Природная и техническая вода. Природная вода

Природная и техническая вода

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химии

Методические указания

Санкт-Петербург

2003

В методических указаниях рассмотрены показатели качества природной и технической воды, виды природных вод, их состав. Особое внимание уделяется методам водоподготовки, применяемым в технике для получения технической воды.

Указания предназначены для студентов Санкт-Петербургского государственного морского технического университета, обучающихся на технических специальностях.

ГРИГОРЬЕВА

Нина Дмитриевна

ТАЛАНОВА

Эльвира Исаковна

ГРИЦКЕВИЧ

Анна Игоревна

ПРИРОДНАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ВОДА

Методические указания

Вода – самое распространеннное вещство на поверхности Земли (общий запас воды составляет 1.41018 тонн). Она является наиболее важным и наименее понятным растворителем в природе.

Вода – оксид водорода, имеющий простейшую формулу Н2О. Однако молекулы воды сильно полярны, и между ними возникает сильное межмолекулярное взаимодействие – водородные связи. Их существование приводит к образованию ассоциатов – непрочных соединений переменного состава: (Н2О)n (n = 1 – 4, если n=1 – пар, n=2 – жидкость, n=3-4 – твердое тело). Образование ассоциатов обусловливает аномальные свойства воды:

Плотность воды возрастает при понижении температуры только до +4оС и достигает при этой температуре максимального значения – 1г/см3 (поэтому в водоемах холодная вода опускается вниз). При понижении температуры от +4оС до 0оС плотность немного уменьшается, а при замерзании она резко падает; плотность льда 0.91г/см3 , т.е. он легче воды.

Температуры плавления (tпл) и кипения (tк) воды гораздо выше, чем у аналогичных соединений (h3S , h3Se – газы), поскольку сильное межмолекулярное взаимодействие затрудняет переход твердое тело  жидкость  газ.

Вода обладает максимальной среди жидкостей теплоемкостью. Благодаря этому она оказывает огромное влияние на климат и погоду на Земле.

Вода обладает отличной растворяющей способностью. Поскольку ее молекулы полярны, полярные вещества (соли, кислоты, щелочи) при растворении в ней подвергаются диссоциации, т.е. распадаются на ионы.

Природная вода

Природная вода – раствор многих веществ в воде. В природной воде содержатся соли, газы, органические вещества и т.д. Качество природной воды определяют путем химического анализа. Основными характеристиками природной воды являются ее соленость и жесткость.

Под соленостью природных вод понимают массу солей (в г), содержащихся в 1л природной воды. Содержание солей определяется составом грунтов, на которых расположен водоем. Из растворенных солей наиболее распространены сульфаты и хлориды натрия, кальция и магния.

По содержанию солей природные воды делятся: на пресные, соленость которых не превышает 1 г/л, на минерализованные, содержащие от 1 до 50 г/л, и на рассолы – свыше 50 г/л солей. На Земле содержится только 3% пресной воды, 97% - вода соленая.

Жесткость воды определяется количеством содержащихся в воде ионов кальция и магния. Она выражается в мэкв/л. Жесткость воды, обусловленная присутствием гидрокарбонатов кальция и магния (Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2), называется карбонатной (устранимой, временной). Сульфаты, хлориды, гидросиликаты (CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2, Ca(HSiO3)2, Mg(HSiO3)2) определяют некарбонатную (неустранимую, постоянную) жесткость. Вода считается мягкой, если ее жесткость менее 4 мэкв/л. У воды средней жесткости жесткость колеблется от 4 до 8 мэкв/л, у жесткой воды – от 8 до 12 мэкв/л. Если жесткость воды превышает 12 мэкв/л, то такая вода – очень жесткая. Масса 1 мэкв Ca2+ составляет 20 мг, 1 мэкв Mg2+ составляет 12 мг.

Щелочность воды обусловлена присутствием в воде солей слабых кислот и сильных оснований, которые в результате гидролиза создают щелочную среду:

Na2CO3 + h3O = NaHCO3 + NaOH.

Газы (О2, СО2, N2 и др.) появляются в природной воде вследствие растворения атмосферных газов и химических процессов, протекающих в водоемах. В 1л природной воды содержится от 2 до 8 мл кислорода, т.е. его в 160 раз меньше, чем в воздухе. Однако относительное содержание О2 в воде больше:

где С(O2), C(N2) – концентрации соответствующих газов.

Хорошо растворяется в воде углекислый газ, благодаря взаимодействию с водой: СО2 + Н2О = Н2СО3 = Н+ + НСО3-.

Различают три вида природных вод: атмосферная влага, материковые воды и морская вода.

Атмосферная влага (дождевая вода, снег, лед) содержит наименьшее количество примесей – это только пыль и растворенные газы.

Материковые воды (реки, озера) содержат вещества, попадающие в них из грунтов и почв. Так минеральный состав речной воды определяется химическим составом пород, слагающих бассейн реки, рельефом, климатом. Материковые воды делятся на поверхностные и подземные. Поверхностные воды содержат от 0.05 до 1.6 г/л солей. В основном это катионы Са2+, Mg2+ и Na+ и анионы НСО3-, SO42- и Cl-. В материковых водах чаще всего наблюдается соотношение концентраций анионов: НСО3- >SO42- > Cl- и катионов: Са2+> Mg2+ > Na+. Особенно богаты Са2+ и Mg2+ (т.е. являются жесткими) воды рек (озер), протекающих по известковым породам (СаСО3 – известняк, СаСО3 MgСО3 – доломит). По значениям солености воды рек делятся следующим образом:

малая соленость – до 0.2 г/л;

средняя - 0.2 – 0.5 г/л;

повышенная - 0.5 – 1 г/л;

высокая - более 1 г/л.

Большинство рек нашей страны отличаются невысокой соленостью и содержанием Са2+ и НСО3-. Вода большинства рек мира имеет малую и среднюю соленость (Таблице1).

Таблица 1

Соленость некоторых рек

Подземные воды отличаются высокой минерализацией, т.е. высоким содержанием солей.

Морская вода (воды морей и океанов) представляет собой полностью ионизированный раствор солей (78% из которых составляет хлорид натрия NaCl), содержащий немного взвешенных частиц, газов и органических веществ. В морской воде найдено 70 из 106 элементов. Главными особенностями морской воды являются ее высокая минерализация (средняя соленость – 35 г/кг) и слабощелочная реакция (рН изменяется в пределах от 7.6 до 8.4). В таблице 2 приведен средний солевой состав морской воды.

Таблица 2

Средний солевой состав морской воды.

Соленость морской воды характеризуется промилле и определяется суммарной массой всех солей, содержащихся в 1 кг воды. 1о/оо (один промилле) = 1г солей/1кг морской воды. Соотношение концентраций катионов в морской воде: Na+ > Са2+> Mg2+ и анионов Cl- > SO42- > НСО3-.

Соли в океан поступают с материковым стоком, при растворении береговых пород и донных осадков. Соленость морской воды изменяется от 32 до 39о/оо. Внутренние моря с большим притоком пресной воды из впадающих рек имеют меньшую соленость. Моря, в которых испарение преобладает над количеством выпадающих осадков, имеют повышенную соленость (Красное море – 40-41о/оо). В Балтийском море выпадает много осадков, а испарение невелико, кроме того, в него впадает около 200 рек, поэтому соленость его мала (7о/оо). Из океанов самой малой соленостью отличается Северный Ледовитый океан (34.1о/оо). Соленость поверхностных вод Тихого океана - 34.85о/оо, Атлантического океана – 35.3о/оо. Соленость ряда морей приведена в таблице 3.

Таблица 3

Соленость некоторых морей

Слабощелочная среда морской воды обусловлена содержанием небольшого количества солей, образованных сильными основаниями и слабыми кислотами (Na2CO3, Nah3BO3, Nah3PO4, NaHS и др.), при гидролизе которых образуется щелочь. Величина рН в Мировом океане лежит в пределах от 7.6 до 8.4. В изолированных морях пределы изменения рН несколько шире. Например, в Балтийском море рН изменяется от 7 до 8.6.

Растворенные газы в морской воде появляются в результате растворения атмосферного воздуха, биологических и химических процессов, протекающих в толще воды и на дне океана. Содержание кислорода в морской воде достигает 12мг/кг, причем наиболее насыщены им поверхностные воды (глубиной до 200м).

Увеличению содержания кислорода способствуют фотосинтез растений и волнение морской поверхности. Диоксид углерода взаимодействует с водой, поэтому содержание его в морской воде в 15 раз больше, чем кислорода. Сероводород h3S образуется в результате деятельности сульфатвосстанавливающих бактерий и разложения сераорганических соединений в отдельных районах морей и океанов (Черное море, впадины Красного и Балтийского морей).

studfiles.net

Пресноводные водоемы и природная вода – насколько важны они в гидросфере Земли? | Мир вокруг нас

Поверхностные воды суши

По сравнению с океаном, пресные воды занимают небольшую часть поверхности Земли; на их долю приходится лишь около 0,5% общего объема гидросферы. Однако для человека континентальные водоемы и водотоки играют столь же важную роль, как и океанические.

Во-первых, континентальные водоемы и водотоки — основной источник пресной воды для бытовых и промышленных нужд. Во-вторых, пресноводные экосистемы используются человеком как удобные и дешевые системы переработки отходов.

Естественные пресноводные биотопы можно разделить на два класса: стоячие водоемы (озера, пруды, старицы) и проточные водотоки (реки и ручьи). Резких границ между этими группами, а тем более внутри каждой из них, не существует.

В целом, стоячие водоемы обладают малой динамической активностью. В них могут возникать застойные зоны, характеризующиеся дефицитом кислорода.

Главной особенностью водотоков является наличие более или менее выраженного течения, которое, как правило, усредняет распределение физических условий водной среды.

Под влиянием направленного антропогенного воздействия в гидросфере сформировался третий, весьма обширный класс биотопов с промежуточными свойствами. Это — водохранилища, сочетающие в себе признаки водоемов и водотоков.

Пресные водоемы отличаются от океанических разнообразием условий и высокой степенью дискретности. Изолированность континентальных водоемов и водотоков друг от друга, индивидуальность гидрологического режима и большая зависимость от сухопутного окружения создают весьма существенные различия между водоемами даже в географически близких районах. Особенно вариабельны искусственные водоемы, из которых одни подвергаются прогреванию (сброс теплых вод), другие сильному загрязнению, третьи — периодическому осушению и промерзанию.

Пресная вода на планете составляет менее 3% от общих ее запасов, из них 75% находится в Арктике и Антарктике, 20% приходится на подземные воды и только 1% сосредоточен в реках, озерах и облаках. Для многих регионов проблема пресной воды является одной из самых важных экологических проблем.

Что такое природная вода?

Природная вода представляет собой раствор солей, органических веществ и газов. В основном природная вода образуется в результате выпадения дождей, реже она имеет глубинное происхождение, то есть представляет собой конденсат паров, поднимающихся из земных недр.

Химический состав озерных, речных и грунтовых вод меняется в широких пределах и зависит от состава пород, почвенного покрова и растительности.

В настоящее время имеется несколько классификаций химического состава природных вод. Например, по гидрохимическим показателям в природных водах определяются следующие важные характеристики:

1. Главные соединения, содержащиеся в воде, называются макрокомпонентами. К ним относятся соединения калия, натрия, магния, кальция. Следует заметить, что в океанической воде, независимо от абсолютной концентрации, соотношение между главными компонентами основного солевого состава остается всегда постоянным.

2. Концентрация растворенных газов (кислорода, азота, сероводорода, аммиака и метана) определяется их парциальным давлением.

3. Биогенные элементы (продукты жизнедеятельности организмов) — главным образом неорганические соединения азота и фосфора. Их концентрация в пресных водоемах изменяется в очень широких пределах: от следов до 10 мг/л. К биогенным элементам относятся также соединения кремния, находящегося в воде в виде коллоидных или растворенных форм, соединения железа, в основном в форме коллоидных гидроксидов железа или органических комплексов.

4. Растворенные органические вещества (РОВ), то есть органические формы биогенных элементов. Эта группа включает практически все классы органических соединений. В эту группу входят вещества, придающие воде запах и цвет.

5. Микроэлементы. В эту группу входят все металлы, например, медь, марганец. Они встречаются в природных водоемах в очень малых концентрациях.

6. Живая биомасса бактерий и микроорганизмов.

Поверхностные природные воды характеризуются высоким содержанием нерастворимых веществ — в частности, органических соединений. Помимо частиц песка и глины, они содержат лесс, илистые вещества, различные карбонаты, гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, гидроксиды алюминия, марганца и железа, высокомолекулярные органические примеси гумусового происхождения (иногда в виде органоминеральных комплексов), планктон и др. Содержание взвешенных частиц в поверхностных водоемах меняется от нескольких единиц до десятков тысяч на литр. Размеры частиц веществ, находящихся во взвешенном состоянии, варьируются от грубодисперсных до коллоидных.

За счет антропогенной деятельности в химический состав природных вод можно внести еще одну разновидность соединений — это токсичные загрязняющие вещества: тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), фенолы. При хлорировании природной воды в ней могут также образоваться диоксины.

Всего в природных водах в заметных количествах содержится около 50 химических элементов.

Гидросфера, как и все другие геосферы планеты, имеет естественный радиоактивный фон. Его основными источниками являются изотопы калия, урана, тория, протактиния и продукты их распада. Например, более 90% общей радиоактивности морской воды формируются изотопами урана, тория и радия. Естественная радиоактивность дождевой воды иногда может достигать довольно высокой величины, которая, однако, достаточно быстро уменьшается со временем. Это обусловлено наличием в такой воде короткоживущих продуктов распада инертного газа радона.

Природная вода, которой мы пользуемся ежедневно, — не простое химическое соединение. Она различна в разных регионах, а ее химический состав зависит от совокупного действия множества факторов.

shkolazhizni.ru

Природная вода

Вода является неоценимым природным богатством. Она принадлежит к числу непрерывно возобновляемых природных ресурсов. Возобновление водных ресурсов и их формирование происходит в процессе круговорота воды на Земле.

Обилие света, тепла и влаги благотворно для бурного развития растительности. Но если воды недостаточно — на многие тысячи километров протягиваются степи, а там, где осадков совсем мало, царит пустыня. Вот почему говорят, без воды нет жизни.

Существуя на нашей планете в виде жидкости, льда и пара, природная вода никогда не остается веществом «чистым» — в ней растворены различные газы, твердые, жидкие вещества, и даже пресной называют воду, на литр которой приходится до одного грамма солей.

Между тем, чистая и свежая природная вода необходима прежде всего как для непосредственного жизнеобеспечения каждого человека, так и для экономического и социального развития человечества. Пресные воды, формирующие водные ресурсы человечества, целиком обязаны своим существованием непрерывному естественному опреснению природной воды в процессе ее глобального круговорота.

По сути дела, круговорот воды в природе представляет собой процесс опреснения; с поверхности земли влага испаряется в атмосферу, а водяной пар здесь при определенных условиях конденсируется и выпадает в виде атмосферных осадков — дождя и снега.

С ростом численности населения на земном шаре потребности людей в воде резко возрастают. В современном городе количество воды только на бытовые нужды огромно, не говоря уже о потреблении ее на производственные нужды. Так для производства 1 тонны продукции требуется воды (в м3):

• стали — 25,
• резины — 4000,
• синтетического бензина — 50—90,
• соды — 300,
• искусственного шелка — 400,
• бумаги — 550—730 и т. д.

Поэтому из года в год на Земле более остро ощущается нехватка пресной воды. Специалисты указывают, что в перспективе потребность в пресной воде только на орошение удвоится. Площадь орошаемых земель на отдаленную перспективу увеличивается приблизительно в 2 раза. Повышается водопотребление и в промышленности.

Ученые определили, что скоро водопотребление превысит объем всей воды, содержащейся в реках. Так, если не прекратить «разбазаривание», то к 2020 году потребности нашей планеты будут в 2,5 раза превышать запасы вод всех рек и озер.

На сегодняшний день пресная вода хорошего качества стала товаром на международном рынке.

В связи с катастрофическим загрязнением рек и морей, появились частые заболевания дизентерией, гепатитом, гастроэнтеритом, диареей. Такими болезнями страдает более 25 миллиона жителей планеты. Поэтому как никогда вопрос защиты природы требует огромных усилий всего мирового сообщества.

Свыше 14 тысяч кубических километров природной воды (намного больше, чем в реках) содержится каждый отдельный миг в атмосфере. Прольются ли на земле сернокислотные или радиоактивные дожди, это во власти людей.

По данным ученых, в нашей стране ежегодно расходуется более 500 кубических километров пресного стока — столько одновременно в руслах всех отечественных рек. Мы у критической черты, нужны кардинальные меры в защиту водотоков, озер и морей! Мозг человека «забирает» три четверти потребляемой организмом воды. Выходит, какова вода, таковы... и мысли. Хотим мыслить разумно — давайте пить чистую, здоровую воду.

В странах бывшего СССР 12% всей питьевой воды не соответствует санитарным нормам по бактериологическим показателям, а в некоторых эта цифра выше: в Таджикистане — 22,0%, в Туркмении — 25%, в Азербайджане — 25,4%.

Уже в наши дни США покупают чистую воду в Канаде, Германии транспортирует ее из Швеции. В Греции питьевая природная вода дороже виноградного вина. Очень дорога она в Японии и в ряде других стран мира. Не случайно, что от нехватки чистой воды или ее загрязнения в мире болеет более полумиллиарда людей в год и умирает по этой причине до 2 миллионов новорожденных детей.

Поданным ООН, 80% (более 1 млрд.) сельских и более 20% городских жителей не обеспечены доброкачественной питьевой водой. От этого в мире каждый год умирает 9 млн. людей. Поэтому 80— 90-е годы ООН объявила «десятилетием питьевого водоснабжения». Зато Московская очищенная природная вода от вредных бактерий свободна. Правда, содержит хлорорганические соединения, в частности хлороформ. Если пить ее изо дня в день, можно спровоцировать онкологические заболевания.

Даже в Карелии пользоваться питьевой водой рекомендовано только кипяченой.

Более 50% населения России вынужденно пользуются питьевой водой, не соответствующей гигиеническим требованиям по различным показателям.

Так сток Волги снижен на 10 процентов, а Дона, Кубани, Терека, и Сулака на 25—40 процентов по сравнению с потенциальным. Это обстоятельство, как и зарегулированность рек плотинами, снижает способность водных экосистем к самоочищению.

bytrina11.ru

Состав природных вод

Как известно ученым всего мира – состав природных вод на всей поверхности планеты, имеет некоторые отличия в зависимости от территории, на которой они находятся. На самом деле – природная вода, это скорее раствор, который имеет в своем составе  и растворенные газы, и разнообразные химические соединения. 

Чтобы определить качество воды, необходимо принять во внимание всю совокупность концентраций примесей, которые в ней имеются. Можно выделить несколько показателей.

Во-первых, это физические свойства воды – цвет, температура, вкус и запах, прозрачность – наличие взвеси.

Во-вторых, анализируются химические свойства воды, такие как жесткость, окисляемость, активная реакция и сухой остаток.

В-третьих, анализу подвергаются ее биологические свойства. Необходимо определить то, сколько бактерий живет в водоеме и всех гидробионтов (живые существа, населяющие конкретный водоем).

Одним из самых важных и главных признаков любой природной воды является ее прозрачность. В зависимости от того, каков состав природных вод, меняется их прозрачность, а значит и глубина проникновения в глубину солнечного света. Чтобы определить, насколько прозрачна вода, в нее опускают белый диск или диск Секи (именно этот исследователь в свое время изобрел очень простой и удобный способ для определения проницаемости солнечного света).  Интересно, что главным местом, где трудился преподобный Секи была обыкновенная католическая церковь, где он занимал должность священнослужителя. И в гидрологической науке данный способ исследования непременно называют божественным даром или вкладом Ватикана в процедуру изучения экосистем водоемов.

То, насколько будет прозрачной вода, зависит от того, какие вещества в ней растворены, присутствуют ли в ней белковые вещества, жиры, органические кислоты, органика, гумусовые отложения. При этом цветность вод, чаще всего определяется именно наличием гумусовых отложений. Интересно, что гумусовые вещества, которые не могут раствориться в воде, встречаются в ней только в состоянии взвеси, в коллоидном истинном виде растворения находятся только гуминовая кислота и некоторые другие соединения.  Особенно часто они встречаются в виде солей металлов щелчеземельных или щелочных.

При этом цветность вод несколько изменяется в зависимости от увеличения жесткости (для поверхностных вод) или щелочности (для гидрокарбонатных вод).  Если же вода мягкая и имеет большой показатель щелочности, то, скорее всего, у нее будет более высокая цветность. Кроме того, зачастую вода оказывается окрашена соединениями железа, которые образуются в период «цветения» рек и озер или обуславливаются стоками промышленных отходов. 

Есть и показатель мутности, который выражается, прежде всего, в том, что в воду попадают взвешенный частицы, такие как планктон, песок, глина  или ил. Мутность обычно определяют при помощи значений мг/л, ее определяют при помощи колориметра. 

Состав природных вод, кроме того, влияет на такой показатель как рН. Природные воды можно разделить на несколько групп. В первой группе оказались природные воды, которые имеют рН от 1 до 3, это кислые воды. Слабокислые воды имеют рН от 4 до 6. Есть и нейтральный воды, которые имеют показатель в районе 7 единиц.  Следующая группа от 8 до 10 – слабощелочная вода. А щелочные воды имеют рН свыше 11. Чаще всего природная вода имеет рН, который колеблется в небольших пределах от 6,6 до 8,8. Но иногда, из-за того, что стали обыденностью кислотные дожди, в некоторых  водоемах кислотность может достигать значений в 4 или чуть ниже. 

В сухом остатке можно увидеть все примеси, которые имеют не органическое происхождение. Этот остаток выявляется при выпаривании необходимого объема вод при температуре, которая составляет 110 градусов.  Это производится до того момента, пока масса остатка не будет составлять постоянную величину.  Если же в водах содержится большое число хлоридов, то можно ожидать то, что в результате выпаривания мы получим довольно большое количество сухого остатка.

Марганец и железо можно встретить в поверхностной воде только в виде минеральных или органических соединениях комплексного типа. Также, они встречаются и в виде коллоидного раствора, а также мелкодисперсной смеси. Это содержание марганца и железа может составлять порядка нескольких  десятков мг/л

Для природной воды, кроме того, можно определить и такой показатель, как окисляемость. Окисляемость, это свойство воды, связанное с тем, что в ее составе имеется двухвалентное железо, сероводород или сульфиты. Если в воде определена повышенная окисляемость, это может свидетельствовать только о том, что она подвержена  повышенному уровню загрязнения. Окисляемость обычно является главной характеристикой для того, чтобы определить ее гигиеническое состояние.

Кроме того, в природной воде могут оказываться нитриты и нитраты – азотосодержащие вещества, которые образуются при взаимодействие гумусовых элементов и сероводорода. Эти реакции носят окислительно-восстановительный характер. Также, они могут образовать при разложении элементов, имеющих в своей основе  белок. К примеру, нитраты железа могут восстанавливаться сероводородом, в результате чего образуется нитрит. По форме азотосодержащих соединений, можно производить интересные исследования, такие как определение того, в какое конкретно время произошло поступление в водоем вод из стока.  К примеру, если в составе воды определены ионы аммония, это может свидетельствовать о том, что загрязнение было произведено совсем недавно.

Надо отметить, что огромное воздействие на состав воды, и изменение его химических элементов влияет то, какое именно у этой воды питание. К примеру, весной, когда реки питаются преимущественно грунтовыми водами и подземными источниками, в ней наблюдается наименьшая минерализация. В итоге, можно сделать вывод о том, что природная вода имеет в своем составе множество элементов, которые склонны к периодическому изменению. 

news-mining.ru

Смотрите также

• 
  Оксид вода
• 
  Вода оксид
• 
  Вода кислота
• 
  Черелия вода
• 
  Вода черелия
• 
  Артезианские воды
• 
  Водопроводная вода
• 
  Вода красноусольская
• 
  Гидролиз воды
• 
  Дух воды
• 
  Активированная вода