Качество воды

Введение

Вода имеет первостепенное значение в функционировании живого организма. Это основная среда биохимических реакций, необходимая составная часть протоплазмы. Питательные вещества циркулируют в организме главным образом в виде водных растворов, в таком же виде транспортируются, а в значительной степени и выводятся из организма в виде продуктов диссимиляции. От количества воды и растворённых в ней солей в значительной мере зависят внутриклеточный и межклеточный обмен.

Без воды не может жить человек. Вода — один из важнейших факторов, определяющий размещение производительных сил, а очень часто и средство производства. Использование воды для хозяйственных целей — одно из звеньев круговорота воды в природе. Но антропогенное звено круговорота отличается от естественного тем, что в процессе испарения лишь часть использованной человеком воды возвращается в атмосферу опреснённой. Другая часть (составляющая, например, при водоснабжении городов и большинства промышленных предприятий 90%) сбрасывается в реки и водоёмы в виде сточных вод, загрязнённых отходами производства. Потребности промышленности на 23% удовлетворяются за счёт забора воды из природных водных объектов и на 77% — системой оборотного и повторно-последовательного водоснабжения.

Измеритель качества воды предназначен для оценки характерных показателей состава природной и питьевой воды. Это показатель активности ионов водорода (pH) и минерализованность (солесодержание).

Нормирование качества питьевой воды

Максимально допустимые концентрации загрязнений в питьевой воде регулируются национальными стандартами. Учитывая особую важность для здоровья населения качества питьевой воды, специалисты Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) разрабатывают базовые нормативы качества воды. В настоящее время действует «Руководство по контролю качества питьевой воды», принятое ВОЗ в 1992 году.

Согласно этому руководству значения рН для питьевой воды должны находиться в интервале от 6,5 до 8,5 единиц.

В России с 1996 года гигиенические требования к качеству питьевой воды определяются санитарными правилами и нормами Сан ПиН 2.1.4.559-96. В них норматив по параметру рН для питьевой воды принят от 6,0 до 9,0 единиц.

В природных водах величина рН в основном определяется количественным соотношением концентраций угольной кислоты и её ионов. Изменение величины рН тесно связано с процессами фотосинтеза и распада органических веществ, а также с поступлением гумусовых кислот из кислых почв, перегноя и болотных вод. Для большинства речных вод величина рН колеблется в пределах 6,5—8,5 единиц.

Атмосферные осадки обычно имеют значение рН от 5,6 до 5,7. Дождь, имеющий рН < 5,5, считается кислотным дождём. Продолжительное выпадение дождей с рН от 4,0 до 4,5 приводит к закислению природных водоёмов и почв, а при дождях с рН < 4,0 происходит отмирание листьев на деревьях и гибель многих видов рыб и других обитателей водоемов.

Подземные воды в большинстве случаев обладают слабощелочной реакцией, иногда они нейтральны, в некоторых, чрезвычайно редких, случаях дают кислотную реакцию.

 

Экологическая оценка воды
по критерию общего солесодержания

1. Удельная электропроводимость воды

Электропроводимостью называют способность веществ пропускать электрический ток. Вещества, пропускающие электрический ток, можно разделить на два класса в зависимости от механизма переноса электричества: электронные (проводники первого рода) и ионные (проводники второго рода). К проводникам первого рода относят металлы, полупроводники, сплавы, углерод и некоторые твердые соли и оксиды; к проводникам второго рода относят растворы и расплавы электролитов.

Растворы электролитов характеризуются определенным сопротивлением, величина которого прямо пропорциональна расстоянию между электродами l и обратно пропорциональна площади электродов S, опущенных в раствор:

R = ρ	L
	S

Коэффициент пропорциональности ρ называется удельным сопротивлением. При L = 1 см и S = 1 см² ρ = R. Таким образом, удельное сопротивление соответствует сопротивлению одного кубического сантиметра раствора; измеряется Ом-сантиметрами (0м×см).

Удельная электрическая проводимость — величина, обратная удельному сопротивлению, измеряется в обратных омах на сантиметр (Oм×см) или сименсах на сантиметр (См/см);

1 См =	1
	Ом

Удельная электропроводимость обозначается буквой γ (Гамма). Осуществить подбор электродов таким образом, чтобы измеряемый объём в точности равнялся 1 см³ практически очень трудно. Поэтому электроды делают произвольной площади и помещают на произвольном расстоянии друг от друга. Допущенное отклонение учитывается коэффициентом «С» — отклонением постоянной данного прибора от 1 см³. Величина коэффициента «С» устанавливается экспериментально при измерении раствора с известной удельной электропроводимостью.

Международный стандарт ИСО 7888 устанавливает метод измерения удельной электрической проводимости всех видов вод. Удельная электрическая проводимость может быть использована для контроля качества:

• поверхностных вод;
• технологических вод в установках по подаче воды и в очистных сооружениях;
• сточных вод.

При помощи этого метода можно контролировать в воде наличие ионных составляющих.

В одних случаях анализа важны абсолютные величины удельной электрической проводимости, в других интерес представляют только относительные изменения. Для краткости при определении качества воды часто употребляют термин «электрическая проводимость». Чистая вода в результате её собственной диссоциации имеет удельную электрическую проводимость при 25 °С = 5,48 × 10 См/см или 0,0548 мкСм/см. Ниже приведены диапазоны возможных значений удельной электрической проводимости для воды различного назначения и водных растворов:

• деминерализованная вода — от 0,1 до 10 мкСм/см;
• питьевая вода — от 100 до 1000 мкСм/см;
• поверхностные воды — от 100 до 8000 мкСм/см;
• сточные воды — от 1000 до 8000 мкСм/см;
• солоноватая и морская вода — от 1000 до 80000 мкСм/см;
• концентрированные кислоты — от 80000 до 2 млн. мкСм/см.

2. Минеральный состав воды

Минерал (от латинского слова minera — руда) — это природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в глубинах и на поверхности Земли. Известно около 3 тысяч минеральных видов.

Принимая за чистую природную воду ту, что не содержит ни взвесей, ни коллоидных систем, ни растворённых органических веществ (условия, присущие минеральной воде и воде большинства глубинных скважин), мы подразумеваем, что она содержит растворенные и диссоциированные на катионы и анионы минеральные соли. Все присутствующие в воде ионы образуются при растворении и диссоциации солей, непосредственно смытых водой (NaCl, CaCl₂, Na₂CO₄ и т. д.), или солей, образовавшихся в воде в результате реакции диоксида (CO₂), растворённого в воде, с известняковыми или магнезиальными породами. Достаточные количества диоксида углерода появляются, в основном, вследствие биологической активности почв. После растворения в воде указанные соли теряют свои индивидуальные свойства и присутствуют в воде только в виде анионов и катионов, согласно правилу общей электрической нейтральности раствора. В подавляющем большинстве случаев солевой состав природных вод определяется катионами Са⁺⁺, Mg⁺⁺,Na⁺, К⁺ (кальций, магний, натрий, калий) и анионами НСО₃^-, С1^-, SO₄^- (гидрокарбонат, хлорид, сульфат). Эти ионы называются главными ионами воды или макрокомпонентами; они определяют химический тип воды. Остальные ионы присутствуют в значительно меньших количествах и называются микрокомпонентами; они не определяют химический тип воды. По преобладающему аниону воды делятся на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Воды каждого класса делятся в свою очередь по преобладающему катиону на три группы: кальцевую, магниевую и натриевую.

Общая минерализация (солесодержание) воды — это суммарная концентрация анионов, катионов и недиссоциированных, растворенных в воде органических веществ. Общая минерализация совпадает с сухим остатком, который получается путём выпаривания определенного объёма воды, предварительно профильтрованного через бумажный фильтр, и последующего высушивания остатка до постоянного веса при температуре 105—120 °С. Минерализацию пресных вод принято выражать в миллиграммах на литр (мг/л) или граммах на литр (г/л). Существующая классификация вод по минерализации имеет следующие градации:

1. пресные воды — до 1 г/л;
2. солоноватые воды — от 2 до 2,5 г/л;
3. воды морской солености — от 25 до 50 г/л;
4. рассолы (слабые, средние, крепкие) — выше 50 г/л.

3. Кондуктометрический метод определения минерализации пресных вод

Сущность анализа основана на измерении электропроводимости раствора (conduction — проводимость). Измерение электропроводимости растворов производится с помощью электролитической ячейки (погружного щупа) с двумя электродами, генератора возбуждения, подающего напряжение на электроды, и регистрирующего устройства.

При измерении электропроводимости с помощью погружных электродов и постоянного тока возникают известные трудности из-за быстрой поляризации и налипания веществ на электроды, коррозии их поверхности и других процессов, изменяющих поверхность электродов. Всё это вносит существенные ошибки в измерения. Устранение этих отрицательных эффектов может быть произведено применением токов различной частоты, значительно снижающих поляризацию электродов.

При применении переменного тока различной частоты выделяются:

1. низкочастотная кондуктометрия (до нескольких килогерц), применяется для измерения с помощью погружных датчиков растворов с удельной электропроводимостью в диапазоне от 10 мкСм/см до 1 См/см и используется для измерения минерализации пресных вод;
2. высокочастотная кондуктометрия (до сотен мегагерц), применяется для измерения электропроводимости по величине индуктивности или ёмкости, что может осуществляться при отсутствии прямого контакта с раствором.

Электропроводимость раствора зависит от концентрации и химической природы растворенных веществ, степени его диссоциации и температуры раствора. У большинства сильных электролитов с ростом концентрации электропроводимость сначала резко возрастает, достигая максимума при концентрациях порядка 15—30%, и начинает уменьшаться при дальнейшем росте концентрации. В области низких концентраций эта зависимость близка к линейной. Эту область обычно и используют при электрометрическом анализе для получения данных о величине концентрации по электропроводимости раствора.

Если в растворе находится смесь электролитов, то их влияние на электропроводимость суммируются пропорционально относительной концентрадии каждого компонента и подвижности ионов, на которые он диссоциирует.

Для анализа многокомпонентных растворов, какими являются природные воды, метод прямого определения концентрации по величине электропроводимости имеет ограничения. Достоверные результаты могут быть получены лишь для вод одного типа. Коэффициент пересчёта электропроводимости на минерализацию для разных вод суши колеблется от 0,70 до 1,30. При пересчёте на минерализацию для наиболее распространённых гидрокарбонатно-кальциевых вод с суммой ионов 300—600 мг/л ошибка обычно не превышает 10% при коэффициенте пересчёта, равном 1, т. е. при условии, когда 1 мкСм/см = 1 мг/л.