых организмов [14].

Использование воды в быту. Вода в быту используется в качестве средства гигиены и санитарии, применяется как теплоноситель, является участником химических реакций, которые протекают при приготовлении пищи, также является транспортным средством, которое удаляет продукты жизнедеятельности человека в канализацию [14].

 

Показатели качества воды

 

Качество  воды определяется следующими физическими  и химическими характеристиками: прозрачность, запах, цвет, жесткость, температура, общее солесодержание, окисляемость и реакция воды. Эти  характеристики показывают наличие  или отсутствие каких-либо примесей. Природные воды отличаются разнообразием  примесей, количество и состав которых  зависит от условий формирования водного источника и состояния  его охраны. Различают физические, химические, и микробиологические свойства воды [8]. 

Прозрачность. Прозрачность воды в гидрологии и океанологии — это отношение интенсивности света, прошедшего через слой воды, к интенсивности света, входящего в воду. Прозрачность воды — величина, косвенно обозначающая количество взвешенных частиц и коллоидов в воде и характеризуется максимальной высотой столба воды, через которую виден крест с толщиной линии 1мм или определенного размера шрифт. Прозрачность выражают в сантиметрах "по шрифту" или "по кресту" [11],[15].

Запах и вкус. Вода не обладает запахом. Это означает, что запах воды всегда свидетельствует о том, что в ней растворены какие-то вещества.

Вода не имеет вкуса. А  потому наличие ярко выраженного  вкуса или привкуса говорит о  присутствии примесей [15].

Цветность воды. Чистые природные воды обычно бесцветны или имеют голубоватый оттенок. Вода, загрязненная органическими веществами в результате вымывания из почв и торфяников, приобретает желтый или коричневый цвет. Эти органические вещества принято объединять под общим названием гумусовые. Окраску природным водам придают в основном органические коллоидные соединения. Цветность вод подземных источников зависит от содержания закисного железа, соединений серы, марганца и других элементов. Иногда вода приобретает несвойственный ей цвет из-за сброса в водоем неочищенных сточных вод. Цветность измеряют в градусах платиново-кобальтовой шкалы путем сравнения цвета исследуемой воды с эталонными растворами. Природные воды по цветности подразделяются на малоцветные с цветностью до 35 град и цветные - более 35 град [15].

Общая жесткость  воды. Общее содержание в воде солей магния и кальция называется общей жесткостью. Она состоит из карбонатной и некарбонатной жесткостей.

Карбонатная характеризуется наличием гидрокарбонатов магния и кальция,

Некарбонатная – тем, что содержит соли сильных кислот – хлоридов или сульфатов магния и кальция [16].

           Температура. Наиболее стабильную температуру имеют воды подземных источников. Как правило 5-10°С. Температура воды в водоемах зависит от времени года, климата, условий питания, сброса сточных вод и других факторов [15].

Солесодержание. Наиболее распространенными в природных водах являются ионы Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺, Na⁺, SO₄^2- , HCO^3-, Cl^-. Содержание остальных ионов незначительно, хотя и влияет на свойства воды. Общее содержание солей измеряется в мг/л[16].

Окисляемость  воды. Окисляемость воды показывает, какое количество кислорода в миллиграммах тратится на литр исследуемой воды для окисления органических веществ. Повышенная окисляемость воды свидетельствует о загрязнении источника бытовыми или производственными сточными водами и требует проведения соответствующих мероприятий по его санитарной охране. Внезапное повышение окисляемости воды является также сигналом загрязнения ее сточными водами. Поэтому величина окисляемости- один из распространенных показателей для гигиенической характеристики воды [16].

Активная реакция  воды. Активной реакцией воды называется ее щелочность или кислотность, характеризующаяся концентрацией водородных ионов.   

Щелочность воды характеризуется  присутствием в ней веществ, вступающих в реакции с сильными кислотами, а также наличием веществ содержащих гидроксо-анионы. К таким соединениям относятся:

1) сильные щелочи (гидроксиды  кальция и натрия),летучие основания(NH₃ × H₂O) и анионы, которые обуславливают высокую щелочность при гидролизе в водном растворе с рН>8,4 ( S^2-, SiO₃^2-, CO₃^2- , PO₄^{3- и} др.)

2)Анионы летучих, нелетучих  слабых кислот ( HS^- ,HCO₃ ^- ,HPO₄^2-, H₂PO^4-,

CH₃COO^-), анионы гуминовых кислот и слабые основания.

Единицей измерения щелочности является величины рН- метра активной кислотности, обусловленная присутствием в воде активных ионов водорода[17]. Таким образом щелочность воды определяется количеством щелочных компонентов, присутствующих в воде.  Они действуют как нейтрализаторы в изменениях рН.

Щелочные компоненты могут  быть следующие:

-Бикарбонаты (HCO₃^-) в диапазоне рН 6,0-8,3

-Карбонаты (CO₃^2-) в диапазоне рН 8,3-10,2

-Гидроксиды (OH^-)  в диапазоне рН свыше 10,2 

Когда вода находится в  идеальном интервале Рн(7,2-7,6), ее щелочность в основном определяется бикарбонатами.

Кислотность воды характеризуется наличием в воде веществ, которые вступают в реакции с гидроксо-анионами. К ним относятся:

1) сильные кислоты: соляная  (HCl), азотная (HNO₃), серная (H₂SO₄);

2) слабые кислоты: уксусная (CH₃COOH); сернистая (H₂SO₃); угольная (H₂CO₃); сероводородная (H₂S) и т.п.;

3) катионы слабых оснований:  аммоний (NH₄⁺); катионы органических аммонийных соединений [17].

 

1.2. Постоянная и временная жесткость  воды. Единицы измерения жесткости

Присутствие в воде органических и минеральных  примесей характеризуется общим  солесодержанием. Основным показателем  качества воды является жесткость, обусловленная  содержанием солей магния и кальция.

  Жесткость бывает трех видов: временная, постоянная и общая.

Временной или устранимой жесткостью (Ж_вр)- называется часть общей жесткости, удалить которую можно с помощью кипячения воды. Такая жесткость обуславливается содержанием в воде растворимых гидрокарбонатов магния и кальция. При кипячении они образуют нерастворимые соединения карбоната кальция, карбонатгидроксо– и гидроксида магния и в виде накипи выпадают в осадок, при этом уменьшается жесткость воды.

Ca(HCO₃)₂ ⇄ CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O

Mg(HCO₃)₂ ⇄ MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O

2MgCO₃ + H₂O ⇄ (MgOH)₂CO₃↓ + CO₂↑ или

(MgOH)₂CO₃ + H2O ⇄ 2Mg(OH)₂↓ + CO₂↑

Постоянной (некарбонатной  или неустранимой) жесткостью воды является та, которая содержит в  своем составе остальные соли кальция и магния, которые остаются после кипячения в воде в растворенном состоянии.

Суммарная концентрация ионов (магниевой и кальциевой жесткости  воды) называется общей жесткостью. Она состоит из карбонатной жесткости  характеризующейся содержанием  гидрокарбонатов магния и кальция  и некарбонатную, в которой содержатся сульфаты и хлориды магния и кальция [18].

Единицы измерения  жесткости воды

 

Присутствие в воде органических и минеральных примесей характеризуется  общим солесодержанием. Основным показателем  качества воды является жесткость, обусловленная  содержанием солей магния и кальция.

  Для того чтобы численно представить жесткость воды указывается концентрация в ней катионов магния и кальция. Системой СИ рекомендована единица –(моль/м³), моль на кубический метр, но на практике используется миллимоль-эквивалент ионов магния и кальция в одном килограмме воды, таким образом единицей жесткости является содержание 12,16 мг/кг ионов магния или 20,04 мг/кг ионов кальция. В некоторых случаях указывается концентрация, отнесенная к единице не объема, а массы, например в тех случаях, когда изменяется температура воды или если вода содержит пар, что влияет на показания плотности [7].

В различных странах пользуются различными внесистемными единицами — градусами жёсткости.

По ГОСТУ, введенному в России 1 января 2005 года жесткость воды выражается в градусах жесткости (°Ж). Данная единица измерения выражает концентрацию щелочноземельного элемента, численно равную 1/2 его моля на литр (1 °Ж = 1 мг-экв/л) [19].

По показателям величины общей жёсткости воду разделяют  на жёсткую (более 10 °Ж), средней жёсткости (2-10 °Ж) и мягкую (до 2 °Ж).

Зарубежные страны широко используют такие единицы жесткости  как: французский градус (fo), немецкий градус (do, dH), американский градус, ppm CaCO₃.

Таблица 1. Единицы жесткости воды

 

Единицы жесткости воды
Моль/м3 (мг-экв/л)	Французский градус, fo	Немецкий градус, do	Американский градус	ppm (мг/дм3)СаСО3
1.000	5.005	2.804	50.050	50.050

 

1) Одному  французскому градусу соответствует  - 10 мг/дм³ СаСО₃ в воде

2) Одному  немецкому градусу соответствует  10 мг/дм³ СаО или 17.86 мг/дм3 СаСО₃ в воде

3) Одному  американскому градусу соответствует  1 мг/дм³ СаСО₃ в воде [11].

 

 

1.3. Методы определения  и устранения жесткости воды  
Методы определения жесткости воды:

 

1) кислотно-основное титрование(протолитометрия).

2) объемный олеатный метод

3) визуально-колориметрический  метод

 

Метод кислотно-основного  титрования. Основа данного метода–реакции взаимодействия между кислотами и основаниями.

Н⁺ + ОН^– = Н₂О

С помощью метода кислотно-основного  титрования определяются концентрация основания или кислоты или  содержание элементов, которые образуют кислоту или растворимое основание. ( например содержание фосфора в фосфорной кислоте и т.д.) С помощью обратного титрования или косвенного метода находят содержание некоторых солей (например, солей кальция, аммония и др.). Используя определенные приемы, титруют смеси кислот с их солями, смеси кислых и средних солей и т.д.

Олеатный метод. Основой данного метода является малая растворимость олеатов магния и кальция. Если добавить раствор олеата калия к анализируемой пробе воды и взболтать, это вызовет осаждение находящихся в воде ионов магния и кальция в виде олеата, признак окончания титрования - образование устойчивой пены, вызванной избытком олеата калия.

Минимальное количество олеата, которое вызывает появление пены при взбалтывании пробы воды, зависит от концентрации в ней ионов магния икальция. Данная зависимость не является прямопропорциональной и являетсяболее сложной, это указывает на то, что отсутствуют простые стехиометрические соотношения при взаимодействии ионов щелочноземельных металлов солеатом калия.

Несмотря на то, что отсутствует  стехиометрическая закономерность, олеатным методом можно получить достаточно хорошо воспроизводимые результаты, если соблюдать точно оговоренные условия в отношении объема и температуры титруемой жидкости, величины рН, интенсивности и частоты взбалтывания, характера пены, скорости прибавления олеатного раствора и т.д.

Данный метод применяется  для анализа вод, жесткость которых  не более 0,5 мг–экв/л. Наименьшей жесткостью которую можно надежно определить олеатным методом является 2 мкг – экв/л., то есть он обладает практически такой же чувствительностью как и трилонометрический.