Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Вода — основа життя
Сполука Гідрогену з Оксигеном вода є життєвим середовищем усіх біологічних систем. Вода — це одна з найпоширеніших на Землі сполук. Молекули води виявлені у міжзоряному просторі, вона входить до складу планет сонячної системи і її супутників. Кількість води на поверхні Землі оцінюється в 1,39·1018 т, більша частина її знаходиться у морях і океанах. Кількість доступних для використання прісних вод у річках, озерах, болотах і водосховишах складає 2·1014 т. Маса льодовиків Антарктики, Антарктиди і високогірних районів — 2,4·1016 т, приблизно стільки ж є підземних вод, причому тільки невелика їх частина — прісні. У глибинних шарах Землі утримується значно більше (очевидно, не менше, ніж на порядок) води, ніж на поверхні. В атмосфері знаходиться біля 1,3·1013 т води. Вода входить до складу багатьох мінералів і гірських порід (глин, гіпсу, алюмосилікатів і ін.), присутня у грунті, є обов'язковим компонентом всіх живих організмів, входить до складу харчових продуктів.
1.Фізико-хімічні властивості води
Існує 9 стійких ізотопних різновидів води. Вміст їх у прісній воді у середньому наступний (мол. %): 1Н216О — 99,73; 1Н218О — 0,2; 1Н217О — 0,04; 1Н22Н216О — 0,03; решта п'ять ізотопних різновидів присутні у воді у мізерних кількостях. Крім стабільних ізотопних різновидів, у воді утримується невелика кількість радіоактивного Гідрогену у вигляді 3Н216О (або Т2О). Ізотопний склад природної води різного походження дещо змінний. Особливо це стосується співвідношення 1Н/2Н: у прісних водах — у середньому 6900, у морській воді — 5500, у льодах — 5500 — 9000. За фізичними властивостями D2О значно відрізняється від Н2О, тоді як вода, яка містить 18О, за властивостями ближча до води з 16О.
В молекулах води атоми Гідрогену і Оксигену розміщені у кутах рівнобедреного трикутника з довжиною зв'язку О-Н 0,0957 нм; валентний кут <Н-О-Н дорівнює 104,50; дипольний момент 6,17·10-30 Кл·м2 ; поляризуємість молекули 1,45·10-3 нм3; середній квадрупольний момент — 1,87·10-41 Кл·м2 ; енергія іонізації 12,6 еВ; спорідненість до протона 7,1 еВ.
Фізико-хімічні властивості води аномальні. Плавлення льоду при атмосферному тискові супроводжується зменшенням об'єму на 9%. Нижче наводимо значення величин, які характеризують властивості води у різних агрегатних станах (табл. 1-6)
Таблиця 1. Кристалічні модифікації льоду
|
Показник |
Лід |
|||||
|
I |
II |
III |
V |
VI |
VII |
|
|
Відносна густина |
0,92 |
1,12 |
1,03 |
1,09 |
1,13 |
1,5 |
|
Відносний молярний об'єм |
1,096 |
0,89 |
0,97 |
0,92 |
0,88 |
0,67 |
Таблиця 2. Потрійні точки води і модифікацій льоду
|
Система |
Температура, 0С |
Тиск, МПа |
|
Вода — лід І — лід ІІІ |
-22,0 |
207 |
|
Лід І — лід ІІ — лід ІІІ |
-34,7 |
213 |
|
Вода — лід ІІІ — лід V |
-17,0 |
346,5 |
|
Лід ІІ — лід ІІІ — лід V |
-24,3 |
344,5 |
|
Вода — лід V — лід VІ |
+0,16 |
626 |
|
Вода — лід VІ — лід VІІ |
+81,6 |
2199 |
Таблиця 3. Фізико-хімічні константи льоду
|
Параметр |
Значення |
|
Густина при 00С і 101325 Па |
916,8 кг/м3 |
|
Параметри решітки |
а=0,4535 нм |
|
Модуль пружності Юнга при -100С і 101325 Па |
9444486,5 Мпа-1 |
|
Ізотермічне стиснення при 00С і 30 Па |
12·10-5 Мпа-1 |
|
Швидкість поширення звуку |
3160 м/с |
|
Діелектрична проникність при -10С і 101325 Па і 3000 Гц |
79 Ф/м |
|
Питомі величини при нормальних умовах теплота плавлення теплота сублімації теплоємність теплопровідність електропровідність коефіцієнт об'ємного розширення коефіцієнт лінійного розширення |
332,4 кДж/кг 2834 кдж/кг 2,039 кДж/кг ~ 2,34 Вт /(м·К) 0,4·10-10 см·м-1 12·10-5 дм3/(кг·К) 5,27·10-5 К-1 |
|
Термодинамічні величини теплота утворення при 00С і 101325 Па теплота плавлення при 101325 Па |
292,72 кДж/моль 6,012 кДж/моль |
Температурний коефіцієнт об'ємного розчинення льоду і рідкої води відємний при температурах відповідно нижче — 2100С і 3,980С. Теплоємність С0р при плавленні зростає майже в двоє і в інтервалі 0 — 1000С майже не залежить від температури (має мінімум при 350С). Мінімум ізотермічного стиснення (44,9·10-11 Па-1 ), який спостерігається при 460С виражений досить чітко. При низьких тисках і температурах до 300С в'язкість води з ростом тиску падає. Високі діелектрична проникність і дипольний момент води визначають її добру здатність розчиняти полярні та іоногенні речовини. Завдяки високим значенням С0р, ΔН0пл і ΔН0вип вода — важливий регулятор кліматичних умов на Землі, який стабілізує температуру на її поверхні. Крім того, наближення кута Н-О-Н до тетраедричного (109028´) обумовлює пухкість структур льоду
Таблиця 4. Фізико-хімічні константи води
|
Параметр |
|
|
Температура замерзання при 101325 Па кипіння при 101325 Па максимальної густини |
0,000С 100,000С 3,98 0С |
|
Критичні константи температура тиск густина |
374,150С 22,143 МПа 325,0 кг/м3 |
|
Швидкість поширення звуку при 250С |
1496,3 м/с |
|
Кріоскопічна константа |
1,85 |
|
Ебуліоскопічна константа |
0,516 |
|
Питомі величини при 101325 Па теплоємність при 150С теплопровідність при 00С теплопровідність при 450С електропровідність при 180С |
4,187 кДж/(кг·К) 0,599 Вт/(м·К) 0,645 Вт/(м·К) 4,4·10-10 см·м-1 |
|
Термодинамічні величини теплота утворення (-ΔН, газ, 101325 Па, 250С) етропія (S, газ, 101325 Па, 250С) вільна енергія (-ΔF, газ, 101325 Па) теплоємність при 250С енергія дисоціації Н2О ↔ Н + О + Н Н2О ↔ Н + ОН теплота електролітичної дисоціації при 200С |
241,989 кДж/моль 188,846 Дж/моль·К 288,750 кДж/моль 76,07 Дж/моль·К -916,5 кДж/моль -493,2 кДж/моль -57150 Дж/моль |
і рідкої води, і, як наслідок, аномальну залежність густини від температури. Саме тому великі водоймища не промерзають до дна, а це забезпечує існування у них життя водних мешканців.
Для проектування технологічних процесів , зв'язаних з використанням води і водяної пари необхідні значення фізико-хімічних характеристик цих фаз, які знаходяться у рівновазі (табл. 7).
Молекули води володіють значним дипольним моментом, тому вони взаємодіють між собою і полярними молекулами інших речовин.
Таблиця 5. Фізичні константи льоду і води
|
Параметр |
Значення |
|
Електричний опір льоду при 00С рідини при 00С рідини при 500С |
0,4·10-6 Ом·м 1,47·10-6 Ом·м 18,9·10-6 Ом·м |
|
Діелектрична проникність льоду при 00С рідини при 250С |
91 78,3 |
|
Показник заломлення льоду при 00С води при 200С пари при 00С і 0,1 МПа |
1,3104 1,3333 1,000252 |
|
Магнітна сприйнятливість льоду при 00С рідини при 00С рідини при 250С |
-12,683·10-6 -12,937·10-6 -12,985 ·10-6 |
|
Коефіцієнт ізотермічного стиснення, Па-1 льоду при 00С рідини при 00С рідини при 600С |
12 ·10-11 51,1·10-11 45,5·10-11 |
|
Температурний коефіцієнт об'ємного розширення, 0С-1 льоду при 00С рідини при 00С рідини при 100С рідини при 200С |
-1,2·10-4 -3,4·10-5 9·10-5 2·10-4 |
У процесі такої взаємодії атоми гідрогену води можуть утворювати водневі зв'язки з атомами O, N, F, C, S і ін. У водяній парі при невисоких температурах і помірних тисках невелика кількість (біля 1% при температурі кипіння і атмосферному тиску0 димерів води ( для них ∆Нутв ~15 кДж/моль,), віддаль між атомами Оксигену ~0,3 нм. У конденсованих фазах кожна молекула води утворює чотири водневі
У конденсованих фазах кожна молекула води утворює чотири водневі зв'язки: два як донор протонів і два — як акцептор протонів. Середня довжина цих зв'язків у кристалічних модифікаціях льоду і кристалогідратах біля 0,28 нм. Кут О — Н ... О наближається до 1800. Чотири водневі зв'язки води напрямлені приблизно до вершин правильного тетраедра .
Таблиця 6. Фізико-хімічні константи важкої води
|
Параметр |
Стан або умова визначення |
t,0С |
Значення для Д216О |
|
Молекулярна маса |
- |
- |
20,02948 |
|
Густина, кг/м3 |
рідина |
25 |
1104,211 |
|
Температура, 0С плавлення максимальної густини кипіння критична |
101325 Па 101325 Па 101325 Па 22,75 МПа |
- - - - |
3,813 11,6 101,43 371,5 |
|
Тиск Критичний, МПа пари, Па·102 |
- - |
371,5 25,0 |
22,15 26,73 |
|
В'язкість відносна |
Рідина |
25 |
1,232 |
|
Показник заломлення |
Д — лінія Na |
25 |
1,32795 |
|
Поверхневий натяг, мН/м |
Рідина |
20 |
67,8 |
|
Діелектрична проникність, Ф/м |
Рідина |
25 |
78,54 |
|
Іонний добуток [D3O+][OD-1]·10-14 |
Рідина |
25 |
0,2 |
|
Дипольний момент, Кл·м·1030 |
- |
- |
6,23 |
|
Термодинамічні величини, кДж\моль теплота утворення (-ΔН) теплота плавлення Теплота випаровування вільна енергія (-ΔF) ентропія (S), Дж/моль·К теплоємність, Дж/моль |
Газ, 101325 Па 101325 Па 101325 Па Газ, 101325 Па Газ, 101325 Па Рідина |
25 Т.пл. 25 - 25 25 |
84,78 249,383 6,284 45,427 234,741 185,806 |
Структура модифікації льоду являє собою тривимірну сітку. Існує дев'ять кристалічних модифікацій льоду, які відрізняються своєю будовою і властивостями.
Таблиця 7. Властивості води і водяної пари, які знаходяться у рівновазі.
|
Т, 0С |
Густина, г/см3 |
Теплопровідність, МВт/(м·К) |
Ср0 |
|||
|
Рідина |
Пара |
Рідина |
Пара |
Рідина |
Пара |
|
|
0 |
0,99987 |
4,85·10-6 |
561,0 |
17,1 |
75,973 |
33,581 |
|
10 |
0,99973 |
9,4·10-6 |
580,0 |
17,6 |
75,5411 |
33,653 |
|
20 |
0,99823 |
1,729·10-5 |
598,5 |
18,2 |
75,342 |
33,761 |
|
30 |
0,99567 |
8,037·10-5 |
615,5 |
18,9 |
75,288 |
33,924 |
|
40 |
0,99224 |
5,116·10-5 |
630,6 |
19,6 |
75,342 |
34,122 |
|
60 |
0,98324 |
1,302·10-5 |
654,4 |
21,2 |
75,396 |
34,662 |
|
80 |
0,97183 |
2,934·10-4 |
669,8 |
23,0 |
75,613 |
35,4722 |
|
100 |
0,95838 |
5,977·10-4 |
678,8 |
25,1 |
75,955 |
36,644 |
|
120 |
0,9434 |
1,121·10-4 |
683,0 |
27,5 |
76,477 |
38,265 |
|
150 |
0,9173 |
2,547·10-3 |
681,7 |
31,6 |
77,648 |
41,797 |
|
200 |
0,8649 |
7,862·10-3 |
663,3 |
40,1 |
80,117 |
51,940 |
|
250 |
0,7992 |
1,998·10-3 |
625,5 |
51,3 |
87,719 |
70,586 |
|
300 |
0,7122 |
4,621·10-2 |
547,5 |
69,3 |
103,952 |
110,618 |
|
350 |
0,5745 |
0,1136 |
445,0 |
134,2 |
181,601 |
287,355 |
Тривимірна сітка водневих зв'язків, побудована з тетраедрів, існує і у рідкій воді в усьому інтервалі від температури плавлення до критичної. Збільшення густини при плавленні, як і у випадку щільних модифікацій льоду, пояснюється викривленням водневих зв'язків і відхиленням кутів між ними від тетраедричних. Викривлення зв'язків збільшується з ростом температури і тиску, що призводить до зростання густини. З іншої сторони, при нагріванні середня довжина водневих зв'язків стає більшою, в результаті чого густина зменшується. Сумісна дія цих двох факторів пояснює наявність максимума густини води при 3,98 0С.
Таблиця 7 (продовження).
|
Т, 0С |
Динамічна в'язкість, мкПа·с |
Тиск пари, Па |
ΔН0вип, кДж/моль |
γ, мН/м |
|
|
Рідина |
Пара |
||||
|
0 |
1792 |
9,22 |
6,108·102 |
45,058 |
75,65 |
|
10 |
1308 |
9,46 |
1,2271·103 |
44,632 |
74,22 |
|
20 |
1003 |
9,73 |
2,3368·103 |
44,207 |
72,74 |
|
30 |
797,7 |
10,01 |
4,2417·103 |
43,782 |
71,20 |
|
40 |
653,1 |
10,31 |
7,3749·103 |
43,355 |
69,00 |
|
60 |
466,8 |
10,94 |
1,9919·103 |
42,488 |
66,24 |
|
80 |
354,9 |
11,60 |
4,7359·104 |
41,597 |
62,68 |
|
100 |
282,1 |
12,28 |
1,01325·105 |
40,665 |
58,92 |
|
120 |
323,1 |
12,97 |
1,9854·105 |
39,813 |
54,97 |
|
150 |
181,9 |
14,02 |
4,7597·105 |
38,087 |
48,75 |
|
200 |
133,6 |
15,78 |
1,5551·106 |
34,933 |
37,68 |
|
250 |
105,8 |
17,59 |
3,9776·106 |
30,874 |
29,05 |
|
300 |
85,81 |
19,74 |
8,5919·106 |
25,276 |
14,37 |
|
350 |
65,68 |
23,72 |
1,6537·107 |
15,119 |
3,68 |
З невеликого числа молекул лише незначна їх доля (при 250 — приблизно 1 молекула на 5·109) зазнає електролітичної дисоціації за схемою: Н2О « Н+ + ОН- . Протон Н+ у водному середовищі взаємодіє з молекулами води і утворює іон гідроксонію Н3О+ , який об'єднується з 1 молекулою Н2О в іон дигідроксонію Н2О2+ . Віддаль О...О у таких комплексних іонах помітно коротша довжини нормального водневого зв'язку між нейтральними молекулами. Але оскільки протон , очевидно, знаходиться не точно посередині цього вкороченого зв'язку, а ближче до одного з атомів Оксигену, можна вважати, що у воді існує гідратований іон гідроксонію Н3О+. Явище електролітичної дисоціації води відіграє велику роль у хімічних процесах, які відбуваються у різних системах, в тому числі у біологічних. Дисоціація води є причиною гідролізу багатьох речовин, до складу яких входять іони, породжені слабкими електролітами (основами або кислотами). Концентрація іонів [OH-] важлива характеристика води і водних розчинів. Для чистої води концентрації Н+ і ОН- рівні і становлять 1·10-7·1·10-7 = 1·10-14, це величина постійна і позначається як Кв (це іонний добуток води). Для води і одних розчинів важливою характеристикою є водневий показник (рН), який дорівнює значенню від'ємного логарифма з концентрації водневих іонів: рН = -lg[Н+].
При підвищенні температури дисоціація води збільшується, тому ступінь її дисоціації зростає. Концентрація іонів Н+ у природних водах і водному середовищі біологічних систем активно впливає на різні обмінні процеси, пов'язані з утворенням розчиненням або обміном мінеральних і органічних речовин, зміщенням різних рівноважних процесів, утворенням певних іонних форм речовини, на швидкість їх міграції у природних умовах.
При низьких температурах утворення води з молекул водню і кисню у відсутності каталізатора відбувається надзвичайно повільно, але при підвищенні температури швидкість процесу різко зростає і при 5500С реакція відбувається з вибухом. При зниження тиску і підвищенні температури рівновага зсувається вліво. Ступінь термічної дисоціації води (%) при 100 кПа становить: 0,034 (10150С); 0,74 (17110С); 8,6 (10150С) і 11,1 (24830С). Під впливом УФ випромінювання відбувається фотодисоціація води на іони Н+ і ОН- . Іонізуюче випромінення викликає радіоліз води з утворенням Н2, Н2О2 і вільних радикалів Н-, ОН-, НО2-; радіаційний вихід приблизно 4 молекули, що розпались, на кожні 1,6·10-17 Дж поглиненої енергії випромінювання.
Вода належить до реакційно здатних речовин. Вона окиснюється атомарним киснем: Н2О + О → Н2О2, реагує з активними металами і неметалами, основними і кислотними оксидами, утворює кристалогідрати з багатьма типами неорганічних і органічних сполук. Лужні метали реагують з водою з утворенням лугів і водню, а галогени (Cl2, Br2, I2) утворюють у реакції з водою дві кислоти HНal і HНalО. Фтор реагує з водою специфічно, крім HF, у цій реакції утворюються також О, О2, О3, Н2О2, OF2 і інші сполуки. При підвищених температурах замість HНalО галогени (Cl2, Br2, I2) утворюють з водою HНalО3, які не стійкі і розкладаються на HНal і О2. Якщо воду пропускають через розжарене вугілля вона утворює так званий водяний газ: Н2О + С → СО + Н2. При підвищенні температури у присутності каталізатора вода реагує з СО, СН4, іншими вуглеводнями, наприклад: Н2О + СО → СО2 + Н2 (каталізатор залізо), Н2О + СН4 → СО + 3Н2 (каталізатор нікель або кобальт). Ці реакції використовують для промислового одержання водню. Воду можна розглядати як перспективу для водневої енергетики . Якщо людство відкриє дешевий спосіб одержання водню з води, проблема екологічно безпечної енергетики стане значною мірою вирішеною. Для розкладу води на водень і кисень може бути залучена енергія сонця, яка харчує сонячні батареї елемента постійного електричного струму, а також можуть бути використані термохімічні способи розкладу води.
Червоний фосфор при нагріванні з водою під тиском у присутності каталізатора окиснюється до метафосфорної кислоти: 6Н2О + 3Р = 2НРО3 + 5Н2, без каталізатора взаємодія води з червоним фосфором відбувається інакше : 6Н2О + 4Р = РН3 + 3Н3РО2 (тут утворюються фосфін і гіпофосфітна кислота).
З лужними і лужноземельними металами вода реагує вже при кімнатній температурі, менш активні метали реагують з водою при підвищеній температурі, Mg і Zn — вище 1000С , Fe — вище 6000С. Вода з оксидами багатьох елементів утворює основи або кислоти.
Вода може бути каталізатором хімічної реакції. Наприклад, у реакції взаємодії водню або лужних металів з хлором (потрібні сліди води). В окремих реакціях вплив води протилежний — вона служить каталітичною отрутою (для залізного каталізатора при синтезі NH3).
За рахунок водневих зв'язків молекули води утворюють просторові сітки, у яких знаходяться порожнини, у них можуть знаходитись молекули інертних газів, вуглеводнів, вуглекислий газ хлор, (СН2)2О, СНCl3 і багато інших речовин. У формі гідратів такого типу перебувають у деяких місцевостях у природі поклади газу.
Вода — добрий розчинник і тому розчиняє багато полярних та іонних речовин. У більшості випадків зі зростанням температури розчинність речовин у воді зростає, але деякі речовини мають складний характер цієї залежності. Розчинність багатьох сульфатів, карбонатів і фосфатів при підвищенні температури зменшується або спочатку підвищується, а потім проходить через максимум. Розчинність малополярних речовин ( у тому числі газів, які входять до складу атмосфери) у воді низька і при підвищенні температури, зазвичай зменшується, а потім проходить через мінімум. З підвищенням тиску розчинність газів зростає, проходячи при високих тисках через максимум. Багато речовин не просто розчиняються у воді, а хімічно реагують з нею. У розчинах NH3 можуть бути молекули NH3·Н2О і незначна кількість іонів NH4+. Між розчинними у воді іонами, атомами, молекулами, які не вступають з нею у хімічні реакції, і молекули води існують іон-дипольні та міжмолекулярні взаємодії, які не руйнують їх.
2. Природна вода.
Природна вода являє собою складну багатокомпонентну систему, до складу якої входять мінеральні речовини (табл. 8-14), гази, а також колоїдні і крупно дисперсні частки, в тому числі мікроорганізми. За величиною мінералізації (г/л) розрізняють такі природні води: ультрапрісні — до 0,2; прісні — 0,2-0,5; маломінералізовані — 0,5-1,0; солонуваті — 1-3; солоні 3-10; з підвищеною солоністю — 10-35, розсоли — більше 50. Макрокомпонентами природної води зазвичай є Ca, Mg, Na, K, Fe (катіогенні води), Si, C, S, Cl (аніоногенні води). До мікрокомпонентів природної води відносяться рідкісні і рудні елементи, наприклад, B, Li, Rb, Zn, Bi, Be, W, U, Br, I і інші.
Таблиця 8. Площа, об'єм і середня глибина океанів і морів
|
Назва |
Площа, 106 км2 |
Об'єм 106 км3 |
Середня глибина, м |
|
Всі океани з прилеглими морями |
361,059 |
1370,323 |
3795 |
|
Те ж без прилеглих морів |
321,130 |
1322,198 |
4117 |
|
Атлантичний океан з врахуванням прилеглих морів |
106,463 |
354,679 |
3332 |
|
Індійський океан з врахуванням прилеглих морів |
74,917 |
291,945 |
3897 |
|
Тихий океан з врахуванням прилеглих морів |
179,679 |
723,699 |
4028 |
|
Атлантичний океан без врахуванням прилеглих морів |
82,441 |
323,613 |
3926 |
|
Індійський океан без врахуванням прилеглих морів |
73,443 |
291,030 |
3963 |
|
Тихий океан без врахуванням прилеглих морів |
165,246 |
707,555 |
4282 |
|
Балтійське море |
0,386 |
- |
40-100 |
|
Берінгове море |
2,268 |
3,259 |
1437 |
|
Східно-Китайське |
1,249 |
0,235 |
188 |
|
Червоне море |
0,438 |
0,215 |
491 |
|
Охотське море |
1,528 |
1,279 |
838 |
|
Північне море |
0,575 |
0,054 |
94 |
|
Середземне і Чорне моря |
2,966 |
4,238 |
1429 |
|
Японську море |
1,008 |
1,361 |
1350 |
Основні гази, які містяться у природній воді — СО2, N2 (характерні як для поверхневих, так і для глибинних умов), СН4, СО, Н2 (більше типові для підземних вод і вод вулканічних активних областей). Розчинні у воді компоненти перебувають у рівновазі, утворюючи комплекси різного складу.
Таблиця 9. Хімічний склад природних вод
|
Водне джерело |
Вміст, мг/л |
|||||
|
Ca2+ |
Mg2+ |
Na++K+ |
HCO3- |
SO42- |
Cl- |
|
|
Океан |
418 |
1329 |
11428 |
146 |
2768 |
19833 |
|
Річки |
||||||
|
Амур (м.Хабаровськ) |
9,4 |
2,1 |
2,4 |
17,3 |
3,6 |
3,2 |
|
Волга (с. Поляна) |
48,9 |
10,1 |
11,9 |
63,7 |
61,9 |
14,9 |
|
Дніпро (м.Київ) |
36,4 |
5,8 |
5,0 |
75,2 |
8,6 |
3,1 |
|
Кама (м.Чистопіль) |
54,3 |
9,8 |
20,0 |
49,1 |
58,0 |
21,4 |
|
Кура (м.Себірабад) |
45,9 |
14,7 |
37,9 |
93,9 |
61,4 |
23,8 |
|
Москва (м. Звенигород) |
41,3 |
9,4 |
2,3 |
79,4 |
7,7 |
4,4 |
|
Нева (колгосп Ново-Саратовський |
7,8 |
2,5 |
2,8 |
13,9 |
5,0 |
4,6 |
|
Об (м.Новосибірск) |
24,7 |
7,8 |
8,1 |
69,4 |
9,5 |
5,3 |
|
Ока (м.Калуга) |
51,9 |
10,0 |
4,2 |
92,6 |
27,2 |
4,0 |
|
Урал (с.Тополі) |
76,7 |
14,1 |
20,7 |
83,9 |
42,5 |
53,0 |
|
Чусова (с. Н.Шалиги) |
46,8 |
9,7 |
13,6 |
66,0 |
55,0 |
11,6 |
|
Колорадо (м.Остін) |
105,8 |
9,5 |
102,7 |
108,4 |
100,0 |
159,5 |
|
Рейн (м. Кельн) |
50,3 |
11,7 |
5,2 |
181,4 |
24,6 |
8,0 |
|
Ніл (м.Каїр) |
15,8 |
8,8 |
11,8 |
84,6 |
46,7 |
3,4 |
|
Озера |
||||||
|
Байкал |
15,2 |
4,2 |
6,1 |
59,2 |
4,9 |
1,8* |
|
Онезьке |
5,4 |
1,6 |
1,5 |
20,4 |
1,3 |
1,5* |
|
Женевське |
42,3 |
3,39 |
4,22 |
51,4 |
40,5 |
0,79* |
|
Мічіган |
26,2 |
8,26 |
4,74 |
58,3 |
7,1 |
2,72* |
|
Моря |
||||||
|
Каспійське |
360 |
730 |
3270 |
200 |
3010 |
5710 |
|
Чорне |
250 |
650 |
5510 |
80 |
1310 |
9630 |
*-для суми (Cl- + Br).
Середній вміст у сухому залишку морської води (% за масою): NaCl – 77,7; MgCl2 – 9,4; MgSO4 – 6,6; СaSO4 – 3,4; KCl – 1,7; CaCO3 – 0,3; MgBr2 – 0,3.
Переважна частина поверхні землі зайнята океанами і морями (361059000 км2, це складає 71%; у них міститься 1370323000 км3, або 1413·1018 кг водного розчину електролітів середньої концентрації (~ 0,5 моль/л розчин NaCl, 0,05 моль/л розчин MgSO4 і ін.
Таблиця 10. Середній елементний склад морської води
|
Елемент |
Вміст, % за масою |
Елемент |
Вміст, % за масою |
Елемент |
Вміст, % за масою |
Елемент |
Вміст, % за масою |
|
O |
86,82 |
F |
0,0001 |
Al |
< 1·10-6 |
V |
5·10-8 |
|
H |
10,72 |
Si |
0,00005 |
Pb |
5·10-7 |
Ga |
5·10-8 |
|
Cl |
1,89 |
Rb |
0,00002 |
Mn |
4·10-7 |
Th |
4·10-8 |
|
Na |
1,06 |
Li |
0,000015 |
Se |
4·10-7 |
Y |
3·10-8 |
|
Mg |
0,14 |
N |
0,00001 |
Ni |
3·10-7 |
La |
3·10-8 |
|
S |
0,088 |
I |
0,000005 |
Sn |
3·10-7 |
Ce |
3·10-8 |
|
Ca |
0,041 |
P |
0,00005 |
Cs |
2·10-7 |
Bi |
<2·10-8 |
|
K |
0,038 |
Zn |
0,00005 |
U |
2·10-7 |
Sc |
4·10-9 |
|
Br |
0,0065 |
Ba |
0,00005 |
Co |
1·10-7 |
Ag |
4·10-9 |
|
C |
0,002 |
Fe |
0,00005 |
Mo |
1·10-7 |
Hg |
3·10-9 |
|
Sr |
0,0013 |
Cu |
0,00002 |
Ti |
< 10-7 |
Au |
4·10-10 |
|
B |
0,00045 |
As |
0,000015 |
Ge |
< 1·10-7 |
Ra |
1·10-14 |
При коливаннях загальної концентрації солей (солоності морської води) відношення між її основними компонентами залишаються приблизно постійними. Користуючись цією характерною особливістю властивостей води, можна тільки на підставі визначеної концентрації одного з найосновніших іонів розрахувати вміст решти іонів. Відомо, що для океанів і відкритих морів спостерігаються такі співвідношення: [Cl]:[Na++К+] = 1,74; [Cl-]:[SO42-] = 7,186; [Cl-]:[Mg2+] = 14,84 і ін.
Таблиця 11. Найголовніші іони морської води.
|
Іони |
Вміст |
Іони |
Вміст |
||
|
г/кг |
моль/кг |
г/кг |
моль/кг |
||
|
Na+ |
10,722 |
0,4662 |
Br- |
19,337 |
0,5453 |
|
K+ |
0,382 |
0,0098 |
SO42- |
2,705 |
0,0282 |
|
Mg2+ |
1,297 |
0,0533 |
HCO3- |
0,097 |
0,0016 |
|
Ca2+ |
0,417 |
0,0104 |
CO32- |
0,006 |
0,00001 |
|
Cl- |
19,337 |
0,5453 |
Солоність морської води за Серенсеном (S) визначається як сума солей у грамах, які одержуються при випарюванні 1 кг води і висушуванні сухого залишку до 4800С. При цьому всі карбонати повинні бути переведені в оксиди, галогени замінені Хлором, а органічні речовини спалені.
За імперичним співвідношенням солоність морської води S% = 0,03 + 1,805 Cl%.
Таблиця 12. Хімічний склад океанської і морської води
|
Назва об'єкта |
Вміст солей, % за масою |
Хімічний склад, % від твердої фази |
|||||||
|
Cl- |
Br- |
SO42- |
CO32- |
Na+ |
K+ |
Ca2+ |
Mg2+ |
||
|
Океани (середнє) |
3,30-3,74 |
55,3 |
0,2 |
7,7 |
0,2 |
30,6 |
1,1 |
1,2 |
3,7 |
|
Аральське море |
1,07 |
35,6 |
- |
31,3 |
0,1 |
22,1 |
0,1 |
4,5 |
5,4 |
|
Балтійське море |
0,72 |
55,0 |
0,1 |
8,1 |
0,1 |
30,5 |
1,0 |
1,7 |
3,5 |
|
Біле море |
2,6-3,0 |
55,2 |
0,1 |
7,9 |
0,1 |
30,7 |
0,9 |
1,2 |
3,75 |
|
Каспійське море |
1,27 |
41,8 |
0,05 |
23,8 |
0,9 |
24,5 |
0,6 |
2,6 |
5,80 |
|
Середземне море |
3,73 |
55,1 |
0,2 |
7,9 |
0,2 |
30,6 |
1,1 |
1,2 |
3,65 |
|
Чорне море |
1,8-2,2 |
55,1 |
0,2 |
7,5 |
0,5 |
30,6 |
1,2 |
1,4 |
3,7 |
Встановлено, що найбільша солоність морської води у тропічних широтах (35-37%) викликана сильним випаровуванням води; вона дуже висока у північно — західній частині Індійського океану (>36%) і особливо у червоному морі і Персидській затоці (>40%). Дещо знижується солоність поблизу екватора (до 34%) внаслідок розбавлення води великою кількістю атмосферних опадів. У високих широтах у результаті танення льодів і малого випаровування солоність поверхневих морських вод падає (34-30%).
Мінералізація морської води в основному визначається найголовнішими іонами і у першу чергу Cl- і Na+. За концентрацією у морській воді іони утворюють ряди: Cl- > SO42- > HCO3- + CO32- і Na+ + K+ > Mg2+ > Ca2+. Вміст деяких компонентів морської води, особливо тих, які приймають участь в обміні, що здійснюється живими організмами (Нітроген, Фосфор, розчинний кисень), зазнає значних коливань.
Розчинність атмосферних газів у морській воді залежить від її солоності і температури; рН морської води знаходиться в межах 7,5 — 8,4.
Морська вода характеризується певним значенням зміни температури за глибиною. Існує так званий термоклин, нижче якого температура практично постійна і рівна 0 — 40С.
Солоність теж змінюється характерно у залежності від глибини. У поверхневих шарах води спостерігаються флуктації, потім відбувається плавна зміна солоності у глибинах (галоклин), у глибинних водах солоність повільно знижується.
Коливання значень рН і концентрації розчиненого кисню у приповерхневому шарі морської води визначаються розчинністю атмосферних вуглекислого газу і кисню, а також фотосинтезом, який там відбувається. Спостерігається глибинний максимум значень рН, який розділяє дві зони. У першій з них переважний вплив мають біохімічні процеси, а у другій — фізико-хімічні (зміна константи дисоціації з глибиною і геохімічні процеси, тобто вплив дна).
Найбільша кількість кисню розчинена в арктичних водах, які поповнюють цим компонентом і води Атлантичного океану. Вміст кисню у приповерхневих водах зазвичай антибатний концентрації у них таких біогенних іонів як фосфат і нітрат. Роль кисню у життєвих процесах, які існують у водному середовищі, дуже важлива. У незабруднених холодних водах спостерігається підвищена розчинність кисню протягом осені і зими.
Ця розчинність компенсується активністю фотосинтезу і меншою розчинністю кисню у теплішій воді протягом весни і літа. Це означає, що хоч вміст кисню може змінюватись, ступінь насичення кисню залишається на постійному рівні. Ступінь насичення (у мас.%) визначається як (Со2/ Со2,р)·100, де Со2 — виміряна концентрація, Со2,р — рівноважна концентрація при однаковій температурі і вмісті солі. Насичення поверхневого шару води за звичай складає 97-105%.
У міру збільшення глибини залягання шару води ця величина зменшується. Домінуючий вплив на розподілення при різних температурних умовах виявляють місцеві особливості. Величина розчинності кисню у воді активно впливає на життєздатність багатьох водних організмів. Особливо чутлива до зменшення вмісту у воді кисню риба. При аномальному підвищенні (вище природного рівня) температури води у водоймищі розчинність кисню у ній зменшується нижче норми, і риба починає задихатись і гинути. Розчинності атмосферного кисню у воді може перешкоджати також плівка нафтопродуктів (нафта, мазут, гас і ін.), що також викликає масову загибель морських тварин.
Забруднювачами природної води є важкі метали (Меркурій, Цинк, Кадмій, Плюмбум), неметали (Флуор, Арсен, Фосфор і Сульфур (у складі токсикантів) наприклад, SO2), ДДТ, бензпірени, полі-хлоровані дифеніли, пентахлорфенол, дихлофос, полібромовані дифеніли, вінілхлорид, поверхнево-активні речовини, пестициди — інсекткциди, гербіциди, фунгіциди, регулятори росту рослин, мінеральні добрива, алдрин і ділдрин, радіоаквні ізотопи. Небезпечні для води також різні відходи біологічних виробництв.
Мінеральні води — природні і штучні води, які містять підвищену кількість (у порівнянні з прісними) солей, газів, органічних речовин і які володіють специфічними властивостями (температура, вміст біологічно активних компонентів, радіоактивність і ін.), що викликають їх лікувальну дію. Для лікувальної мети використовують переважно мінеральні води з бурових свердловин, які забезпечують постійність їх дебіту (кількості води, що виливається за певну одиницю часу), хімічного складу, а також захищають ці води від забруднень . Для попередження виснаження і забруднення джерел мінеральної води встановлені зони санітарної охорони курортів.
Для лікування поза курортами широко використовують мінеральні води розлиті у пляшки. На післярадянській території розрізняється більше 100 видів лікувальних і лікувально-столових мінеральних вод. Розливання цих вод здійснюється на спеціалізованих заводах і цехах підприємств харчової промисловості. Налиту у пляшки воду насичують вуглекислотою; вона повинна бути безбарвною, без запаху і постороннього присмаку. Пляшки з мінеральною водою зберігають у горизонтальному положенні у прохолодному місці.
За мінералізацією (загальна кількість розчинних у воді іонів і біологічно активних елементів, яка виражається у грамах на літр — г/л) розрізняють слабомінералізовані мінеральні води (2-5 г/л), середньомінералізовані (5-15 г/л), високомінералізовані (15-35 г/л), розсольні (35-150 г/л) і сильнорозсольні (вище 150 г/л).
Хімічний склад різних мінеральних вод.
За іонним складом мінеральні води ділять на хлоридні , гідрокарбонатні, сульфатні, натрієві, кальцієві і магнієві. У залежності від газового складу і наявності специфічних елементів розрізняють мінеральні води карбонатні, сульфідні (сірководневі), бромідні, йодидні, залізовмісні, радіоактивні (радонові) і ін. Мінеральні води бувають холодні (200), теплі (20-350С), гарячі — термальні (35-420) і дуже гарячі — високотермальні (вище 420).
Мінеральні води використовують для так званого питного лікування і для ванн, купань, душів, які проводяться у бальнеологічних лікарнях і у лікувальних басейнах, а також для інгаляцій і полоскань при захворюваннях носоглотки і верхніх дихальних шляхів, для зрошень при гінекологічних хворобах, для промивань, головним чином при захворюваннях органів травлення, порушення обміну речовин і ін.
Ефект від питного лікування мінеральними водами залежить не тільки від правильного вибору воду, але і від правил її вживання (доза, періодичність, зв'язок з часом приймання їжі), температури і т.д., які обумовлюють різну дію однієї і тієї ж води. Саме тому питне лікування мінеральною водою (особливо у домашніх умовах) належить проводити тільки за призначенням лікаря, у суровій відповідності до його вказівок. У випадку відсутності призначеної лікарем мінеральної води її можна замінити іншою, яка близька до неї за хімічним складом і дією, обов'язково дотримуючись прописаного лікарем порядку її приймання. Застосування мінеральних вод у вигляді ван, для зрошень та інгаляцій можливе лише в умовах лікувальних закладів за призначенням лікаря і пів наглядом медперсоналу.
Багато мінеральних вод (наприклад, Боржомі, Джермук, Нарзан і ін. ) завдяки приємному смакові і здатності гамувати спрагу широко використовуються як столові води і без обмеження продаються у торговельній мережі. Одначе, особам, які страждають захворюваннями системи травлення, серцево-судинної і сечевиділювальної систем, а також порушеннями обміну речовин, застосовувати їх, не порадившись з лікарем, не варто, бо це може призвести до небажаних, нерідко важких ускладнень.
Штучні мінеральні води, близькі за складом до природних, готують з хімічно чистих солей. Їх широко використовують у лікарнях, поліклініках і місцевих санаторіях, головним чином для приготування карбонатних, сірководневих, азотних, радонових, йодобромних, хлоридних, натрієвих і інших ванн. До штучних мінеральних вод, які використовуються як столові і ті, що гамують спрагу, відноситься содова вода. Вона являє собою прісну воду, до якої добавлені натрій гідрогенкарбонат (питна сода), кальцій хлорид, магній хлорид, насичену вуглекислим газом.
Зрозуміло, що природна мінеральна вода певного призначення має більше корисних властивостей, ніж відповідна їй вода, створена штучно. Тому у випадках використання мінеральних вод для лікувальної або харчової мети перевагу належить віддавати першим.
Вода є об'єктом підвищеної і особливої уваги державних органів, громадських об'єднань, засобів масової інформації, багатьох промислових підприємств і народів усього світу.
У наш час особливо важливого значення набуває проблема чистої питної води, на якість якої розроблені відповідні міжнародні нормативи
Таблиця. Нормативи ВООЗ для питної води за мікробіологічними показниками.
|
Мікроорганізми |
Одиниці виміру |
Норматив |
Примітка |
|
Люба питна вода |
|||
|
Термотолерантні і ін. коліформи |
Од/100 мл |
Не повинні виявлятися у любій пробі 100 мл |
- |
|
Вода у розподільній системі після обробки |
|||
|
Термотолерантні і ін. коліформи |
Од/100 мл |
Не повинні виявлятися у любій пробі 100 мл |
У великих системах водопостачання при постійному контролі не повинні виявлятися у 95% проб протягом року |
В Україні якість води централізованого господарсько-питного постачання регламентується Державним санітарними правилами і нормами (ДсанПіН), затвердженими наказом Міністерства охорони здоров'я України від 23 грудня 1996 р., №383.
Гігієнічні вимоги, що визначають придатність води для питних цілей, включають:
- безпеку в епідемічному відношенні;
- нешкідливість хімічного складу;
- сприятливі органолептичні властивості;
Якість питної води залежить від її складу та властивостей:
- у вододжерелі;
Безпека питної води в епідемічному відношенні визначається показниками, що характеризують з достатньо високою вірогідністю відсутність у ній небезпечних для здоров'я споживачів бактерій, вірусів, інших біологічних включень.
В ДсанПін наводяться вимоги до кількісних мікробіологічних і до паразитологічних показників безпеки питної води, токсилогічні показники якості питної води.
За токсилогічними показниками питна вода має відповідати вимогам:
|
№п/п |
Найменування показників |
Одиниці виміру |
Нормативи не більше |
Клас небезпеки |
|
Неорганічні компоненти |
||||
|
1 2 3 4 5 6 7 8 |
Алюміній Барій Арсен Селен Плюмбум Нікель Нітрати Флуор |
мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 |
0,2(0,5)* 0,1 0,01 0,01 0,01 0,1 45,0 1,5 |
2 2 2 2 2 3 3 3 |
|
Органічні компоненти |
||||
|
1 2 |
Тригалогенметани (ТГМ, сума) хлороформ дибромхлорметан тетрахлорметан Пестициди (сума) |
мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 |
0,1 0,06 0,01 0,002 0,001 |
2 2 2 2 ** |
|
Інтегральні показники |
||||
|
1 |
Окиснюваність (KMnO4) |
мг/дм3 |
4,0 |
- |
|
2 |
Заг. Органічний Карбон |
мг/дм3 |
3,0 |
- |
* - величина зазначена в дужках, допускається при обробці води реагентами, що містять алюміній;
Вода не має містити інші компоненти (меркурій, Талій, Кадмій, нітрити, ціаніди, хром (+6), 1,1-дихлоретилен, 1,2-дихлоретан, бенз-(α)-пірен) у концентраціях, що визначаються стандартними методами досліджень.
Показники концентрації залишкових кількостей
дезинфектантів у питній воді
При проведенні знезаражування води концентрація залишкових кількостей дезинфектантів, що визначається не рідше, ніж раз за годину, має складати:
Взаємозв'язок дози дезинфектану (С, мг/дм3) та часу (Т, хв.), необхідного для забезпечення епідеміологічної безпеки оброблюваної води під час її проходження до першого споживача, визначає критерій “С·Т”, що може бути встановлений експериментально для кожної конкретної води з урахуванням показників її хлорпоглинальності.
При використанні у процесі водопідготовки коагулянтів, дезинфекантів чи інших реагентів, дозволених Міністерством охорони здоров'я України для застосування у практиці господарсько-питного водопостачання, їх залишкові кількості у питній воді не мають перевищувати відповідних нормативних значень.
Органолептичні показники якості питної води.
Сприятливі органолептичні показники якості питної води визначаються сукупністю значень, що регламентуються органолептичними показниками якості та фізико-хімічними характеристиками води (за вмістом у воді компонентів, які впливають на органолептичні показники).
Вода не має містити інші компоненти, спроможні змінювати її органолептичні властивості, - Цинк, поверхнево-активні речовини, нафтопродукти, феноли у концентраціях, що визначаються стандартними методами досліджень.
Показники радіаційної безпеки питної води
Радіаційна безпека питної води визначається за гранично допустимими рівнями сумарної об'ємної активності α- та β-випромінювачів (природних). У разі перевищення цих рівнів слід провести вивчення радіонуклідного складу досліджуваних проб води щодо його відповідності нормам радіаційної безпеки.
Для особливих регіонів нормативи радіаційної безпеки питної води погоджуються Головним державним санітарним лікарем України.
Показники фізіологічної повноцінності якості води.
Показники фізіологічної повноцінності питної води визначають ефективність її мінерального складу біологічним потребам організму. Вони засновані на доцільності для ряду біогенних елементів обліку не тільки максимально допустимих, а й мінімально необхідних рівнів їх вмісту у воді. Дослідження показників, що характеризують фізіологічну повноцінність питної воджи, рекомендується проводити в об'ємі, наведеному у таблиці
|
№п/п |
Найменування показників |
Одиниці виміру |
Рекомендовані значення |
|
1 |
Мінералізація загальна |
мг/дм3 |
Не менше 100,0, не більше 1000,0 |
|
2 |
Твердість загальна |
мгекв/дм3 |
Не менше 1,5, не більше 7,0 |
|
3 |
Лужність загальна |
мгекв/дм3 |
Не менше 0,5, не більше 6,5 |
|
4 |
Магній |
мг/дм3 |
Не менше 10,0, не більше 80,0 |
|
5 |
Флуор |
мг/дм3 |
Не менше 0,7, не більше 1,5 |
ДсанПіН передбачають при підозрі забруднення вододжерел (у місці відбору, вище за течією річки, у регіоні) невідомими токсичними сполуками, хімічними речовинами, використовувати допоміжний інтегральний (експресний) показник якості води (Т — індекс токсичності проби досліджуваної речовини). Тест-об'єктами можуть бути дафнії, інфузорії і інші організми.
ДсанПіН встановлюють здійснення державного санітарно-епідеміологічного нагляду за якістю води у системах централізованого господарсько-питного водопостачання, а також відповідальність адміністрації виробничих підприємств водопровідно-каналізаційного господарства, комбінатів та комунальних підприємств чи інших установ (у тому числі і підприємств харчової промисловості), що експлуатують системи централізованого водопостачання населених пунктів України незалежно від їх відомчої підпорядкованості і форм власності, відповідно до законів України “Про забезпечення санітарного та епідеміологічного благополуччя населення”, “Про охорону навколишнього природного середовища”, “Про охорону праці” Водного кодексу України.
ДсанПіН затверджують програми, що рекомендується для проведення лабораторно-виробничого контролю за якістю води в системах централізованого господарсько-питного водопостачання.
Санітарно-епідеміологічний контроль якості питної води налагоджено у більшості населених пунктів України, але у сільській і дачній місцевостях ця проблема потребує більшої уваги. Бо у багатьох випадках вода таких вододжерел як криниці, малі річки, свердловини контролюється дуже рідко або не контролюється зовсім. Особливо це стосується приватних нововведених джерел водопостачання питної води.
6.1. Технічна вода.
Воду, яку використовують промислові підприємства, називають технічною. Її застосовують головним чином в якості охолоджувального елемента, транспортуючого середовища для сипучих матеріалів (наприклад, гідротранспорт подрібненої мінеральної сировини, золи на теплових електростанціях), розчинника і ін. У цілому по всіх галузях промисловості 70-75% від загальних витрат води застосовують як охолоджувальний агент по циркулярній схемі. У цьому випадку вода лише нагрівається і практично не забруднюється. Головні джерела забруднення води, яка використовується для охолодження у системах циркуляційного водопостачання, - вода, яка прибавляється у системи для поповнення неминучих втрат, і атмосферне повітря, з якого в охолоджувачах води вимикаються суспензовані речовини і гази, розчинні у воді.
Основними іонами, які можуть приводити до відкладань мінеральних солей у системах циркуляційного водопостачання, є аніони HCO3-, CO32-, OH-, SO42-, PO43-, SiO32- , а також катіони Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Al3+, Zn2+. Найчастіше зустрічається у сольових відкладах такий компонент як СаСО3. Попередити відкладання карбонатів можна підкисленням води H2SO4 або HCl, її рекарбонізацією (зазвичай обробка топочними газами, які містять вуглекислий газ), дією поліфосфатів (NaPO3)6 Na5P3O10, органічних фосфатів і ін. Для попередження (зменшення) корозії труб і теплообмінного обладнання у воду прибавляють інгібітори корозії: поліфосфати, інгібітори на основі хромато-цинкових сумішей і інші. Для попередження обростання обладнання бактеріями воду в основному хлорують (вміст хлору до 5 мг/л), а деколи озонують.
6.2. Водопідготування
Водопідготування — це комплекс технологічних процесів обробки і очищення води для приведення її якості у відповідність до вимог споживачів. Під час водопідготовки з води можуть видалятись Mn, F, синтетичні миючі і фарбувальні речовини, пестициди і ін. Водопідготовку проводять на спеціальних станціях, продуктивність яких може складати від декількох м3/доб до млн. м3/доб.
Процес водопідготовки включає ряд послідовних операцій, які тут наведені.
Освітлення полягає у видаленні з води поверхневих (відкритих) джерел крупнодисперсних і колоїдних мінеральних і органічних речовин, які обумовлюють кольоровість води. Для їх видалення воду обробляють коагулянтами — Al2(SO4)3·nH2O, FeSO4·mH2O, FeCl3·xH2O і флокулянтами — поліакріламідом, активною H2SiO3 і ін. Потім воду відстоюють і фільтрують.
Знезаражування води виконується для знищення хвороботворних мікроорганізмів і вірусів, які викликають непридатність води для господарсько-питних потреб. Присутність у воді деяких видів мікроорганізмів (наприклад, ниткоподібних, зооглейних, сульфатвідновлювальних бактерій і залізобактерій) викликає біологічне обростання, а деколи і руйнування трубопроводів і обладнання.
Найпоширеніше знезаражування води здійснюється рідким або газуватим хлором, гіпохлоритами металів — NaClO і Ca(ClO)2 і ClO2.
Для цієї ж мети використовують озон, ультрафіолетове опромінення, фторування за допомогою натрій фториду.
Стабілізація води полягає в тому, щоб забезпечити такий її хімічний склад, при якому вона не виділяє і не розчиняє відклади СаСО3.
Показником стабільності служить індекс насичення (І) води карбонатом кальцію, який розраховують за даними про рН і температуру оброблюваної води, а також концентрації катіонів Са2+, загальних лужності і солевмісності. Виходячи з цих даних, знаходять рНs, який відповідає насиченню води карбонатом. На основі рНs і виміряного значення рН вираховують І = рН-рНs. Вода вважається стабільною, якщо І = 0; при І<0 вода викликає корозію сталі, чавуну і інших матеріалів. При І>0 може виділятися СаСО3 з утворенням протикорозійної плівки на стінках трубопроводів і обладнання. Це пов'язано з наявністю у воді СО2: при його надлишку відбувається корозія, при нестачі — пересичення води СаСО3 , що і призводить до утворення накипу.
Для зв'язування СО2 в Са(НСО3) або NaHCO3 воду обробляють Са(ОН)2, Na2СO3 або іншими лужними реагентами. Багато природних і промислових вод, які йдуть на охолодження, перенасичені CaCO3 і Mg(OH)2. При використанні води як охолоджувального агента вона нагрівається і випадання CaCO3 ; крім цього осаджуються Mg(OH)2 і деякі солі. Для усунення відкладів воду підкислюють H2SO4 або HСl, обробляють CO2 (за звичай топочними газами), фосфатують і стабілізують іншими реагентами.
Пом'якшення води зводиться до видалення з неї катіонів Са2+ і Mg2+, які викликають твердість води. Твердість води — це сукупність її властивостей, які викликані розчинними сполуками Кальцію і Магнію. Твердість води відображає вміст у ній Кальцію і Магнію у мекв/дм3:
Т = ((m,мг Mg2+)/(E(Mg2+)·V,дм3)) + ((m,мг Ca2+)/(E(Ca2+)·V,дм3)), де Т — твердість, m — наважка у мг, Е - еквівалент, V — об'єм води.
Розрізняють постійну (некарбрнатну) і тимчасову (карбонатну) твердості води. Тимчасова твердість води обумовлена гідрогенкарбонатами магнію і кальцію, а постійна іншими сполуками Магнію і Кальцію (у тому числі хлоридами, сульфатами). При кип'ятінні води солі, що викликають тимчасову твердість руйнуються, а продукти розкладу випадають в осад; речовини, які викликають постійну твердість при кипінні води не руйнуються, а тому осад не утворюють.
Тверда вода викликає певні труднощі і ускладнення при її використанні у різних технологічних процесах; якість харчових продуктів, особливо напоїв, така вода може значно погіршувати. Через це воду необхідно пом'якшувати. Це здійснюється шляхом прибавляння до води розрахованих кількостей вапна і промислової соди, пропусканням води через колону, наповнену катіонітом. Воду можна очищати шляхом опріснення і обезсолювання.
Видалення солей із води до межі, близької до вмісту їх у дистильованій воді (долі або декілька мг/л), називається обезсолюванням. А видалення солей до концентрацій, які допускаються при застосуванні води для пиття (до 1 г/л), - опрісненням.
Обезсолювання і опріснення води іонним обміном досягається шляхом послідовного фільтрування води через зернисті шари Н+ - катіоніта і ОН- - аніоніта.
Обезсолювання води можна здійснити електродіалізом і зворотнім осмосом, які не потребують застосування хімічних реагентів і характеризуються суттєво меншими енергетичними затратами у порівнянні з дистиляцією.
Діаліз — це видалення за допомогою мембран низькомолекулярних сполук з колоїдних розчинів і розчинів високомолекулярних сполук.
Електродіаліз використовують для збільшення швидкості діалізу низькомолекулярних електролітів. З цією метою в діалізаторі створюють постійне електричне поле з падінням потенціалу 20 — 250 В/см і вище. Електродіаліз дозволяє прискорити очищення води у декілька десятків разів у порівнянні з діалізом. Витрата електроенергії на 1м3 води, обезсоленої електродіалізом складає 6 — 30 кВт·г/м3. Електролізом воду можна обезсолити на 90%.
Очищення води зворотним осмосом. Осмосом називають переважно одностороннє проникнення молекул розчинника (дифузію) через напівпроникнену мембрану із розчинника у розчин або з розчину з меншою концентрацією у розчин з більшою концентрацією.
Якщо змінювати напрям руху молекул води у процесі осмосу за рахунок створення тиску з боку розчину з вищою концентрацією солей (причому прикладений тиск повинен бути вищим осмотичного), то досягають процесу здійснення зворотного осмосу. Рух молекул води при цьому відбувається із розчину з вищою концентрацією солей у сторону розчину з нижчим вмістом солей. Відбувається процес протискування води через напівпроникну мембрану з метою одержання обезсоленої води. Зворотно осмотичні мембрани мають тонкий гомогенний шар без пор. Ступінь розділення на мембрані дуже високий і токсичний. Лише сліди деяких солей можуть проходити через структуру мембран. Бактерії і в тому числі віруси мембрана не пропускає. Саме тому за допомогою зворотного осмосу можна одержати високоочищену питну воду або ж у залежності від співвідношення відбору фільтрату, надчисту воду для медичних цілей. Така вода добре зарекомендувала себе у промисловості харчових продуктів, особливо алкогольних напоїв. Відбір чистої води при її очищенні цим методом складає від 40 до 75%. За допомогою установок зворотного осмосу, наприклад, фірми РОХЕМ РО — Васербехандлунг ГмбХ (м. Гамбург) можна одержати від 500 до 2 000 000 літрів на добу екологічно чистої води. Всі ці установки випускаються у модульному виконанні. Зворотним осмосом воду можна обезсолити на 98 % і більше.
Крім зазначених операцій очищення з води водаляють сполуки Феруму, Силіцію, здійснюють дегазацію води.
Видалення сполук Феруму. У підземних водах Ферум за звичай знаходиться у вигляді Fe(HCO3)2, у поверхневих водах — у вигляді тонкодисперсної суспензії гідроксиду або входить до складу комплексних органічних речовин. Підземні води очищають від Феруму спрощеною аерацією (вільне падіння води з висоти 0,4 — 0,6м) з наступним фільтруванням через шар зернистого матеріалу. Метод використовують при загальному вмісті Феруму до 10 мг/л (у тому числі Fe2+ не менше 70%); H2S — до 0,5 мг/л; рН не менше 6,8. В інших випадках застосовують спеціальні методи.
Аерація, яка суміщається з підлуженням води Са(ОН)2 або Na2CO3 і фільтруванням, є універсальний метод, якмй дозволяє видалити Ферум в усіх його формах з підземних і поверхневих вод.
Обезкремнювання води (у природній воді вміст H2SіO3 і її солей зазвичай коливається від 1 до 50-60 мг/л) необхідне для усунення утворення накипу. Високі концентрації H2SіO3 і її солей внаслідок утворення накипу недопустимі у воді, яка використовується для постачання парових котлів високого тиску, а також у деяких виробництвах ((наприклад, харчових продуктів, медичних препаратів, целюлози, напівпровідників, електрохімічних виробництвах).
Для обезкремнювання води використовують солі Fe3+ , або Al3+, або Mg(OH)2, обпалений доломіт, а також метод іонного обміну.
Дегазація води проводиться для видалення з неї розчинених газів (О2, СО2, H2S), які підвищують її корозійність і надають неприємного присмаку і запаху (H2S, СН4). На теплових електростанціях процес дегазації здійснюють головним чином через воду пари. При цьому в результаті нагрівання її до температури кипіння при атмосферному тиску або в вакуумі розчинність газів знижується до нуля. Аерацію води шляхом її розбризкування використовують в основному для очищення води від H2S і СО2 (О2 цим способом не видаляється), як самостійний цей спосіб застосовують при малих значеннях концентрацій H2S і при рН <5. Використовують для дегазації (переважно для видалення О2) також деякі відновники — SO2, Na2SO3, Na2S2O3, гідразин. Очищенням води у біохімічних реакторах з наступним фільтруванням через шар зернистого матеріалу можна практично повністю усунути H2S, гідрогенсульфіди і сіркові сполуки.
Очищення води в домашніх умовах. Для додаткового очищення водопровідної або іншого походження води в домашніх умовах зараз все ширше використовують спеціальні фільтри, які наповнені вугільним або оксидним адсорбентом. Недолік цих фільтрів полягає в тому, що споживач води часто не знає, коли їх очисна здатність втрачається і коли саме потрібно зробити заміну забрудненого фільтра. Крім цього , дуже глибоке очищення води позбавляє споживача важливих іонів, які в оптимальних кількостях повинні бути у воді, наприклад, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Cl-, F- і інші.
Водні ресурси річок України оцінюються такими показниками.
Площа, тис. км2 — 603,7; населення, млн. Чоловік — 48 млн. 457 тис. (дані перепису 2001р.); середній річний об'єм , км3 : місцевого стоку — 49,9б притоку — 159,0б загального стоку — 209,0; водозабезпечення загальним стоком, тис. км3 : 1 км2 території — 0,34, на одного жителя — 4,42. Ці цифри означають, що Україна за водозабезпеченням має один з найнижчих показників серед країн, які утворились на території колишнього Радянського Союзу. А проблема водозабезпечення жителів України чистою водою є надзвичайно важливою.
Проблеми водоочищення розглянуті також у частині ІІІ даного видання “Актуальні проблеми екології та екохімії” (розділ 4 - “Водоочищення”)
Вже саме перебування води у природі у трьох агрегатних станах — газуватому (пара), рідкому і твердому (лід) виділяє її як особливу речовину. Хоч молекула води досить проста за хімічним складом, але будова рідкої і твердої води має свої особливості. У рідкому стані вода існує у вигляді асоціатів, де переважають димери. Якщо воду нагрівати, то кількість асоційованих молекул зменшується, а при охолодженні збільшується. Якщо воду, наприклад, налити у звичайну миску і поставити її у холодильник при температурі менше 00С, то через деякий час вона почне кристалізуватись біля стінок посудини, а вода з домішками буде збиратись у середині частині налитого об'єму води. Якщо цю воду з “серцевини” посудини злити, а лід на стінках миски розтопити, то можна одержати чисту воду, збагачену асоціатами у домашніх умовах. Така вода корисна для приготування різноманітних відварів, лікарських трав. Вона містить менше різних шкідливих домішок (у тому числі і важкої води), ніж водопровідна. Численними дослідженнями встановлено, що короткочасний вплив магнітного поля на воду надає їй особливих властивостей. У такій воді зростає швидкість багатьох хімічних реакцій, полегшується кристалізація розчинених у воді речовин, краще злипаються дрібні частки домішок, інтенсифікуються процеси утворення осадів. Хоч природа наслідків дії магнітного поля на воду остаточно не з'ясована, але на підставі багатьох досліджень можна припустити, що магнітне поле діє безпосередньо на гідратну оболонку іонів і асоціатів, які є у воді.
Є дані, що полив магнітною водою підвищує урожай культур, така вода має бактерицидну дію і навіть сприяє видаленню ниркових каменів.
Для технології магнітна вода корисна тим, що з такої води майже не утворюється накип на стінках апаратів, труб і котлів. Саме тому магнітна вода найбільше підходить для створення різних замкнених технологічних циклів. З успіхом використовується магнітна вода у флотаційних процесах переробки мінеральної сировини.
Якщо обезсолену воду нагріти при великому тиску до високої температури, то після охолодження така вода стає набагато активнішою. Це явище дістало назву температурної активації води. Активована вода має питому електропровідність у 10-20 вищу, ніж звичайна, розчинність карбонатів, сульфатів і силікатів у такій воді значно збільшена.
Вода дуже чутлива до різних домішок хімічних речовин. Якщо до води, наприклад, прибавити дуже мало (значно менше 1%) поліетиленоксид, або поліокс (-СН2 - О - СН2 -)n, то вода різко зменшує свою в'язкість, а за рахунок цього швидкість її течії різко зростає, така вода у 2,5 рази швидше наповнює резервуари, ніж звичайна.
При введенні у воду малих кількостей деяких силікатних сполук вода може стати сухою або набути еластичних властивостей, які властивості гумі.
Особливі властивості воді надають також мікродомішки неорганічних іонів, особливо малі кількості Аргентуму.
Бактерицидна дія іонів Аргентуму у воді настільки сильна, що перевищує дію багатьох широко відомих антибіотиків, наприклад, пеніцилину або біоміцину. Якщо в 1 л води міститься всього 1 мг Аргентуму, то у ній гинуть віруси грипу, концентрації Аргентуму 0,1-0,4 мг/л знищують збудників багатьох видів, які викликають епідемічні хвороби, що поширюються через воду. Існують спеціальні прилади-іонатори, які сприяють переведенню срібла в сполуки Аргентуму і наступній їх розчинності у воді. Необхідна концентрація Аргентуму у питній воді становить 0,05 — 0,5 мг/л. Якщо срібну питну воду вживають систематично то рекомендована доза Аргентуму не повинна перевищувати 0,05 мг/л.
Щодо проблеми очищення води і покращення екологічного стану водного середовища в Україні, тор найбільший внесок тут, без сумніву, зробили співробітники Інституту колоїдної хімії і хімії води НАН України.
Якщо звернутись до біблії, то у книзі Буття сказано: “І сказав Бог: нехай буде твердь серед води, і нехай відділяє вона воду від води. І створив Бог твердь; і відділив воду, яка під твердю, від води, яка над твердю. І стало так”. Тут під “твердю” розуміється атмосферний шар, який оточував Землю. “Вода, яка над твердю” - це був щільний сферичний шар водяної пари, який оточував Землю! Цей шар водяної пари служив захисним водним екраном Землі і забезпечував на ній субтропічний парниковий ефект.
Така обставина приводила до того, що у давні часи клімат Землі дуже помітно відрізняється від того, який існує у наші дні.
Довгохвильове випромінювання сонячного світла проходило через захисний шар водяної пари, розсіюючись і поширюючись у різних напрямах. Тому світло досягло всіх широт з однаковою інтенсивністю. Тепло світло досягало всіх широт з однаковою інтенсивністю. Тепло, яке випромінювалось поверхні Землі у вигляді короткохвилоьового випромінювання, затримувалось усередині водяної оболонки. Це створювало середовище з парниковим ефектом на усій поверхні земної кулі. Наслідком цього був однаковий стабільний клімат від полюса до полюса, який був субтропічним. Вологість на Землі була дуже високою, але дощі на Землю не випадали. За Біблією дощу не було аж до самого всесвітнього потопу. Шар води, який оточував Землю, міг фільтрувати шкідливе космічне випромінювання, поглинаючи короткохвильлове випромінювання, наприклад ультрафіолетові промені. Тобто функція водяного шару тоді була такою, яка властива озоновому шару тепер.
Короткохвильове випромінювання надзвичайно небезпечне для життя, бо викликає дегенеративні генетичні зміни у хромосомах клітин і прискорює процес старіння організму. Саме існування водного екрану пояснюють той факт , що у допотопні часи рослини і тварини були набагато більші, здоровіші, сильніші і жили довше. Про величезні розміри тварин і рослин і субтропічний клімат допотопних часів свідчать численні розкопки у заполярних зонах північної і південної півкуль Землі. Мохоподібні рослини досягали 12 м у висоту, папоротники — 16 м, птахи виростали до 3 м, ріст гігантрських носорогів перевищував 6 м.
Середній вік людини, яка жила до всесвітнього потопу, був приблизно 900 років. Після потопу цей показник становив 175 років. Водна екранна модель захисту Землі пояснює, чому після потопу люди стали жити менше. Коли під час потопу водна оболонка зруйнувалась (лавина води під час потопу випадала протягом 40 днів і ночей), то на Землю полинув надмірний (у порівнянні з допотопним періодом) потік небезпечного короткохвильового випромінювання сонця.
З часом короткохвильове випромінювання продовжувало викликати певні зміни у генетичних кодах живих істот.
Ці зміни переходили до наступних поколінь. Процес старіння організму прискорювався. Внаслідок цього тривалість життя людини різко скоротилась і в наш час складає у середньому від 70 до 80 років.
Таким чином Біблія дає пояснення причин різної тривалості життя на Землі у певні періоди її існування.
На наш погляд, така функція води у допотопний період цілком має право для осмислення, поскільки є досить переконливою.