Определение наличия в воде агрессивной углекислоты

Во всех природных водах, имеющих рН ниже 8,3-8,4, присутствует свободная углекислота. Она поступает в воду главным образом как конечный продукт биохимических процессов окисления органических веществ, содержащихся в водоемах и почве. Для артезианских вод особенно характерно повышенное содержание свободной углекислоты. В природных водах, кроме свободной углекислоты, находящейся в виде растворенного в воде газа СО2 и недиссоциированных молекул Н2СО3, содержится «полусвязанная» углекислота (ионы ), а иногда и «связанная» углекислота (ионы ).

Поверхностные природные воды идентичны системе, в которой растворы карбонатов находятся в контакте с атмосферой с определенным парциальным давлением свободной углекислоты, при этом рН растворов определяется углекислотным равновесием. Количественно соотношение между присутствующими в воде углекислыми соединениями определяется уравнениями первой и второй ступеней диссоциации угольной кислоты:

и ,

Соотношение между различными формами соединений угольной кислоты при неизменной температуре зависит от концентрации ионов водорода, т.е. от значения рН. Контакт природных вод с воздухом способствует обмену свободной углекислотой между водой и воздухом. Изменение концентрации углекислоты в воде влечет за собой изменение рН, а, следовательно, происходит изменение концентрации карбонатных ионов.

Существующее углекислотное равновесие может быть выражено суммарно следующими уравнениями:

или

Равновесной концентрации бикарбонат-ионов в воде при данной температуре соответствует равновесная концентрация свободной углекислоты. Если находящееся в воде количество свободной кислоты будет ниже равновесного, то это приведет к дополнительному образованию карбонат-ионов , которые могут перевести в осадок (в виде СаСО3) ионы кальция. И наоборот, избыток фактически присутствующей в воде свободной углекислоты по сравнению с ее равновесной концентрацией делает воду «агрессивной», т.е. способной растворять карбонат кальция.

Количественно агрессивная двуокись углерода определяется расчетом исходя из концентрации свободной и равновесной углекислоты. Расчет проводят для той температуры, до которой предполагается нагревать воду. Для практики достаточно ориентироваться на результаты, полученные при комнатной температуре, т.к. нагрев воды не вызовет появления двуокиси углерода, а, наоборот, приведет к ее снижению

а) Концентрацию равновесной двуокиси углерода в миллиграммах на кубический дециметр воды можно рассчитать по формуле:

,

где и - константы диссоциации угольной кислоты по I и II ступеням; - произведение растворимости СаСО3; , - концентрации ионов, г-ион/дм3; и - коэффициенты активности одно- и двухвалентных ионов; 44 – эквивалент угольной кислоты.

Константы диссоциации угольной кислоты и значения даны в таблице 9.

Таблица 9

 

t воды, °С К1 , 10-7 К2 , 10-11 , 10-9 t воды, °С К1 , 10-7 К2 , 10-11 , 10-9
3,43 3,21 7,05 5,15 6,73 2,37
3,80 3,71 5,91 5,05 7,20 1,83
4,15 4,20 5,22 4,60 7,52 1,35
4,45 4,69 4,80 4,21 7,55 1,02
4,71 5,13 3,93 3,8 7,58 0,74
5,06 6,03 3,03 3,35 7,61 0,47

 

Значения коэффициентов активности зависят от ионной силы раствора µ, т.е. от концентрации и валентности всех содержащихся в воде ионов. Поэтому для определения коэффициентов активности сначала находят ионную силу раствора µ.

Для определения ионной силы раствора необходимо выразить концентрацию всех ионов в используемых для расчетов единицах - в грамм-ионах на кубический дециметр воды (г-ион/дм3). Для этого надо умножить все значения концентраций ионов, выраженных в миллиграммах на кубический дециметр воды (мг/ дм3), на 10-3 и разделить на ионную (молекулярную) массу.

 

Для проведения расчетов необходимо учесть процесс термического разложения бикарбонатов, происходящий при нагревании воды. В условиях нормальной работы водогрейного оборудования вода в процессе нагревания не вскипает, поэтому разложение бикарбонат-ионов происходит без отвода из системы газообразной углекислоты. Отсюда следует, что концентрацию карбонатных ионов, образовавшихся в результате термического разложения бикарбонат-ионов, можно определить по формуле:

,

где и - концентрации ионов, мг/дм3; и - массы ионов, определенные с помощью таблицы Менделеева.

Ионную силу раствора в грамм-ионах на кубический дециметр определяют по формуле:

где Сион – концентрация иона, г-ион/дм3; Zион – валентность иона, найденная по таблице Менделеева.

Коэффициенты активности одновалентных бикарбонат-ионов и двухвалентных ионов кальция находят по таблице 10 или используют формулы:

и


Таблица 10

 

µ ,   0,001   0,002   0,005   0,01   0,02   0,05   0,1   0,2
f1 0,97 0,95 0,93 0,90 0,87 0,81 0,76 0,70
f2 0,87 0,82 0,74 0,66 0,58 0,44 0,33 0,24

 

б) Концентрацию равновесной двуокиси углерода сопоставляют с результатами анализа воды по содержанию свободной углекислоты. Если концентрация свободной углекислоты, определенная аналитически, превышает расчетную равновесную – вода содержит агрессивную двуокись углерода, если она будет меньше – агрессивной двуокиси углерода нет.

Разница в концентрациях свободной и равновесной углекислоты указывает лишь на наличие агрессивной ее формы, но не дает точного представления о содержании в воде агрессивной углекислоты. Наиболее точно ее содержание может быть установлено аналитически по методу Гейера, основанному на увеличении щелочности воды при взаимодействии агрессивной двуокиси углерода с карбонатом кальция (мрамором).

 

3 Описание лабораторных установок, перечень необходимого оборудования и реактивов.