Классификация вод по ионному составу. Минеральные воды. Жесткость воды

Вода весьма реакционноспособное вещество: может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Так, под действием сильных восстановителей вода проявляет окислительные свойства: на холоде окисляет щелочные и щелочноземельные металлы, а при температуре накаливания – железо, углерод и др.

2Na + 2H2O ®  2NaOH + H2­

3Fe + 4H2O ® Fe3O4 + 4H2­

Под действием сильных окислителей (фтор, хлор, электрический ток) вода проявляет восстановительные свойства. Так, реакцию со фтором можно представить следующим образом:

2F2+2H2O Û 2H2F2+O2­

Cуществует три типа присоединения воды к молекулам других веществ: по ионному, координационному и адсорбционному типу.

Присоединение по ионному типу происходит к оксидам щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов, а также к кислотным оксидам:

CaO + H2O ® Ca (OH)2

P2O5 + 3H2O ® 2H3PO4

Вода, присоединяемая по ионному типу, называется конституционной. Она удаляется при нагревании с большим трудом. Так разложение от едкого натра начинается при 1388oС:

2NaOH ® Na2O + H2O

К ионам металлов - комплексообразователей присоединение идет по координационному типу:

CaCl2 + CH2O®  Ca(H2O)6 ·Cl2

Полученные соединения называются  аквакомплексами, а вода, вошедшая в  их состав, - кристаллизационной. Кристаллизационная вода удаляется легче, чем конституционная, например, при выветривании.

Различные вещества адсорбируют на своей поверхности  некоторое количество воды за счет межмолекулярных сил притяжения. Вода, присоединенная по адсорбционному типу, называется гигроскопической; она удаляется легче, чем кристаллизационная.

Жесткость воды – совокупность свойств воды, обусловленная наличием в ней преимущественно солей кальция и магния. Использование жесткой воды приводит к осаждению твердого осадка (накипи) на стенках паровых котлов, теплообменников, затрудняет варку пищевых продуктов, стирку. Различают временную и постоянную жесткость воды.

Первая связана с присутствием в воде гидрокарбонатов, вторая – других солей. Временную жесткость воды устраняют кипячением, постоянную – умягчением воды (добавлением гашеной извести, соды, применением катионитов и др.).

Природная вода, как известно, представляет собой сложную многокомпонентную динамическую систему, в состав которой входят различные соли, органические вещества (фульвокислоты, гуматы), газы, диспергированные примеси и взвешенные вещества (глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы), гидробионты (планктон, бентос, нейстон), бактерии, вирусы. В истинно растворенном состоянии в воде находятся минеральные соли, обогащающие воду ионами, их источниками являются природные залежи известняков, гипсов и доломитов.

Геохимическая классификация природных вод дана на рис. 12.

Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния, которые поступают в подземную воду из омываемых ею грунтов. Просачивание воды через почву приводит к изменению ее солевого состава. Жесткость природных вод не является вредной для здоровья, а скорее наоборот, т.к. кальций способствует выводу из организма кадмия, отрицательно влияющего на сердечно-сосудистую систему. Однако повышенная жесткость делает воду непригодной для хозяйственно-бытовых нужд, поэтому согласно ГОСТ 2874-82 норма общей жесткости составляет      7 мг-экв/л, а допустимая величина – 10 мг-экв/л.

Значительное количество магния также ухудшает органолептические свойства воды. Использование жесткой воды в хозяйственно-бытовых и промышленных нуждах приводит к весьма нежелательным последствиям.

Суммарная концентрация ионов Ca2+ (кальциевая Ж. в.) и Mg2+ (магниевая Ж. в.) называется общей жесткости воды. Различают жесткость воды карбонатную и некарбонатную. Карбонатная жесткость воды соответствует той части ионов Ca2+ и Mg2+, которая эквивалентна содержащимся в воде гидрокарбонат-ионам НСО3-.

В России величину жесткости природных вод выражают в миллиграмм-эквивалентах на 1 л (мг-экв/л), а жесткость вод умягченных, обессоленных и т.п. – в микрограмм-эквивалентах на 1 кг(мкг-экв/кг). До 1952 в России жесткость воды выражали в градусах жесткости (1° соответствует 0,357 мкг-экв/л).

Рис. 12. Геохимическая классификация природных вод

Жесткость природных вод колеблется в очень широких пределах – от 0,1–0,2 мг-экв/л в водах рек и озер, расположенных в зонах тайги и тундры, до 80–100 мг-экв/л в некоторых подземных водах и водах морей и океанов. Повышенная жесткость воды природных источников обусловлена преимущественно контактом воды с горными породами, содержащими карбонаты и сульфаты     Ca и Mg.

Использование жесткой воды недопустимо в теплоэнергетике, производстве искусственного волокна и ряде других отраслей. Жесткость воды ведет к усиленному образованию накипи в котлах и отопительных приборах, что ухудшает теплообмен. Жесткость воды увеличивает расход мыла при стирке, т.к. часть его образует с ионами Ca2+ нерастворимый осадок. В жесткой воде плохо развариваются овощи и мясо, т.к. ионы Ca2+ образуют с белками пищевых продуктов нерастворимые соединения; ухудшается вкус чая.

Высокая жесткость воды способствует образованию мочевых камней у человека. Допустимый предел жесткости воды, используемой для централизованного водоснабжения, – 7 мг-экв/л; в исключительных случаях по согласованию с органами санитарного надзора может быть допущена большая жесткость воды – до 14 мг-экв/л.

Классификация вод по уровню минерализацииохватывает следующие категории: пресные, солоноватые, минерализованные, соленые, рапы (рассолы) (табл. 17).

Таблица 17

Классификация подземных вод по степени минерализации (Зайцев, 1961)

Пресные водыводы активного обмена в системе биосферы (воды основного потребления в хозяйственной деятельности человека). Содержат допустимые концентрации солей для питьевого и технического водоснабжения. Обычно для питьевого водоснабжения концентрация солей в воде ограничивается пределом 1 г/л. Концентрация солей в пресных водах горных систем, вблизи ледников может варьироваться в пределах 20–200 мг/л. Например, в озере Байкал, крупнейшем пресноводном водоеме мира, концентрация солей в воде находится близко к или даже меньше 100 мг/л, что позволяет без предварительной очистки использовать ее в целлюлозно-бумажном производстве.

Уровень концентраций солей зависит от состава, степени растворимости вмещающих воду отложений и от источников питания подземных и поверхностных вод.

Солоноватые воды– это поверхностные и подземные воды, содержащие повышенное количество солей и не пригодные для питьевого водоснабжения. В процессе испарения формируются условия для засоления почв, образования солончаков и т.д.

Минерализованные водысодержат в растворенном состоянии различные микроэлементы, соединения, определяющие применение их в бальнеологических целях.

К соленымотносят все морские воды, которые не рассматриваются в балансе водопотребления, но входят в баланс круговорота воды в биосфере, а также воды некоторых открытых водоемов, подземных источников. Используются в качестве лечебных целей.

Рапа это повышенный (иногда пересыщенный) соляной раствор, наблюдающийся в водоемах, пустотах, порах донных отложений соленых озер. Используется для лечебных целей и добычи некоторых солей (хлоридов, сульфатов и др.).

По залеганиюводы бывают поверхностные и подземные. Подземные подразделяются на напорные и безнапорные.

По температуреводы бывают холодные и термальные. Термальныеподземные воды, имеющие повышенную температуру. За нижний предел температуры таких вод принимается температура человеческого тела. К собственно термальным относятся подземные воды с температурой 37–42°С. Гипотермальными водаминазываются подземные воды с температурой 42–100°С. Свыше температуры кипения (100°С) воды называют перегретыми.

Термальные воды используются не только в курортно-оздоровительных целях (Камчатка, Кавказ, Курилы, южные районы Западной Сибири, Забайкалье, Сахалин и др.), но и в качестве теплоносителя для обогрева жизненных объектов (домов, теплиц). По расчетам ВНИИ гидрогеологии и инженерной геологии, на площадях перспективных районов ресурсы термальных вод в России составляют около 7–8 куб. км с дебитом до 250 м3/с и с минерализацией от 1 до 35 г/л.

Использование водных ресурсов на производстве осуществляется с возвратом их загрязненными или частично очищенными в гидросферу.

Сточные воды – воды, использованные на бытовые или производственные нужды, обогащенные дополнительными ингредиентами, поллютантами, которые меняют первоначальный состав забранной воды. К сточным водам относятся не только стоки промышленных, сельскохозяйственных предприятий, но и стоки с территорий населенных мест (поселков, городов), транспортных систем, разрабатываемых месторождений полезных ископаемых, стоки обрабатываемых почв и т.д., образующиеся за счет плоскостного смыва атмосферными осадками.

Классификация стоков.

Различают стоки следующие:

-         бытовые (хозяйственно-фекальные: стоки банно-прачечных комбинатов, туалетов, больниц, все хозяйственные воды, использованные при мытье помещений, транспортных средств и т.д.);

-         производственные (промышленные), использованные в технологических процессах и сбрасываемые ввиду невозможности последующего использования;

-         дождевые (атмосферные), среди которых различают еще и талые.