Факторы, определяющие жесткость природной воды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЖЕСТКОСТЬ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Водные запасы на Земле огромны, они образуют гидросферу - одну из мощных сфер нашей планеты. Гидросфера ‒ это совокупность всех природных вод нашей планеты. Это все океаны, моря, реки, озера, болота, пруды, водохранилища, полярные и горные ледники, подземные воды, что составляют 71% поверхности планеты, то есть 361 млн. км².    

Вода является основной составляющей частью, всех живых организмов. Она присутствует во всех обменах веществ, без воды не может жить человек, животные и растения. Именно вода была средой зарождения и развития на ранних этапах биосферы. Вода – один из лучших растворителей. Изначально в Мировом океане были, в той или иной степени, растворены все вещества Земли. Вода – одно из самых удивительных веществ на нашей планете. Она может быть в разных состояниях. Мы видим её твёрдой (снег, лёд), жидкой (реки, моря) и газообразной (пары воды в атмосфере). Водная среда включает поверхностные и подземные  воды.

Солёные воды мирового океана составляют основную массу воды на планете - в среднем 35 % соли. На свои нужды человечество использует главным образом пресные воды. Их объём составляет чуть больше 2% гидросферы, причём распределение водных ресурсов по земному шару крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных вод. Россия по ресурсам поверхностных вод занимает ведущее место в мире. Потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных вод в России около 230 км3 в год. Для производственной  деятельности  человечества  и   его хозяйственно - бытовых  нужд  требуется  пресная  вода,   количество   которой составляет всего лишь 2,7% общего объема воды на Земле, причем  очень  малая ее доля (всего 0,36%) имеется в легкодоступных для  добычи  местах.  Большая часть  пресной  воды  содержится  в   снегах   и   пресноводных   айсбергах, находящихся в районах в основном Южного полярного круга.  Кроме того, может использоваться часть подземных вод.

Система обеспечения жизни человека построена на «мокрых», то есть использующих воду технологиях.

Вода - самый важный из вовлекаемых в хозяйственную деятельность человека природных ресурсов, по объему ежегодного использования она намного превосходит все вместе взятые другие добываемые ресурсы. Масштабы загрязнения и истощения водных ресурсов планеты в настоящее время приняли угрожающий характер. Именно сейчас, когда темпы водопотребления огромны, многие страны испытывают дефицит пресной воды. Остро встала проблема нехватки пресной воды в густонаселенных районах, крупных промышленных центрах, в местах орошаемого земледелия.

Вода является важнейшим  фактором в размещении производственных сил и часто, как средство производства. Но дело не ограничивается забором воды из природных источников, и в процессе хозяйственной деятельности человечество использует воды значительно больше.

Во-первых, в разнообразных технологических  процессах и системах

производства давно  используется рециклирование воды (повторное и

оборотное водоснабжение). В России, например, почти половина систем водоснабжения в промышленном секторе построена на основе повторного и оборотного водоснабжения.

Во-вторых, человечество использует воду в искусственно созданных

водных объектах - водохранилищах и прудах, где она накапливается и в

последующем используется для разнообразных целей: получения энергии,

орошения земель, речного транспорта, рыболовства и т. д.

Наконец, водные объекты являются средой обитания промысловых рыб

и других гидробионтов, составляющих важную, а в ряде стран

преобладающую часть  рациона. Применяющие орошение сельскохозяйственные предприятия также крупные водопотребители.

Вода обеспечивает три важнейшие  для человечества функции:

1. производство продовольствия,
2. производство энергии и промышленной продукции,
3. бытовое водопотребление и удовлетворение санитарно-гигиенических потребностей.

 Конечно, с нехваткой воды человечество знакомо едва ли не с момента своего возникновения, но ее сегодняшние масштабы совершенно беспрецедентны. Именно поэтому вода стала предметом дискуссий на всех крупнейших форумах планеты последние 25 лет. Важное место занимают водные проблемы в повестках дня саммитов и иных совещаний, проводимых «Большой восьмеркой» и ООН.

В мире основная масса потребляемой воды - 70% - используется в сельском хозяйстве, в основном для орошения. Значительную часть воды -20% - расходует индустрия, а остальная вода - 10% - направляется в коммунальное хозяйство.

Запасы воды на Земле колоссальны, но возможность их использования

ограничена в первую очередь природными факторами, в том числе

экологическими. Огромная масса воды в Мировом океане имеет высокую соленость, запасы пресной воды в ледниковых покровах малодоступны из-за удаленности и состояния в твердой фазе, как и грунтовые льды мерзлых пород. Значительная часть подземных вод минерализована и залегает на больших глубинах, половина массы озерной воды также засолена. Поэтому количество пресной воды, доступной для потребления, оказывается существенно ограниченным.

 

1. Понятие жесткость воды

 

Природная вода никогда не бывает совершенно чистой. Если капельку природной воды нанести на стекло и подождать, пока она испарится, то на месте капли будут видны белые разводы - это кристаллизуются растворимые в воде соли. Наиболее химически чистой является дождевая вода, но и она содержит различные примеси, которые захватывает из воздуха. Попадая на землю, дождевая вода отчасти стекает по поверхности, отчасти просачивается в почво-грунты, образуя подземные воды. Стекая по поверхности земли и в толще почво-грунтов, вода растворяет различные вещества и превращается в раствор. Наиболее растворимые соединения являются самыми обычными составными частями природных вод.

Все воды делятся на поверхностные, грунтовые и подземные. Наименьшую степень минерализации имеют поверхностные воды рек, озер, т.к. они образуются при выпадении осадков и сильно разбавляются ими.

Грунтовые воды (колодцы) протекают по различным поверхностям, образованным осадочными горными породами: песком, глиной, и имеют среднюю степень минерализации.

Наибольшее количество солей содержится в подземных водах (артезианские скважины). Вода, из артезианских источников, это как раз вода, прошедшая под землей через включения различных пород. И каждая оставила в ней свой след в виде различных слоев лежащих на большой глубине различных полезных ископаемых, горных пород, гипса, железосодержащие примесей, извести.

Одно из основных свойств природной  воды – ее жесткость. Свою общую жесткость она получает изначально из-под земли.

Жесткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция (Са²⁺), магния (Mg²⁺), стронция (Sr²⁺), бария (Ва²⁺), железа (Fe³⁺), марганца (Mn²⁺).

Основным источником ионов кальция является  известняки,  а  магния  - доломиты (MgCO3 ,CaCO3). Лучшая растворимость сульфатов и карбонатов  магния позволяет  присутствовать  ионам  магния  в  природных   водах   в   больших концентрациях, чем ионов кальция.

Уже несколько столетий разрабатываются системы классификации природных вод и способы как можно более краткой характеристики качества воды (индекс качества воды). Оказалось невозможным оценить пригодность воды для питьевых, технических, других целей только на основе предложенных универсальных индексов воды. Впервые норматив общей жесткости воды был предложен в 1874 г. в Германии в качестве средней величины жесткости воды водоемов Саксон-Веймарского герцогства.  К настоящему времени создано несколько десятков классификационных систем, рассматривающих большей частью подземные воды и служащих основой для понимания взглядов авторов на становление подземных вод, на то, какие составляющие подземных вод и вообще природных вод главные или более важные. Сегодня наиболее употребительны классификационные системы С.А. Щукарева, О.А. Алёкина и Л.А. Кульского.

Например, классификация О.А. Алёкина делит воду по преобладающим ионам и по соотношению между ними. Все воды делятся на три класса по преобладающему аниону: гидрокарбонатные (карбонатные), сульфатные и хлоридные. Внутри каждого класса выделяют три группы по преобладанию одного из катионов: кальций, магний, натрий (или натрий + калий).

 

Воды типа 1 образуются или в процессе химического выщелачивания изверженных пород, или при обменных процессах Са и Mg на Na. Эти воды чаще всего маломинерализованные, исключение составляют бессточные озера, питаемые подобными водами.  
 
Воды типа 2 - смешанные. Состав их может быть связан генетически как с осадочными породами, так и с продуктами выветривания изверженных пород. К этому типу относятся воды большинства рек, озер и подземные воды малой и умеренной минерализации. 
 
Воды типа 3 - метаморфизированные. Они включают какую-то часть сильноминерализованных вод или вод, подвергшихся катионному обмену Na на Са или   Mg. К этому типу относятся воды океана, морей, лиманов реликтовых  водоемов и многие другие сильноминерализованные воды. 

«Под качеством природной воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01–77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды».

Под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния – общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Временная жесткость вызвана  присутствием в воде гидрокарбонатов  М(НСO3)2 (М = Са, Mg) и Fe(HCO3)2. Если количественно  определяют содержание ионов HCO3-, говорят о карбонатной жесткости, если содержание ионов Са2+, Mg2+ и Fe2+ – о кальциевой, магниевой или железной жесткости. Временная жесткость тем выше, чем больше содержание этих ионов в воде. Жесткость воды назвали временной потому, что она устраняется простым кипячением:

Са(НСO3)2 = СаСO3↓ + Н2O + СO2↑

Mg(HCO3)2 = Mg(OH)2↓ + 2СO2↑

4Fe(HCO3)2 + O2 = 2Fe2O3↓  + 8CO2↑ + 4H2O

Постоянная жесткость  обусловлена другими солями кальция  и магния (сульфаты, хлориды, нитраты, дигидро-ортофосфаты и др.). Такая жесткость не устраняется кипячением воды. Поэтому для удаления из жесткой воды большей части всех солей ее умягчают, используя химические реактивы и специальные (ионообменные) способы.

По стандарту ИСО 6107-1-8:1996, включающему более 500 терминов, жесткость определяется как способность воды образовывать пену с мылом. 

В России жесткость воды выражают в в мг-экв/дм3 или ммоль/л. Так уж сложилось исторически, что наиболее важным приложением была способность мыла намыливаться в воде. Отсюда и все определения. Даже некоторые способы измерения жесткости на этом и основаны. В жесткой воде обычное натриевое мыло превращается (в присутствии ионов кальция) в нерастворимое «кальциевое мыло», образующее бесполезные хлопья. И, пока таким способом не устранится вся кальциевая жесткость воды, образование пены не начнется. На 1 ммоль/л жесткости воды для такого умягчения воды теоретически затрачивается 305 мг мыла, практически – до 530. Но, конечно, основные неприятности – от накипеобразования.

Международные своды нормативов качества воды не нормируют жесткость воды – только отдельно содержание в воде ионов кальция (Са²⁺) и магния (Mg²⁺): нормы качества питьевой воды Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), такие же нормы Европейского Союза (ЕС), стандарты ИСО, а также Национальные нормы питьевой воды США.

 

По значению общей жесткости природные воды делят на группы:

 

Классификация воды по жесткости

Группа воды	Единица измерения, ммоль/л
Очень мягкая	До 1,5
Мягкая	Более 1,5 до 4,0
Средней жесткости	Более 4 до 8
Жесткая	Более 8 до 12
Очень жесткая	Более 12

 

 

2. Действие жесткой воды

2.1 Отрицательное влияние жесткости воды при производстве продовольствия

 

Основой общества служат не промышленные предприятия , а производство продовольствия, которое немыслимо без воды, как и жизнь самого человека.

Как составная часть  выпускаемой продукции, например на консервных заводах, в производстве пива и т.д., вода должна подвергаться такой же тщательной очистке, как  и в хозяйственно-питьевых водопроводах.

Крупнейшим водопотребителем является сельское хозяйство. Для получения 1 т пшеницы требуется 1500 м3 воды, а 1т хлопка - 10000 м3. За вегетационный  период на 1 га кукурузы расходуется 3000 м3, капусты  -  8000 м3, риса - 12 000 - 20 000 м3 воды.

          Доля водозабора из подземных источников в общем объеме водозабора невелика и составляет порядка 10%, но во многих регионах мира

подземные воды широко используются для питьевого водоснабжения  и

орошения. Орошаемое земледелие сконцентрировано в Китае и на

субконтиненте Индостан, в Центральной  Азии, Северной Африке и на

тихоокеанском побережье Южной  Америки. Значительные территории орошения находятся также в США. Так, в  Китае 70% урожая зерновых обеспечивается за счет орошения, в Индии - 50%, в США - 15%.

Во всех этих странах доля подземных  вод в орошении весьма велика.

Центральной и Западной Европе питьевое водоснабжение идет в основном за счет подземных вод.       

России основной источник водоснабжения - речной сток, который  составляет в средние по водности годы 4262 км³. В зависимости от назначения потребляемая вода условно подразделяется на промышленную и питьевую, содержание примесей в которых регламентируется соответствующими стандартами.

2.2 Отрицательное влияние жесткости воды в промышленности

 

Современные предприятия  расходуют огромные количества воды, измеряемые на больших комбинатах миллионами кубических метров в сутки.

Теплоэлектростанция мощностью 1 млн кВт потребляет более 1 км3 воды в год; АЭС той же мощности - не менее 1,5 км3. Средний расход воды на производство 1т стали составляет около 250 м3, 1т бумаги - 200 м3, 1 т химического волокна - более 4000 м3, меди - 500 м3, целлюлозы - 1500 м3.

Большая часть этой воды (главным  образом, теплотехническая) может после  охлаждения или очистки вновь возвращаться на то же производство: в случае возврата она называется оборотной водой. Вода на промышленных предприятиях расходуется на хозяйственно - питьевые нужды, поливку территорий, пожаротушение и технические (производственные) нужды. Во многих производствах химической, металлургической, пищевой и легкой промышленности вода используется как универсальный растворитель твердых, жидких и газообразных веществ. В гораздо больших размерах используется вода как теплоноситель.