Определение жесткости воды

 

Содержание

 

Введение ……………………..………………………………………………...…… 3

Определение жесткости воды …………………………………………..………… 4

Скважность  и пористость ………………...…………..…………………………… 6

Классификация подземных вод по условиям залегания ………………………… 9

Список литературы ……………………………………………………………..… 23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В пещерах спелеологи встречаются с красивейшими известковыми образованьями – свешивающимися со сводов сталактитами и растущими вверх сталагмитами. С точки зрения химии, возникновение этих удивительных творений природы – это жесткость подземных вод. Понятие жесткости воды мы встречаем не только в спелеологии и в геологии, а, вообще, повсеместно – в химии, техники и даже в быту. И поэтому это понятие очень важно для определения качества воды.

 

Определение жесткости воды

Жесткость воды - свойство воды (не мылиться, давать накипь в паровых котлах), связанное с содержанием растворимых в ней соединений кальция и магния, это параметр, показывающий содержание катионов кальция, магния в воде.

Жесткость - это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение. Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях и пр., чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Такой тонкий слой на греющей поверхности вовсе не безобиден, так как продолжительность нагревания через слой накипи, обладающей малой теплопроводностью, постепенно возрастает, дно прогорает все быстрее и быстрее – ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться так, что дно сосуда не выдержит и даст течь. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы.

Жесткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает еще и моющие свойства мыла.  Катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая вода плохо мылится

Существует  два типа жесткости: временная и  постоянная. Обусловлено это различие типом анионов, которые присутствуют в растворе в качестве противовеса кальцию и магнию.

Временная жесткость связана с присутствием в воде наряду с катионами Ca²⁺, Mg²⁺ и Fe²⁺ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO₃^-).

Постоянная  жесткость (или некарбонатная) возникает, если в растворе присутствуют сульфатные, хлоридные, нитратные и другие анионы, соли кальция и магния которых хорошо растворимы и так просто не удаляются. Общая жесткость определяется как суммарное содержание всех солей кальция и магния в растворе.

В разных странах  существуют свои нормы жесткости  для воды. У нас в стране вода классифицируется по жесткости таким образом:

• Мягкая вода с жесткостью менее 3,0 мг-экв/л,
• Средней жесткости – 3,0-6,0 мг-экв/л
• Жесткая – более 6,0 мг-экв/мл.

Методы устранения жесткости

Чтобы избавиться от временной  жесткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.

Ca² + 2HCO₃^- = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑     

 С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO₃ неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)₃, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.

С постоянной жесткостью бороться труднее. Один из вариантов: вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лед превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жесткость, остаются в не замершей воде.

Еде один способ – перегонка, то есть, испарение  воды с последующие ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим  соединениям, они остаются, а вода испаряется.

Но такие  методы, как замораживание и перегонка  пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность же имеет  дело с тоннами. Поэтому используют другие методы. Наиболее широко используется катионообменный способ, основанный на применении специальных реагентов – катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия.

С последствием жесткости  воды - накипью, с точки зрения химии  можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.

В качестве средства для удаления накипи применяются  также адипиновая кислота и малеиновый ангидрид, которые добавляются в воду. Эти вещества слабее сульфаминовой кислоты, поэтому для снятия накипи необходимо так же кипячение.

 

Скважность  и пористость

 

Подземные воды заполняют пустоты в горных породах: поры (мельчайшие пустоты диаметром менее 1 мм), каверны, трещины. Характеристиками степени пустотности горных пород являются скважность и пористость, которые в значительной степени влияют на их прочность (сжимаемость), водопроницаемость, теплопроводность и другие свойства.

Под скважностью (по Ф. П. Саваренскому) понимается совокупность пустот всех размеров и форм в породе. По размеру пустот скважность делится на капиллярную и некапиллярную (пористость). Размеры капиллярных и некапиллярных пустот приведены в таблице «Классификация скважности горных пород».

Происхождение пустот в породах может быть различно. Первичные пустоты образуются при формировании горных пород. В магматических породах тонкие трещины возникают при остывании магмы, в осадочных породах пустоты остаются после превращения в породы пористых осадков.

Классификация скважности горных пород

Вторичные пустоты  в породах образуются при тектонических движениях, выветривании, растворении и выщелачивании части горных пород. Первичные и вторичные пустоты могут быть как изолированными. так и сообщающимися между собой. Это оказывает большое влияние на свойства грунтов (водопроницаемость, воздухопроницаемость, морозостойкость и др.). Численно скважность выражается пористостью (n) и коэффициентом пористости, или приведенной пористостью (ε).

Пористостью (n) называют отношение объема пор (V_p) к объему породы (V), а коэффициентом пористости (ε) - отношение объема пор (V_p) к объему скелета породы или к объему ее твердой части (Vs). Пористость выражают обычно в процентах, а коэффициент пористости - безразмерной величиной, которая для очень пористых пород может быть больше единицы. Скважность в породах колеблется в широких пределах. Наименьшей скважностью обладают обычно магматические, метаморфические и плотные осадочные породы. В зависимости от пористости пески делятся на группы.

Пористость пород обычно вычисляется по плотности, объемной массе и влажности. Точность вычисления зависит от точности определения этих величин в лаборатории. При изучении свойств пород, особенно скальных, кроме общей пористости, характеризующей объем всех пустот в породе независимо от их формы, размеров и взаимного расположения, определяют некоторые ее разновидности. К ним относятся открытая, эффективная и дифференцированная пористости

Классификация песков по плотности зависимости  от коэффициента пористости (s)

Открытая  пористость определяется объемом жидкости (воды, керосина), вошедшей в испытуемый образец при свободном его насыщении. Эффективная пористость соответствует объему жидкости, насыщающей образец в условиях вакуума. Она характеризует ту часть пор, по которым возможно движение жидкости (воды) или газа. Дифференцированная пористость соответствует суммарному объему пор определенного размера (< 0,001; 0,001-0,01 мм и т. д.). Все указанные пористости выражаются в процентах.

Горные породы, которые содержат или могут содержать  в себе жидкости или газы, называют коллекторами. Большая пористость не является обязательным показателем хороших коллекторных свойств горной породы. Глины, обладающие пористостью до 50%, относят к водоупорам, т. е. образованиям, не пропускающим через себя жидкость или газ. И наоборот, песчаники с пористостью 20% считаются хорошими коллекторами. Объясняется это тем, что в первом случае поры изолированы (не связаны друг с другом), поэтому по ним происходит движение жидкости или газа. Во втором случае поры связаны между собой мельчайшими каналами, создающими своеобразные пути движения. Кроме пор в породах присутствуют каверны, крупные пустоты и трещины. В совокупности они и образуют скважность породы.

Классификация подземных вод по условиям залегания 

 

Классификацией подземных  вод занимались многие исследователи. Существует довольно много классификаций подземных вод. Это объясняется сложностью и большим разнообразием природных условий нахождения подземных вод, а также различными требованиями, предъявляемыми при эксплуатации тех или иных типов вод. Подземные воды классифицируются по их происхождению, условиям залегания, гидродинамическим показателям, температуре, качественному составу, литологическим особенностям вмещающих пород), геологическое возрасту водоносных пластов и другим признакам.

В 1948 г. А. М. Овчинниковым была разработана классификация  подземных вод по условиям залегания. Им выделены три основных типа вод: верховодка, грунтовые и артезианские. В зависимости от состава водосодержащих пород намечены подтипы вод, движущихся в пористых и трещиноватых горных породах. В качестве особых подтипов рекомендуется различать воды районов вечной мерзлоты и молодого вулканизма.

Еще одна классификация  подземных вод. подразделяющая их по условиям залегания, характеру напора, особенностям режима, происхождению и использованию в народном хозяйстве, разработанная А. М. Овчинниковым и П. П. Климентовым. В этой классификации выделяются три основных типа подземных вод: воды зоны аэрации, грунтовые и артезианские.

Подземные гравитационные воды залегают на некоторой глубине (за исключением болот и заболоченных земель). Верхней границей этих вод является обычно некая условная поверхность, совпадающая с уровнями воды, устанавливающимися в колодцах, скважинах и других выработкax при вскрытии водоносных горизонтов. От поверхности земли до этих уровнен (условной поверхности) в почвах и породах находится, кроме связанной и капиллярной воды, еще и воздух. Эта верхняя часть какого-либо участка называется зоной аэрации. В пределах зоны аэрации выделяют почвенные воды и верховодку.

Воды зоны аэрации  обычно временные, образующиеся в периоды  наилучшего питания (большей частью весной) и залегающие вблизи дневной поверхности (верховодка) для которых водоупорным ложем служат линзообразные пласты, слабо проводящие воду пород (суглинки, супеси и т. п.), или отдельные линзы водонепроницаемых пород (глины).

Почвенные воды находятся в почвенном слое близ поверхности земли, являются связанными, капиллярными подвешенными или гравитационными (в период снеготаяния и интенсивного выпадения атмосферных осадков).

Ниже зоны аэрации, где вода заполняет все пустоты  в горных породах, находится зона насыщения.

Распределение воды в верхней части земной коры

В зоне насыщения, на некоторой глубине от поверхности  земли, в водопроницаемых породах находятся постоянные гравитационные воды, имеющие «свободную» поверхность, давление на которой равно атмосферному, и ограниченные снизу первой от поверхности водонепроницаемой, выдержанной по площади горной породой (на первом водоупорном слое). Такие воды, обычно безнапорные, называются грунтовыми.

Выше уровня грунтовых вод находится капиллярная кайма (или зона капиллярной каймы), высота которой определяется в основном составом и состоянием пород в пределах каймы. Водой заполнены капиллярные поры, имеющие диаметр менее 1 мм. Более крупные поры свободны от воды.

Напоры в  грунтовых водах наблюдаются  редко и носят местный характер. Ниже первой от поверхности водонепроницаемой выдержанной по площади породы на большей части площади суши подземные воды залегают в осадочных породах. Эти воды называются межпластовыми. Они могут быть безнапорными и напорными.

Напорные воды называются артезианскими. Они распространены на значительной площади между водонепроницаемыми породами кровли и подошвы, образующими синеклизы, синклинали или моноклинали.

Классификация подземных вод по условиям залегания I-почвенные воды; II-верховодка; III-грунтовые воды; IV-межпластовые безнапорные воды; V- напорные (артезианские воды); 1 - капиллярная кайма; 2 -уровень верховодки; 3 -уровень грунтовых вод; 4-уровень межпластовых безнапорных вод; 5 - пьезометрический уровень напорных вод; 6 - ветчина напора в скважинах; 7 - водопроницаемые породы; S - слабопроницаемые и водонепроницаемые породы; 9 - водопроницаемые породы; 10 - водонепроницаемые породы; 11 - родник