СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ПРИРОДНЫХ ВОД
METHOD FOR DETERMINING THE HARDNESS OF NATURAL WATERS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к физико-химическим методам анализа природных вод в водоканалах при подготовке питьевых вод.
Уровень техники
2+
2+
+
-
2-
-
2-
2+
2+
3
3
4
2
2
2
Природные воды характеризуются содержанием в них ионов Са, Mg, Na, НСО, CO, Cl, SO и др. газов О, N, CO и др. Жесткость природных вод обусловлена содержанием в них ионов Са и Mg.
3
3
-
2-
Растворенный в воде углекислый газ в зависимости от рН среды находится в равновесии с ионами HCO и ионами CO. В природных водах устанавливается динамическое равновесие, которое описывается обратимой реакцией
.
3
3
-
-
Значение рН 6,5-8,5 большинства природных вод обусловлено содержанием в них ионов HCO. Ионы НСО содержатся во всех водах, кроме вод с рН ниже 4.
3
2
3
3
-
2-
2+
-9
2+
Для устойчивости ионов НСО в воде необходимо содержание равновесного CO. Содержание ионов СО в природных водах при наличии ионов Са невелико вследствие малой растворимости CaCO (ПР=5⋅10). Ион Са главный ион в маломинерализованных природных водах.
2+
2+
Жесткость природных вод выражают числом миллиграммов или миллиграмм эквивалентов ионов Са и Mg в 1 л воды. Различают карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную) жесткость, сумма которых равна общей жесткости воды.
2+
2+
-
-
2+
2+
3
3
Карбонатная жесткость обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, т.е. карбонатная жесткость - это количество ионов Са и Mg, связанное HCO ионами. Эквивалентная концентрация ионов HCO равна сумме эквивалентных концентраций катионов Са и Mg.
Некарбонатная жесткость воды обусловлена содержанием в природных водах солей хлоридов и сульфатов кальция и магния.
o
По величине общей жесткости H природные воды характеризуют следующим образом:
В природных водах концентрация магниевых солей обычно меньше концентрации кальциевых солей. Общая жесткость природной питьевой воды должна быть не более 8 мг⋅экв/л.
2+
2+
Для определения концентрации ионов кальция и магния в природных водах используют комплексонометрический метод и метод атомной спектрометрии. Комплексонометрический метод основан на образовании ионами Са и Mg прочных этилендиаминтетраацетатных (ЭДТА) комплексов.
2+
2+
Недостатки метода: определению могут мешать некоторые органические вещества и ионы других металлов. Требуется приготовление титровянного раствора ЭДТА и использование индикаторов эриохрома и мурексида. Погрешность определения концентрации ионов Са, Mg составляет ±10%.
Методом атомной спектрометрии определяют поглощение каждого элемента при аналитической длине волны для кальция 422,7 нм, для магния 285,2 нм.
Недостатки метода: высокая стоимость определения концентрации ионов кальция, магния, ограниченная возможность широкого использования метода.
Раскрытие изобретения
2+
2+
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание нового амперометрического способа определения концентрации ионов Са, Mg в природных водах. Амперометрический способ основан на измерении удельной электропроводимости сильно разбавленных природных вод.
3
Поставленная задача решается при использовании постоянного электрического тока. В данном случае способность природных вод проводить электрический ток характеризуется концентрацией электрического тока, т.е. концентрацией электронов, переносимых через 1 см воды при напряжении электрического поля в 1 В при 20°C.
3
3
3
выражается в А/см. Следовательно, концентрация электрического тока, т.е. плотность электрического тока А/см, является единицей измерения удельной электропроводности δ, которая соответствует физической природе электропроводности воды, δ А/см.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема установки для измерения электропроводности природных вод на постоянном электрическом токе:
1 - батарея на 4 В;
2 - магазин электрического сопротивления на 1000 Ом;
3 - микроамперметр постоянного тока на 50 мкА;
4 - вольтметр постоянного тока на 3 В;
5 - электролитическая ячейка из стекла со съемными медными электродами.
2
-1
При этом использовали электролитическую ячейку из стекла со съемными медными электродами, изготовленными из гладкой листовой меди. Площадь поверхности электрода S=1 см, расстояние между электродами L=1 см, постоянная ячейки С=1 см.
3
3
Погрешность измерения электропроводности в ячейке ±2,5%. Электролитическая ячейка работает в режиме электронной электропроводности воды. Электронную электропроводность следует характеризовать концентрацией электронов, переносимых через 1 см воды, заключенной между электродами в ячейке, т.е. концентрацией электрического тока при напряженности электрического поля в 1 В при 20°C. Единица измерения удельной электропроводности δ, мкА/см.
2
4
2+
2+
2+
2+
На фиг. 2 представлен градуировочный график измеренной удельной электропроводности стандартных водных растворов солей CaCl и MgSO. Эквивалентная концентрация ионов Са, ионов Mg и суммы Σ(1/2 Са+1/2 Mg) в приготовленных стандартных водных растворах составила, мг⋅экв/л: 0,1; 02; 0,3.
-4
2+
2+
i
Для данных сильно разбавленных водных растворов с ионной силой J<10 М коэффициент активности f равен 1. Следовательно, активность ионов Са и Mg равна аналитической концентрации ионов:
i
i
a=c.
2+
2+
В водных растворах соли, содержащие ионы Са, Mg не подвергаются гидролизу.
Для измерения электропроводности водных растворов использовали амперометрический способ.
2+
2+
3
Из фиг. 2 видно, что под воздействием приложенного электрического поля в 1В при 20°C для ячейки (-)Cu (раствор) Cu(+) с увеличением концентрации ионов Са, Mg до 0,3 мг⋅экв/л удельная электропроводность повышается прямолинейно от 3 до 20 мкА/см.
3
При этом удельная электропроводность дистиллированной воды равна 3 мкА/см.
2+
2+
Таким образом, построенный градуировочный график можно использовать для амперометрического определения эквивалентной концентрации мг⋅экв/л, ионов Са, Mg с содержанием их в сильно разбавленной природной воде меньше 0,3 мг⋅экв/л.
2
2
2
На фиг. 3 представлен фрагмент структуры цепи молекул HO с атомом кальция и атомом магния. В исследуемых природных водах вследствие энергии электростатического взаимодействия все ионы кальция и магния присоединяются к цепям молекул HO. В цепях молекул HO на атомах H, Ca, Mg сосредоточены положительные электрические заряды с пониженной непрерывной электронной плотностью.
2
Разрешенный объем, занятый атомами Н, Са, Mg в цепях молекул HO, является зоной проводимости электронов. Такая структура допускает свободный перенос электронов от источника постоянного электрического тока через атомы Н, Са, Mg в приложенном электрическом поле природной воды.
Осуществление изобретения
Ход определения жесткости природных вод.
3
2
3
3
-
-
-
Перед анализом измеряют рН природной воды, чтобы определить кислотно-основные свойства, которые обусловлены содержанием НСО ионов. В природных водах в области рН 6,5-7,5 основными компонентами являются CO и НСО - ионы, в области рН 7,5-8,5 присутствуют, главным образом НСО - ионы.
3
2+
2+
Пробу воды разбавляют дистиллированной водой до тех пор пока удельная электропроводность не окажется меньше 20 мкА/см. При этом эквивалентная концентрация ионов Са, Mg должна быть меньше 0,3 мг⋅экв/л (см. фиг. 2). Величина разбавления воды может быть от 1:10 до 1:100 и более.
2
Перед каждым измерением электроды промывают дистиллированной водой и протирают фильтровальной бумагой. Поверхность электродов должна быть чистой и сухой. Зачищать электроды наждачной бумагой запрещено, чтобы не нарушить оксидную фазовую пленку меди (эвтектику Cu-CuO).
2
Продолжительность измерения удельной электропроводности после погружения электродов в воду 10 мин. Это время упорядоченного, параллельного расположения цепей молекул HO вдоль силовых линий приложенного электрического поля.
Са2+
Mg2+
3
Через 10 мин от начала измерения считывают концентрацию С,  мг⋅экв/л с градуировочного графика по измеренному значению удельной электропроводности δ, мкА/см (см. фиг. 2). Далее определяют общую жесткость воды по формуле
o
Са2+
Mg2+⋅
H=С, D мг⋅экв/л,
где D - величина разбавления пробы воды.
2+
2+
Определению концентрации ионов Са, Mg не мешает ничтожно малое содержание ионов других металлов.
к
Определение карбонатной жесткости Н природных вод по содержанию ионов
3
-
НСО.
3
к
-
При анализе воды в расчетах обычно пользуются следующими соотношениями: 100 мл воды титруют 0,1 N раствором HCl (индикатор - метиловый оранжевый) 1 мл 0,1 N раствора HCl соответствует 1 мг⋅экв/л HCO. Число мл 0,1 N раствора HCl=Н мг⋅экв/л.
н
Некарбонатная жесткость Н воды обусловлена содержанием в воде других солей кальция и магния, например сульфатов, хлоридов и др.
Некарбонатную жесткость природной воды определяют по формуле
н
о
к
Н=Н-Н мг⋅экв/л.