Расчет содержания карбонатных ионов в воде

 

Теоретическая часть

Диоксид углерода (СО₂) находится в воде как в растворенном виде, так и в форме угольной кислоты. Содержание диоксида углерода зависит от солесодержания, рН, температуры, концентрации ионов Са²⁺ и характеризуется карбонатным равновесием. Суммарное содержание СО₂ + Н₂СО₃, которое определяют при химическом анализе воды, объединяется понятием свободная угольная кислота. Различают углекислоту: 1) общую; 2) гидрокарбонатную (НСО₃^-); 3) карбонатную (СО₃ ^2-); 4) свободную (СО₂); 5) равновесную; 6) агрессивную. Определить формы углекислоты, содержащиеся в воде, можно по константам диссоциации кислоты и рН среды. Углекислота в водном растворе диссоциирует на ионы ступенчато:

H₂CO₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^- ; К₁ = 4,5 •10 ^-7

 

НСО₃^- ↔ Н⁺ + СО₃^2- ; К₂ = 5,6 •10 ^-11

В природных водах устанавливается динамическое равновесие между СО₂, НСО₃^–, СО₃^2–:

CO₂ + Н₂O ↔ Н₂СO₃ ↔ Н ⁺ + НСО₃^- ↔ 2Н ⁺ + СО₃^2-

Соотношение форм углекислоты зависит от рН воды (рис. 4). При рН < 4 вся углекислота находится в виде углекислого газа СО₂; при рН = 8,4 в воде содержатся преимущественно ионы НСО₃^–; при рН > 10,5 преобладают карбонатные ионы СО₃^2–.

Рис. 4. Влияние рН на соотношение различных форм

СО₂, НСО₃^-, СО₃^2-

 

Пример решения индивидуального задания

Пример.

Условие задания: Определить концентрацию карбонатного иона СО₃^2- в исследуемой воде, если рН = 7,1 и [НСО₃^-] = 6,8 мг-экв/дм³ (415мг/дм³).

Решение

1). Концентрацию ионов водорода воды при рН =7,1 рассчитывают по формуле:

[Н⁺] = 10^-рН = lg10^-7,1=7,94 •10^-8 моль/дм³

2). Угольная кислота диссоциирует на ионы ступенчато:

H₂CO₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^- ; К₁ = 4,5 •10 ^-7

 

НСО₃^- ↔ Н⁺ + СО₃^2- ; К₂ = 5,6 •10 ^-11

Карбонатный ион(СО₃^2-) входит в уравнение второй константы диссоциации угольной кислоты, поэтому для решения используем выражение для К₂:

= 5,6 •10 ^-11

9.3. Индивидуальные задания

Условие задания (табл. 7.12):

Определить концентрацию карбонатного иона СО₃^2- в исследуемой воде, если известны значения рН и концентрация НСО₃^- (см. табл. 7.12).

Расчетно – графическое определение параметров

Стабилизационной обработки воды

Теоретическая часть

Содержащиеся в воде ионы НСО₃^-, СО₃^2- и СО₂, связаны между собой углекислотным равновесием:

СО₃^2- + СО₂ + Н₂О = 2 НСО₃^-

Вода, в которой соблюдается основное карбонатное равновесие, называется стабильной. Она не изменяют своего состава при контакте с карбонатами, бетоном, карбонатными защитными пленками.

Как следует из константы углекислотного равновесия гидрокарбонат - ионы существуют в растворе только при наличии свободной углекислоты:

 

 

Часть свободной углекислоты, находящейся в равновесии с гидрокарбо-натными ионами, называется равновесной - [СО₂]равн. Она как бы связана с гидрокарбонатами и поэтому не вступает в химические реакции. Избыточная свободная углекислота, в отличие от равновесной, активна и носит название агрессивной. Однако не вся она агрессивна: одна часть избыточной свободной углекислоты, действуя на углекислый кальций, превращает его в гидрокарбонат, а другая часть идет на увеличение количества равновесной углекислоты для удержания в растворе вновь образовавшихся количеств гидрокарбоната.

В водах открытых водоемов из-за низкого содержания углекислоты в воздухе присутствие агрессивной углекислоты маловероятно. В подземных водах содержание агрессивной углекислоты иногда бывает весьма значительным.

Под стабильностью воды понимают ее свойство не растворять карбонат кальция и не выделять его из воды. Нарушение стабильности воды может быть вызвано наличием избытка растворенной углекислоты или кислорода, низким рН, пересыщенностью ее карбонатом кальция или гидроокисью магния, повышенной концентрацией сульфатов либо хлоридов. Нестабильными бывают как природные воды, так и вода после ее обработки на очистных сооружениях. Возможны два варианта нестабильности воды:

- Воды, содержащие избыток свободной угольной кислоты над равновесной, называются агрессивными. При контакте с бетоном или карбонатными пленками такие воды вызывают растворение карбонатных составляющих цемента и бетона:

CaCO₃+CO₂+H₂O↔Ca(HCO₃)₂

Ca(OH)₂+2 CO₂↔Ca(HCO₃)₂

- Воды, содержащие меньше свободной угольной кислоты, чем равновесное количество, характеризуются как склонные к карбонатным отложениям.

Стабильность воды определяется двумя методами:

1) по методу карбонатных испытаний (экспериментальный метод). Сопоставляют щелочность и рН исследуемой воды до и после контакта с СаСО₃ в течение 1 часа. Стабильность воды оценивают по показателю стабильности (С) ивспомогательному показателю стабильности (Свсп.) в соответствии с табл. 10.15:

; Свсп. =

2) метод вычисления индекса насыщения карбонатом кальция или индекса Ланжелье (J) по данным анализа воды (рН, температура, концентрация ионов кальция, общая щелочность, солесодержание):

J = рНисх. – рНs

где: рНисх. – рН воды в естественном состоянии; рНs –рН воды в условиях насыщения карбонатом кальция. Стабильность воды оценивают по индексу стабильности (Ланжелье J) в соответствии с табл. 10.15.

После оценки стабильности воды (табл. 10.15) для нестабильной воды с целью защиты металлических труб, бетонных сооружений от коррозии и от образования бугристых коррозионных отложений выполняют стабилизационную обработку воды.

Таблица 10.15

Оценка стабильности воды

Показатель стабиль- ности	Индекс стабильности (индекс Ланжелье)	Характеристика стабильности воды	Стабилизационная обработка воды
С = 1 Свсп.=1	J = 0 (±0,25 – 0,3) рНисх. = рНs	Вода стабильна [СО2]исх. =[СО2 ]равн.	-
С > 1 Свсп. > 1	J > 0 рНисх. > рНs	Вода нестабильная. Склонна к карбонатным отложениям. [СО2]исх.<[СО2 ]равн.	Насыщение углекислым газом (рекарбонизация). Обработка кислотами (сульфатной, хлоридной): NаНСО3 +НСl = NaCl+ H2O+CO2 Обработка гексаметафосфатом Na6Р6О18, или фосфатом натрия Na3РО4.
С < 1 Свсп. < 1	J < 0 рНисх. < рНs	Вода нестабильная. Агрессивная по отношению к цементу и бетону. [СО2 ]исх.>[СО2 ]равн.	Обработка щелочными реагентами: - известью: Са(ОН)2 + 2 СО2 = Са(НСО3)2 - гидроксидом натрия: NаОН + СО2 = NаНСО3 - карбонатом натрия: Nа2СО3+СО2 + Н2О= 2 NаНСО3

 

10.3. Пример решения индивидуального задания

Пример.

Условия заданий:

1). Рассчитать индекс насыщения воды следующего состава: температура воды – 10^оС, рН = 7,1, концентрация иона кальция – 80 мг/дм³, общая щелочность – 6,8 мг-экв/ дм³, общее солесодержание – 0,8 г/ дм³;

2). Оценить стабильность исследуемой воды;

3). Рекомендовать метод стабилизационной обработки.

Решение

При отсутствии данных технологических анализов стабильность воды допускается определять по индексу насыщения карбонатом кальция (индекс Ланжелье J)по формуле:

J = pHисх. - рНs

где: J - индекс Ланжелье; pHисх. — опытное значение рН исходной воды;

pHs — значение рН в условиях насыщения воды карбонатом кальция, рассчитывают на основании данных анализа воды по формуле:

pHs = f₁(t^о) - f₂(Ca²⁺) - f₃(Щ) + f₄(Р)

где: f₁, f₂, f₃, f₄ — значения функций: f₁ – температура воды; f₂ - содержание Са²⁺; f₃ – показатель щелочности (Щ); f₄ - общее солесодержание (Р) в воде.

Значения функций определяют по номограмме (рис. 5). На четырех шкалах номограммы слева отложены температура воды (t,^оС), щелочность (Щ, мг-экв/дм³), концентрация кальция (Са²⁺, мг/дм³), общее солесодержание (Р, г/дм³); справа функции этих величин.

1). Определяем значение f₁. По номограмме (рис. 5) на шкале температуры напротив точки - 10^оС определяем соответствующее значение коэффициента f₁ = 2,35.

2). Определяем значение f₂. По номограмме (рис. 5) на шкале «содержание Са²⁺, мг/дм³» отмечаем точку - 80 мг/дм³ и определяем соответствующее значение коэффициента f₂ = 1,9.

3). Определяем значение f₃. По номограмме (рис. 5) на шкале «общая щелочность, мг - экв/дм³» отмечаем точку – 6,8 мг - экв/дм³ и определяем соответствующее значение коэффициента f₃ = 1,84.

4). Определяем значение f₄. По номограмме (рис. 5) на шкале «общее солесодержание, мг/дм³» отмечаем точку – 0,80 г/дм³ и определяем соответствующее значение коэффициента f₄ = 8,94.

5). Рассчитываем значение pHs:

pHs = f₁(t^о) + f₂(Ca²⁺) - f₃(Щ) + f₄(Р) = 2,35 – 1,9 – 1,84 + 8,94 = 7,55

6). Индекс стабильности вычисляем по формуле:

J = pHисх. - pHs = 7,1 – 7,55 = - 0,45 < 0

где: рНисх..— значение рН исходной воды; pHs — рассчитанный по номограмме (рис. 5) водородный показатель в условиях насыщения воды карбонатом кальция.

7). Заключение о стабильности исследуемой воды выполняем в соответствии с табл. 10.15.

Заключение: J < 0, вода агрессивна по отношению к цементу и бетону. Содержание свободной углекислоты превышает равновесную концентрацию. Требуется проводить стабилизационную обработку исследуемой воды щелочными реагентами:

- известью:

Са(ОН)₂ + 2 СО₂ = Са(НСО₃)₂

- гидроксидом натрия:

NаОН + СО₂ = NаНСО₃

- карбонатом натрия:

Nа₂СО₃+СО₂ + Н₂О= 2 NаНСО₃