Состав воды

В состав Н₂О входят: соли, преимущественно в виде ионов, молекул и комплексов; органические вещества – в молекулярных соединениях и в коллоидном состоянии; газы – в виде молекул и гидратированных соединений; диспергированные примеси; гидробионты (планктон, бентос и др.); бактерии, вирусы.

Во взвешенном состоянии в природных водах содержатся глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы; в коллоидном – различные в-ва органического происхождения, кремнекислота, Fe₂O₃, фульвокислоты, гуматы; в истинно растворенном состоянии находятся в основном минеральные соли, обогащающие воду ионами.

Размеры веществ варьируются от коллоидных до грубодисперсных. Коллоидные 2*10^-4 … 1*10^-6 мм, песок 0,1 - 1,0 мм.

Соединения веществ в воде поверхностных источников - от единиц до десятков тысяч мг/л, (например Аму-Дарья – 12-14 г/л, Волхов, Нева – 10-50 мг/л).

Содержание солей в речных водах достигает 1,5 г/л и более (Кура – 1 г/л, Волхов – до 300 мг/л). Оно минимально для северных рек с поверхностным питанием, и максимально для южных с питанием подземными водами.

По виду растворенных солей реки подразделяются на несколько классов: гидрокарбонатные (Волга, Днепр), сульфатные (Дон), хлоридные.

Соединение органических веществ достигает 150 мг/л и выше.

В отличие от поверхностных, подземные воды характеризуются наибольшим количеством органических веществ и значительным содержанием минеральных солей.

Примеси, содержащиеся в воде, разделяют на 4 группы.

Примеси 1-й группы проникают в Н₂О в следствии эрозии слагающих ложе водоема пород и смыва с поверхности почв. Они представляют собой нерастворимые в воде суспензии и эмульсии, кинетически неустойчивые и находящиеся во взвешенном состоянии благодаря гидродинамическому воздействию водного потока. В состоянии покоя эти взвеси выпадают в осадок.

Примеси 2-й группы представляют собой гидрофобные и гидрофильные органические и минеральные коллоидные частицы, вымытые водой из грунтов и почв, а также нерастворимые и недиссоциированные формы гумусовых веществ, детеринты и вирусы, которые по своим размерам близки к коллоидным примесям. Агрегативная устойчивость гидрофобных частиц обусловлена наличием двойного электрического слоя из адсорбированных и диффузионных слоев ионов или образованием на межфазной поверхности частиц стабилизирующих слоев.

Примеси 3-й группы – это молекулярно-растворенные вещества (органические соединения, растворимые газы). Между этими соединениями под действием ван-дер-ваальсовых сил происходит ассоциация однородных молекул и гидратация, т.е. соединение разнородных молекул.

Примеси 4-й группы представляют собой вещества, диссоциированные на ионы. В результате процесса гидратации кристалическая структура этих веществ разрушается. Устойчивость образующихся гидратов прямо пропорциональна радиусу, так гидраты ионов щелочных металлов неустойчивы, а щелочноземельных более прочные.

Химический состав природных вод, под которым понимается сложный комплекс минеральных и органических веществ в разных формах ионно-молекулярного и коллоидного состояния, подразделяется на 5 групп:

1 группа: главные ионы, содержащиеся в наибольшем кол-ве (Na⁺, K⁺, Ca⁺², Mg⁺², SO₄^-2, CO₃^2-, HCO₃^-);

2группа: растворенные газы (N₂, O₂, CO₂, H₂S и др.);

3группа: биогенные элементы (соединения P, N, S);

4 группа: микроэлементы – соединения всех остальных химических элементов;

5 группа: органические вещества.

Ионный состав воды (1группа) включает катионы: H⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Ca⁺², Mg⁺², Fe⁺², Fe⁺³, Ba⁺², Al⁺³; анионы: OH^- (гидроксил), HCO₃^- (бикарбонат), Cl^-, SO₄^-2, HS^- (гидросульфид), NO₂^-, NO₃^-, F^-, SiO₃^-2, PO₄^-3.

В большинстве случаев солевой состав природных вод определяется следующими ионами: Na⁺, K⁺, Ca⁺², Mg⁺², HCO₃^-, Cl^-, SO₄^-2. Оставшиеся ионы обычно содержаться в незначительных количествах, хотя иногда существенно влияют на свойства воды.

Вода, как электролит, электрически нейтральна, т.е. сумма катионов в мг*экв/л равна сумме анионов мг*экв/л. Этой закономерностью пользуются при проверке правильности анализов воды. Исходя из преобладания в воде (+) ионов, часто суммарное соединение в воде Na⁺и K⁺ вычисляют по формуле (Na⁺+ K⁺) = (HCO₃^- + Cl^- + SO₄^-2) – (Ca⁺² + Mg⁺²).

Хлориды и сульфаты благодаря своей высокой растворимости присутствуют во всех природных водах, обычно в виде Na, Ca и Mg – солей. В маломинерализированных водах обычно конц. SO₄^-2 обычно бывает больше, чем Cl^-, но в сильноминерализированных водах соединение SO₄^-2 меньше чем Cl^-. Особенно большие концентрации SO₄^-2 наблюдаются в водах, контактирующих с гипсосодержащими породами. На соединение SO₄^-2 в природных водах влияет концентрация в воде Са⁺², вследствие образования малорастворимого соединения CaSO₄.

Хлоридные ионы – обычный компонент природных вод. Наличие в воде значительной концентрации Cl^- и SO₄^-2 свидетельствует о повышенном растворенном остатке воды, что служит препятствием для использования воды в промышленности. При значительном содержании в воде Cl^- и SO₄^-2 они являются причиной ее агрессивности по отношению к бетону.

Воды, содержащие SO₄^-2 более 250 мг/л, оказывают разрушающее действие на бетонные конструкции, вследствие образования гипса, что вызывает увеличение объема и образование трещин в бетоне.

Cl^- - ион вызывает выщелачивание и разрушение бетона.

Присутствие в питьевой воде значительного количества Na₂SO₄ нарушает деятельность желудочно-кишечного тракта, в то время как сульфаты и хлориды Mg и Са обуславливают некарбонатную жесткость воды.

Растворенные в воде газы (2группа) – O₂, CO₂, H₂S, CH₄, N₂ имеют значение для оценки ее кач-ва. Так O₂, CO₂ и H₂S придают воде при определенных условиях коррозионные свойства по отношению к металлам и бетонам.

Углекислота содержащаяся во всех природных водах от нескольких мг/л (поверхностные воды) до сотен мг/л (подземные). В зависимости от рН воды углекислота присутствует в ней в виде свободной H₂CO₃, представляющий собой растворенный в воде газ СО₂, полусвязанной H₂CO₃, т.е. в виде HCO₃^-, и связанной H₂CO₃, т.е. в виде CO₃^-2. При рН меньше 4,5 HCO₃^- в воде отсутствует и вся H₂CO₃ находится в виде CO₂. При рН = 8,4 только в виде HCO₃^-, при рН больше 10,5 в воде присутствует только CO₃^-2.

Об агрессивности или стабильности воды по отношению к металлу или бетону можно судить по концентрации агрессивной H₂CO₃. Для определения стабильности воды используется индекс Ланжелье.

Как правило, в поверхностных водах присутствие агрессивной H₂CO₃ исключено.

H₂S в природных водах встречается органического (продукт распада органических соединений) и неорганического (растворение минеральных солей – серного колчедана, гипса) происхождения. H₂S в поверхностных водах присутствует в природных слоях в незначительных количествах. В подземных водах его наблюдается до десятков мг/л. Наличие H₂S в воде придает ей неприятный запах, способствует коррозии металлов и может вызвать зарастание трубопроводов в результате интенсивного развития серобактерий. H₂S может присутствовать в зависимости от рН воды в виде слабодиссоциированной кислоты H₂S, гидросульфидных HS^- или сульфидных S^-2 ионов.

О₂ попадает в воду при контакте с воздухом. В артезианских водах О₂ отсутствует, в поверхностных его концентрации довольно велики. В поверхностных водах кислорода меньше теоретического за счет дыхания различных организмов, брожения, гниения органических остатков и т.п. Резкое снижение О₂ в воде указывает на ее загрязнение. Растворенный в воде О₂ интенсифицирует коррозию металла.

N₂ в природные воды проникает из воздуха, при разложении органических остатков, а также восстановлении соединения N₂ денитрифицирующими бактериями. Образующийся в воде в процессе гниения растений NH₃ существенно влияет на технологию хлорирования воды.

CH₄ – присутствует в природных водах в незначительных количествах. Однако, в болотных водах, где в больших объемах протекают процессы разложения клетчатки растительных остатков, соединение CH₄ доходит до 30 мг/л и более.

Биогенные вещества (3группа): азотсодержащие вещества (NH₄⁺, NO₃^-, NO₂^-) образуются в воде в результате восстановления нитритов и нитратов железом (2), H₂S, гумусными веществами и т.д., либо в результате разложения белковых соединений, вносимых в водоем со СВ. В последнем случае вода опасна в санитарном отношении. В поверхностных водах соединения нитрат - ионов достигает тысячных долей мг/л, в подземных – десятых долей мг/л. Наличие в питьевой воде более 50 мг/л NO₃^- приводит к нарушению окислительной функции крови, поэтому по ГОСТ соединение NO₃^- в питьевой воде не должно превышать 10 мг/л.

Соединения фосфора встречаются в природных водах в виде суспендированных частиц минерального и органического происхождения в виде фосфат - ионов или сложного органического комплекса. В природных водах соединения фосфора присутствуют в малых количествах, но оказывают существенное влияние на водную растительность. Концентрация соединений фосфора в питьевой воде не регламентировано.

Микроэлементы – соединения всех остальных химических элементов (4группа) рассмотрим на нескольких примерах.

Соединения Fe и Mn присутствуют в формах, зависящих от величины рН и наличия О₂. Fe может находиться в форме 2-х и 3-х валентных ионов органических и неорганических коллоидов, комплексных соединений, в тонкодисперсионных взвесях FeS, Fe(OH)₂. Примером органического соединения Fe - гуминовокислое Fe содержится в реках, имеющих болотное питание, что придает воде повышенную цветность, например, Волхов. Обычно соединение Fe и Mn в природной воде не превышает нескольких десятков мг/л. Длительное употребление человеком воды с повышенным содержанием Fe может привести к заболеваниям печени. Соединия Fe в питьевой воде должно быть не более 0,3 мг/л, Mn – 0,1 мг/л.

Присутствие в воде Fe и Mn может способствовать развитию в трубах и в теплообменных аппаратах железистых и марганцевых бактерий, продукты жизнедеятельности которых вызывают закупорку труб. Железистые осадки в трубах образуют с металлом труб гальванические микроэлементы, что стимулирует развитие коррозионных процессов.

Соединения кремния встречаются в природных водах в форме органических и минеральных соединений. Количество кремния в воде поверхностных источников невелико и варьируется от десятых долей до нескольких мг/л. Кремневая кислота является слабой и диссоциирует на ионы в незначительной степени. При рН меньше 7 в воде присутствует только недиссоциированные молекулы H₂SiO₃, при более высоких рН часть кислоты может находиться в воде в коллоидном состоянии в форме SiO₂*Н₂О или в форме поликремниевой кислоты xSiO₂*уН₂О. Соединение кремния в питьевой воде лимитируется, но в питьевой воде котлов оно не допустимо из-за образования плотной силикатной накипи.

Фтор в природных водах содержится до 12 мг/л и более. Однако, подавляющее большинство источников водоснабжения характеризуется соединением фтора до 0,5 мг/л. Фтор является активным в биологическом отношении микроэлементом, содержание которого в питьевой воде во избежание кариеса д.б. в пределах 0,7…1,5 мг/л.

Йод в природной воде находится в ничтожно малом количестве. Он является очень важным биологическим микроэлементом, соединение которого в питьевой воде не должно быть менее 10^-8 мг/л во избежание эндемического зоба.

Токсические вещества – мышьяк, стронций, берилий и т.д., а также радиоактивные вещества: уран, радий обычно попадают в водоемы со сбросом СВ. Соединение их в питьевой воде ограниченно ГОСТ.