Показатели качества и химический анализ воды

При анализе вод для характеристики их свойств определяют химические, физические и бактериологические показатели. Основными показателями, определяющими пригодность воды для определенной отрасли народного хозяйства, являются химические, так как физические (содержание взвешенных частиц, температура, цвет, запах, плотность, сжимаемость, вязкость, поверхностное натяжение) и бактериологические (наличие бактерий) показатели зависят от химического состава воды.

К химическим показателям качества воды относятся:

I) общее солесодержание; 2) жесткость; 3) окисляемость;

4) реакция среды; 5) солевой состав; 6) состав растворенных газов.

Жесткость воды обуславливается наличием в ней ионов Са²⁺ и Mg²⁺. Для большинства производств жесткость воды является основным показателем её качества. В жесткой воде плохо пенится мыло. При нагревании и испарении жесткой воды образуется накипь на стенках паровых котлов, труб, теплообменных аппаратов, что ведет к перерасходу топлива, коррозии металлов и авариям.

Жесткость количественно выражается числом миллиграмм-эквивалентов ионов кальция и магния в 1 л воды (мг-экв/л); 1 мг-экв/л жесткости соответствует содержанию в воде 20,04 мг/л ионов Са²⁺ или 12,16 мг/л ионов Mg²⁺. Различают жесткость общую, карбонатную и некарбонатную.

Карбонатная жесткость связана с присутствием в воде в основном гидрокарбонатов и карбонатов кальция и магния, которые при кипячении воды переходят в нерастворимые средние или основные соли и выпадают в виде плотного осадка:

Ca(HCO₃)=CaCO₃↓+H₂O+CO₂↑

2Mg(HCO₃)₂=(MgOH)₂CO₃↓+3CO₂↑+H₂O

Таким образом, при кипячении жесткость воды как бы устраняется. Поэтому она называется также временной жесткостью. Следует сказать, что при переходе HCO₃^– в CO₃^2– и при выпадении карбонатов кальция и магния в воде остается некоторое количество ионов Са²⁺, Mg²⁺, CO₃^2–, соответствующее произведению растворимости СаСО₃ и (MgOH)₂CO₃. В присутствии посторонних ионов растворимость этих соединений повышается.

Некарбонатная (постоянна я) жесткость не разрушается кипячением. Она обуславливается присутствием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот, главным образом, сульфатов и хлоридов.

Общая жесткость воды представляет собой сумму карбонатной и некарбонатной жесткости и обуславливается суммарным содержанием в воде растворенных солей кальция и магния. По величине общей жесткости принята следующая классификация природных вод:

очень мягкие (<1,5 мг-экв/л),

мягкие (1,5-3,0 мг-экв/л),

средней жесткости (3,0-5,4 мг-экв/л),

жесткие (5,4-10,7 мг-экв/л),

очень жесткие (>10,7 мг-экв/л).

Если известны концентрации в воде Ca²⁺, Mg²⁺ и HCO₃^–, то жесткость рассчитывается по следующим формулам:

Общая жесткость

Карбонатная жесткость равна концентрации [HCO₃^–]; в случае, если содержание ионов кальция и магния в воде выше, чём количество гидрокарбонатов:

, где 61,02 – эквивалентная масса иона HCO₃^–.

Если же количество гидрокарбонатов в воде превышает содержание ионов кальция и магния, то карбонатная жесткость соответствует общей жесткости. Разность между общей и карбонатной жесткостью составляет некарбонатную жесткость: Ж_НК = Ж_О – Ж_К. Следовательно, Ж_НК – это содержание Ca²⁺ и Mg²⁺, эквивалентное концентраций всех остальных анионов, в том числе и некомпенсированных гидрокарбонатов.

Реакция среды характеризует степень кислотности или щелочности воды. Концентрация водородных ионов природных вод зависит главным образом от гидролиза солей, растворенных в воде, количества растворенных угольной кислоты и сероводорода, содержания различных органических кислот. Обычно для большинства природных вод величина рН изменяется в пределах 5,5-8,5. Постоянство рН природных вод обеспечивается наличием в ней буферных смесей. Изменение значения рН свидетельствует о загрязнении природной воды сточными водами.

Солевой состав. При анализе природных вод определяют содержание в них преимущественно главных ионов: Cl^–, SO₄^2–, HCO₃^–, CO₃^2–, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺.

Определение ионаCl^–. В основу определения иона хлора положен аргентометрический метод Мора. Принцип анализа заключается в том, что при прибавлении к воде раствора AgNO₃ образуется белый осадок хлорида серебра:

Cl^– + Ag⁺ = AgCl↓

Определение хлорид-ионов ведут в интервале рН = 6,5 ÷ 10, чтобы одновременно с AgCl не выпадал осадок Ag₂CO₃. Проведению определения Сl^– мешает наличие в воде ионов брома, йода, сероводорода, от которых освобождаются предварительной обработкой воды.

Определение иона SO₄^2–. Метод определения сульфат-ионов основан на малой растворимости сульфата бария, количественно выпадающего в кислой среде при добавлении к воде раствора хлорида бария:

Ba²⁺ + SO₄^2– = BaSO₄↓

По массе образовавшегося осадка рассчитывают содержание иона SO₄^2–

Определение ионов CO₃^2– и HCO₃^–. Эти ионы определяют титрованием пробы воды растворами серной или соляной кислот последовательно с индикаторами фенолфталеином и метилоранжем. Реакция нейтрализации протекает в две стадии. Первые порции кислоты вступают в реакции с карбонат-ионом, образуя гидрокарбонат-ион:

CO₃^2– + H⁺ = HCO₃^–

Окраска фенолфталеина при рН = 8,4 переходит из розовой в бесцветную, что совпадает с таким состоянием раствора, когда в нем остаются лишь гидрокарбонаты. По количеству кислоты, пошедшей на титрование, рассчитывают содержание карбонат-иона. Расход кислот на титрование с фенолфталеином эквивалентен содержанию половины карбонатов, т.к. последние нейтрализуются только наполовину до HCO₃^– Поэтому общее количество CO₃^2– эквивалентно удвоенному количеству кислоты, затраченной на титрование. При дальнейшем титровании в присутствии метилоранжа происходит реакция нейтрализации гидрокарбонатов:

HCO₃^– + H⁺ → CO₂ + H₂O

Метилоранж меняет окраску при pH = 4,3, т.е. в момент, когда в растворе остается только свободный диоксид углерода.

При расчете содержания ионов HCO₃^– в воде следует из количества кислоты, пошедшей на титрование с метилоранжем, вычесть количество кислоты, идущей на титрование с фенолфталеином. Общее количество кислоты, затраченной на нейтрализацию ионов ОН^–, СО₃^2– и НСО₃^– характеризует общую щелочность вода. Если рН воды ниже 4,3, то её щелочность равна нулю.

Определение ионов Ca²⁺, Mg²⁺. Имеется несколько методов обнаружения и определения содержания ионов Са²⁺ и Mg²⁺. При добавлении в воду оксалата аммония (NH₄)₂C₂O₄, в случае присутствия ионов кальция образуется белый осадок оксалата кальция:

Ca²⁺ + C₂O₄^2– = CaC₂O₄↓

После отделения осадка оксалата кальция в воде можно определить ионы Mg²⁺ с помощью раствора гидрофосфата натрия Na₂HPO₄ и аммиака. При наличии иона Mg²⁺ образуется мелкокристаллический осадок соли магния:

Mg²⁺ + HPO₄^2– + NH₃ = MgNH₄PO₄↓

Полученные осадки прокаливают и взвешивают. На основании полученных результатов вычисляется величина кальциевой и магниевой жесткости.

Наиболее быстрым и точным методом определения Са²⁺ и Mg²⁺ является комплексонометрический метод, основанный на способности двунатриевой соли этилендиаминотетрауксусной кислоты (трилон Б)

NaOOCCH₂ CH₂COONa

N––CH₂––CH₂––N

HOOCCH₂ CH₂COOH

образовывать с ионами кальция и магния прочные комплексные соединения.

При титровании пробы воды трилоном Б происходит последовательное связывание в комплекс сначала ионов кальция, а затем ионов магния. Содержание ионов кальция определяют, титруя воду в присутствии индикатора-мурексида. Мурексид образует с ионами кальция малодиссоциированное комплексное соединение, окрашен ное в малиновый цвет. Ионы магния не дают комплекса с мурексидом. Трилон Б извлекает Са²⁺ из его растворимого комплекса с мурексидом, вследствие чего окраска раствора, изменяется на сиреневую:

По количеству трилона Б, расходуемого на титрование, определяют содержание Са²⁺. Титрованием пробы воды трилоном Б в присутствии индикатора хромогена черного определяют суммарное содержание Са²⁺ и Mg²⁺ то есть общую жесткость воды. Вода, содержащая Са²⁺ и Mg²⁺, в присутствии хромогена черного окрашивается в красный цвет вследствие образования комплекса с Mg²⁺. При титровании воды в точке эквивалентности происходит изменение цвета на синий вследствие протекания следующей реакции:

Содержание Mg²⁺ вычисляют по разности между общим содержанием (Са²⁺ + Mg²⁺) и содержанием Са²⁺. Трилонометрическое определение каждого иона производится при том значении рН, при котором этот ион образует с трилоном Б соединение более прочное, чем с индикатором. Для поддержания заданного значения рН к титруемому раствору добавляют буферные растворы. Кроме того, поддержание заданной величины рН обеспечивает определенную окраску индикатора. Общую жесткость воды определяют при рН > 9, кальциевую – при рН = 12.

Определение диоксида углерода производят титрованием пробы воды щелочью в присутствии индикатора–фенолфталеина:

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

H₂S + HgCl₂ = HgS↓ + 2HCl

Дата добавления: 2013-12-13