Физико-химические параметры качества воды
Для оценки пригодности воды к употреблению в питьевых целях и применению в энергетике ключевыми характеристиками служат:
- концентрация дисперсных твёрдых частиц (влияет на прозрачность, мутность, коллоидный индекс);
- общее солесодержание (минерализация, величина сухого остатка);
- активность водородных ионов (pH);
- общая жёсткость и её компоненты;
- окисляемость (количество органических соединений);
- щёлочность и её составляющие;
- присутствие газов, вызывающих коррозию (кислород и углекислый газ);
- микробиологические показатели;
- цветность.
Для конкретных технологических процессов дополнительно требуется контроль специфических примесей: хлоридов, карбонатов, сульфатов, силикатов, радионуклидов и др.
1. Концентрация взвешенных частиц
Параметр отражает количество твёрдых микро- и макрочастиц в воде. Единица измерения — мг/л. Методика определения: один литр воды пропускают через бумажный фильтр, который после этого высушивают при температуре выше 100 °C до неизменной массы. По разнице веса фильтра до и после процедуры судят о массе частиц. Косвенными характеристиками служат прозрачность, мутность и коллоидный индекс.
2. Мутность
Мутность описывает изменение световых лучей при прохождении через водную среду. Классический способ основан на определении толщины водного слоя, через который ещё различима стандартная мишень из чёрных и белых кругов. Фотометрические методы точнее: они измеряют ослабление света от эталонного источника в слое заданной толщины. Калибровка фотометров выполняется по жидкостям известного состава. В России результат выражают в мг/л (по суспензии каолина) либо в ЕМ/л (единица мутности на литр) с использованием формазина — эта единица называется ЕМФ (единица мутности по формазину).
За рубежом распространён фотометрический метод с измерением светорассеяния под углом 90°, где также применяется формазин для калибровки. Источник света варьируется от светодиода с длиной волны 860 нм до лампы накаливания с цветовой температурой 2200–3000 К в зависимости от национального стандарта. Единица измерения — NTU.
Несмотря на разные методики и названия, основные единицы мутности численно эквивалентны:
1 FTU (ЕМФ) = 1 FNU = 1 NTU = 1 ЕМ/л.
ВОЗ не устанавливает норматив мутности по критерию влияния на здоровье, но для органолептических свойств рекомендует уровень не выше 5 NTU, а для обеззараживания — не более 1 NTU.
3. Прозрачность
По степени прозрачности воду классифицируют как прозрачную, слабоопалесцирующую, опалесцирующую, слегка мутную, мутную, сильно мутную. Мерой служит высота столба воды, при которой виден опускаемый белый диск Секки заданного размера либо читается шрифт определённого типа (обычно средней жирности, высота 3,5 мм) на белой бумаге. Результат выражают в сантиметрах с указанием метода измерения.
4. Коллоидный индекс (индекс плотности осадка, SDI)
Показатель характеризует количество тонкодисперсных взвесей и коллоидных частиц в обрабатываемой воде. Он применяется для оценки эффективности процессов водоподготовки, направленных на удаление механических примесей, и для прогнозирования срока непрерывной работы мембран обратного осмоса или нанофильтрации.
Индекс рассчитывают по изменению скорости фильтрации определённого объёма раствора через микрофильтр с порами 0,45 мкм.
Производители современных мембранных элементов для нанофильтрации и обратного осмоса рекомендуют значение SDI не выше 5, а для бесперебойной эксплуатации установок — не более 3.
5. Общая минерализация
Под общей минерализацией понимают сумму концентраций всех растворённых веществ. Синоним — общее солесодержание, поскольку основную долю составляют неорганические соли (бикарбонаты, хлориды, сульфаты кальция, магния, калия, натрия). Растворимая органика вносит незначительный вклад.
6. Солесодержание воды
Солесодержание — это суммарная концентрация минеральных солей и органических веществ, выражаемая в мг/л. Зарубежный аналог — ppm (частей на миллион), что численно соответствует мг/л. Оперативные методы: измерение сухого остатка либо удельной электропроводности (принцип работы недорогих TDS-метров). По сути, минерализация и солесодержание — одно и то же, различаются лишь способы определения.
6.1. Метод сухого остатка
Сухой остаток находят выпариванием одного литра предварительно отфильтрованной пробы воды с последующей сушкой при 105–110 °C до постоянной массы. Общая минерализация и сухой остаток не идентичны: при выпаривании теряются летучие органические соединения. Расхождение обычно не превышает 10%. Если сухой остаток прокалить при 800 °C, получится прокалённый остаток за счёт сгорания органики и разложения карбонатов.
6.2. Удельная электрическая проводимость (См/м) и удельное сопротивление (Ом/м)
Эти параметры отражают суммарное содержание ионогенных примесей и зависят от концентрации, температуры и степени диссоциации ионов. Электропроводность позволяет быстро и достаточно точно оценить общее солесодержание (приводится график зависимости).
7. Водородный показатель (pH)
pH показывает активность свободных ионов водорода. Рассчитывается как отрицательный десятичный логарифм концентрации H⁺: pH = –lg[H⁺]. Величина pH определяется соотношением ионов H⁺ и OH⁻, образующихся при диссоциации воды. При низком содержании H⁺ (pH > 7) среда щелочная, при высоком (pH < 7) — кислая. В идеальной дистиллированной воде pH = 7 (нейтральная). Растворение химических веществ нарушает этот баланс.
Значение pH — критический параметр, определяющий выбор типов мембран и методы предварительной подготовки воды перед мембранным разделением.
8. Жёсткость воды
Жёсткость — один из главных показателей качества. Общая жёсткость (Ж₀) — сумма концентраций катионов кальция и магния. В СИ выражается в моль/л, но на практике используют мг-экв/л (для больших значений) или мкг-экв/л (для малых). При значительном содержании стронция (характерно для севера России) его также учитывают.
Зарубежные единицы жёсткости:
- немецкий градус (°H),
- французский градус (°t),
- американский градус,
- ppm CaCO₃ (мг/л CaCO₃).
Примечание: 1 °H = 10 г/л CaO = 17,86 мг/л CaCO₃ = 15,1 мг/л MgCO₃; 1 °t = 10 мг/л CaCO₃; 1 американский градус = 1 мг/л CaCO₃; 1 английский градус = 14,29 мг/л CaCO₃.
Общая жёсткость делится на карбонатную (временную) — обусловлена бикарбонатами Ca и Mg, и некарбонатную (постоянную) — обусловлена хлоридами, сульфатами и другими солями Ca и Mg. Таким образом, Ж₀ = кальциевая + магниевая жёсткость = карбонатная + некарбонатная жёсткость.
Классификация природных вод РФ по общей жёсткости:
9. Щёлочность воды
Щёлочность (Щ₀) — суммарная концентрация анионов слабых кислот и гидроксид-ионов, выражается в мг-экв/л. Различают гидратную, карбонатную, бикарбонатную, силикатную, гуматную, фосфатную щёлочность. В большинстве природных вод преобладают бикарбонаты, поэтому общая щёлочность практически совпадает с бикарбонатной. Термин «щёлочность» связан с тем, что добавление солей указанных кислот или щелочей придаёт раствору щелочную реакцию.
Все эти вещества реагируют с сильными кислотами. Общую щёлочность определяют по количеству кислоты, затраченной на титрование с метилоранжем (переход при pH ≈ 4,4) и фенолфталеином (переход при pH ≈ 8,2). Сравнение расхода кислоты (М — с метилоранжем, Ф — с фенолфталеином) позволяет установить вид щёлочности:
10. Углекислотное равновесие
Анионный состав природных вод в основном определяется угольной кислотой, которая может присутствовать в виде анионов CO₃²⁻, HCO₃⁻ или свободного растворённого CO₂. Для выбора технологии очистки важно их соотношение, зависящее от pH. При pH = 4,3 вся углекислота — это CO₂ и гидратированная форма H₂CO₃. С ростом pH доля CO₂ падает, а доля HCO₃⁻ растёт; при pH = 8,3 практически вся угольная кислота — в виде HCO₃⁻. При pH = 12 она представлена только CO₃²⁻. Равновесие описывается уравнением:
2HCO₃⁻ ⇄ CO₃²⁻ + CO₂ + H₂O
Следовательно, для поддержания заданной концентрации HCO₃⁻ требуется эквивалентное количество свободной CO₂. Растворимость CO₂ зависит от температуры и парциального давления в воздухе. При изменении условий содержание CO₂ может временно отличаться от равновесного, что в природной воде, содержащей соли жёсткости, вызывает самопроизвольные процессы — выпадение осадка или растворение твёрдой фазы.
11. Стабильность воды
Стабильной называется вода, которая не склонна к образованию отложений карбоната кальция и не проявляет агрессивных свойств. Такое состояние достигается при равновесии между растворённой углекислотой и ионами кальция.
12. Органические вещества
Прямое определение концентрации органики сложно, поэтому используют косвенные показатели — окисляемость (мг O₂/л). В качестве окислителей применяют:
- перманганат калия KMnO₄ (перманганатная окисляемость, метод Кубеля);
- бихромат калия K₂Cr₂O₇ (химическое потребление кислорода, ХПК).
Окисляемость выражают количеством мг KMnO₄ или K₂Cr₂O₇ на 1 л воды, пересчитанным на кислород. Бихроматная окисляемость обычно в 2–2,5 раза выше перманганатной; разница позволяет судить об устойчивости органических примесей к окислению.
За рубежом перманганатную окисляемость указывают и в мг O₂/л, и в мг KMnO₄/л (соотношение примерно 1:5).
Окисляемость чистых грунтовых вод — 1–3 мг O₂/л, поверхностных источников — до 10–12 мг O₂/л. Воды болотного происхождения и паводковые периоды дают окисляемость выше 30 мг O₂/л.
Другой косвенный показатель — общий органический углерод (TOC, Total Organic Carbon), определяемый современными приборами. Он включает растворённую органику и микроорганизмы.
13. Цветность
Цветность — показатель, характеризующий интенсивность окраски воды. Определяется сравнением с эталонами платиново-кобальтовой шкалы, выражается в градусах. Цветность природных вод варьирует от единиц до тысяч градусов.
Окраска обусловлена в основном гуминовыми и фульвовыми кислотами, а также соединениями трёхвалентного железа и некоторых других металлов (естественные примеси или продукты коррозии).
14. Микробиологическая загрязнённость
Вода служит средой для вирусов, бактерий, простейших и сложных микроорганизмов. В качестве индикаторного организма выбрана кишечная палочка. Её содержание выражают:
коли-титр (объём воды в см³, содержащий одну палочку);
коли-индекс (число палочек в 1 литре).
По ГОСТ, для питьевой воды коли-титр должен быть не менее 300 (коли-индекс не более 3).
15. Температура воды
Температура влияет на вязкость, растворимость и скорость диффузии ионов, что делает её важным фактором, определяющим эффективность работы мембранных установ