Дослідження складу природних вод і оцінка їх придатності для рибогосподарської діяльнсоті

Теоретичний вступ

Природні води характеризуються:

1. Мінералізацією – сумою всіх знайдених при аналізі мінеральних речовин в мг/л або г/кг (при сумі більше одного г/кг), які містяться у даній воді або сумою йонів (∑і), тобто сумою всіх видів йонів в мг/л або г/кг, концентрація яких більша за 0,1 мг/л.

За ступенем мінералізації природні води класифікують (за О.Альокіним) так:

1) дуже прісні (<0,2 г/л);

2) прісні (0,2-1,0 г/л);

3) солонуваті (1,0-3,0 г/л);

4) солоні (3,0-35,0 г/л);

5) перехідні до розсолів (35,0-100,0 г/л);

6) розсоли (>100,0 г/л).

2. Лужністю, яка визначається як сума еквівалентних концентрацій аніонів слабких кислот (переважно НСО₃^- і СО₃^2-), ммоль-екв/л.

3. Твердістю, яка дорівнює сумі еквівалентних концентрацій катіонів Са²⁺ і Mg²⁺ у воді, ммоль-екв/л.

4. Окиснюваністю, тобто наявністю речовин, що окиснюються; визначається за кількістю кисню (мг/л), витраченого на їх окиснення в стандартних умовах; розрізняють перманганатну та дихроматну окиснюваність в залежності від окисника (KMnO₄ або K₂Cr₂O₇).

При вираженні концентрації йонів в еквівалентній формі, число еквівалентів катіонів в розчині повинно дорівнювати числу еквівалентів аніонів. При добре виконаному аналізі похибка знаходиться в межах 1%. Якщо похибка більша за 5%, а при значній мінералізації – більша за 3%, то аналіз слід вважати недостатньо точним.

Похибка визначається за формулою

де ∑а – сума аніонів, ∑k – сума катіонів (ммоль-екв/л).

Часто замість визначення йонів Na⁺ і К⁺ їх розраховують за різницю сум ммоль-еквіавлентів визначених аніонів і катіонів:

Na⁺ + K⁺ = HCO₃^- + SO₄^2- + Cl^- - (Ca²⁺ + Mg²⁺).

Для переведення ммоль-екв/л йонів (Na⁺+К⁺) в мг/л застосовують емпіричний коефіцієнт для прісних вод -25, а для мінералізованих – 24.

При вивченні природних вод дуже важливо знати співвідношення між йонами. Для цього використовують відносний вміст йонів, який виражений у відсотках кількості речовини еквівалента йона від загальної суми кількості речовини еквівалентів усіх йонів у даній воді.

Кількість речовини еквівалентів катіонів і аніонів приймається за 100%. Отже, відносний еквівалентний вміст будь-якого з йонів визначається за формулою

де а – вміст аніона, k – вміст катіона (ммоль-екв/л).

Класифікація природних вод за хімічним складом запропонована О.Альокіним. Відповідно до неї природні води поділяють на три класи за переважаючим аніоном: 1) карбонатний або гідрогенкарбонатний (С); 2) сульфатний (S), хлоридний (С1).

За переважаючим катіоном класи діляться на такі групи:

а) кальцієву (Са);

б) магнієву (Mg);

в) натрієву (Na);

г) натрієво-калієву (Na+K).

За співвідношенням катіонів та аніонів (ммоль-екв/л) води діляться на такі типи:

І тип: характеризується співвідношенням HCO₃^- > Ca²⁺ + Mg²⁺. До цього типу належать м’які води з переважанням йонів Na⁺ та К⁺.

ІІ тип: HCO₃^- < Ca²⁺ + Mg²⁺< HCO₃^- + SO₄^{2 -}. До цього типу належать води більшості річок, озер, підземні води з малим і середнім солевмістом.

ІІІ тип: HCO₃^- + SO₄^2- < Ca²⁺ + Mg²⁺, або С1^->Na⁺. Це води морів, океанів, сильно мінералізовані підземні води.

IV тип: НСО₃^- = 0. До цього типу належать кислі води – шахтні, болотні.

Склад води можна охарактеризувати відповідною формулою. Наприклад, гідрогенкарбонатний клас, група Са, тип ІІ, твердість 5 ммоль-екв/л (з точністю до одиниц), сума йонів 0,4 г/л (з точністю до 0,1 г/л): .

Склад досліджуваної води можна також виразити формулою Курлова. Формула Курлова – це псевдодріб, у чисельнику якого зліва направо записуються аніони (у відсотках n_Е в 1л води) в порядку зменшення. У знаменнику таким же способом записуються катіони. Зліва від дробу дається загальна мінералізація в г/л. Наприклад, склад води Басівкутського озера в період літньо-осінньої межені можна виразити так:

.

Розрахункова частина

І. За середньою багаторічною концентрацією головних йонів заданої водойми визначити:

1.1 ∑і;

1.2 % похибки аналізу йонного складу;

1.3 тип води за мінералізацією (сумою йонів);

1.4 клас, групу та тип води за співвідношенням еквівалентних концентрацій йонів (ммоль-екв/л);

1.5 лужність;

1.6 загальну твердість;

1.7 відносний еквівалентний вміст йона (% n_E);

1.8 скласти формулу води з врахуванням класу, групи, типу, твердості і суми йонів.

(Сума йонів записується знизу з точністю до 0,1 г/кг (0,1 г/л), а загальна твердість – зверху з точністю до цілих одиниць (ммоль-екв/л).

1.9 Скласти формулу Курлова.

Дані завдання і розрахунки представити в табличній формі:

Ріка	К а т і о н и
Ca2+	Mg2+	Na++K+	HCO3-	SO42-	Cl-	∑i
ρ, мг/л
М, г/моль
f
ME, г/моль-екв
nE, ммоль-екв
% nE

 

ІІ. Визначити придатність води для рибогосподарської діяльності.

Водогосподарська якість води – це перелік нормативних характеристик або їх комплексу, які відповідають природному складу домішок та фізико-хімічним властивостям водного об’єкту і характеризують його придатність для конкретних видів водокористування.

Для оцінки водогосподарської якості води необхідно ознайомитись з нормативними документами класифікацій якості води з метою визначення придатності водного об'єкту для певного виду водокористування. При визначенні придатності води для рибогосподарських потреб необхідно користуватись для порівняння показників якості з вимогами і нормами стандартів (див.додаток, табл.2, 3, 4).

Кожний студент одержує для дослідження певний водний об’єкт (річку). На основі порівняння визначених в першій частині роботи гідрохімічних параметрів з вимогами і нормами стандартів, оцінює якість води щодо придатності її для рибогосподарських потреб.

Дані завдання і розрахунки необхідно представити в табличній формі за наведеним зразком і зробити відповідний висновок.

 

Порівняння дослідних даних для заданого водного

об’єкту з величинами стандартів якості води,

що надходить в стави коропових господарств

№ з.п.	Досліджувані гідрохімічні параметри	Дослідні данні	Вимоги стандарту (ДЕСТ 15-282-83) до якості води для коропових господарств	Вимоги стандарту (ДЕСТ 15-377-87) до якості води для коропових господарств	Гранично-припустимі показники якості води для рибогосподарських водойм	Коефіцієнт порівняння
	Лужність, ммоль-екв/л
	Твердість загальна, ммоль-екв/л
	Амоній сольовий NH4+, мг/л
	Нітрити, мг/л
	Нітрати, мг/л
	Фосфати, мг РМІН/л
	Ферум загальний, мг Fe/л
	Хлориди, мг/л
	Сульфати, мг/л
	Мінералізація, мг/л

 

Висновок:

Вихідні дані для розрахункової роботи

Таблиця 8

 

Середні багаторічні концентрації основних йонів води річок України в період літньо-осінньої межені, мг/л

Ріка- пункт	К а т і о н и
Ca2+	Mg2+	Na++K+	HCO3-	SO42-	Cl-	∑i
Уж – м.Ужгород	32,2	8,9	7,7	113,7	29,4	17,2
Зах.Буг – м.Сокаль	95,9	18,5	31,1	291,2	68,7	53,2
Прут – м.Чернівці	54,3	10,6	18,7	201,2	36,8	28,3
Стрий – с.Н.Кропивник	38,4	11,0	9,7	145,7	31,6	10,7
Свіча – с.Зарічне	26,0	7,8	15,5	79,2	30,3	24,7
Ломниця – с.Перевозець	24,4	6,9	8,8	89,5	40,2	15,5
Півд.Буг – с.Олександрівка	59,5	23,3	30,0	270,6	41,9	36,0
Тур’я – м.Ковель	84,0	12,1	12,2	283,2	34,9	20,9
Стохід – с.Малинівка	78,9	16,7	11,1	266,7	36,6	24,8
Стир – м.Луцьк	71,2	14,7	13,5	252,8	29,9	20,9
Горинь – с.Оженін	79,4	22,2	17,0	275,3	53,2	22,0
Случ – м.Сарни	52,4	11,4	12,1	182,5	25,7	19,2
Десна – м.Чернігів	61,6	12,0	16,1	224,2	24,4	18,5
Сула – м.Лубни	72,0	31,8	37,2	380,0	44,6	28,6
Дніпро – м.Київ	47,5	15,4	13,5	169,5	23,4	16,3

 

Продовження табл.8

Тетерів – м.Житомир	61,6	18,0	29,3	214,6	41,9	49,5
Інгул – с.Новогорожено	100,3	37,3	124,1	312,9	224,1	135,7
Дністер – м.Галич	41,5	16,2	29,7	110,4	76,4	64,3
Ворскла – с.Чернеччина	70,2	23,6	51,3	363,9	71,9	25,6
Сів.Донець – с.Огурцово	112,1	26,4	46,8	377,9	99,5	40,3
Рось – м.Корсунь-Шевченків-ський	64,5	21,3	28,5	299,0	25,8	27,2
Ірпінь – с. Мостище	78,3	16,6	20,5	248,2	34,5	27,9
Десна – с.Розльоти	58,7	10,3	8,5	169,7	15,5	14,9
Псел – с.Запселля	92,8	22,9	36,7	345,4	83,7	35,2
Дністер – м.Могилів-Подільський	58,7	15,2	23,6	172,1	42,7	43,1

 

Таблиця 9

Середні багаторічні концентрації Fe_ЗАГ, NO₃^- , NO₂^-, NH₄⁺, P_MIN (мг/л) у водах річок України в період літньо-осінньої межені

Річка	FeЗАГ	NO3-	NO2-	NH4+,	PMIN
Уж – м.Ужгород	0,22	0,085	0,012	1,070	0,057
Зах.Буг – м.Сокаль	0,19	0,021	0,01	1,020	0,072
Прут – м.Чернівці	0,14	0,071	0,017	0,230	0,042

 

 

Продовження табл.9

Стрий – с.Н.Кропивник	0,18	0,016	0,006	0,59	0,052
Свіча – с.Зарічне	0,21	0,025	0,016	0,860	0,048
то хід – с.Перевозець	0,29	0,028	0,017	0,910	0,067
то.Буг – с.Олександрівка	0,25	0,090	0,030	1,870	0,075
Тур’я – м.Ковель	0,18	0,014	0,002	0,730	0,035
то хід – с.Малинівка	0,14	0,018	0,007	0,940	0,080
Стир – м.Луцьк	0,04	0,021	0,005	1,950	0,054
Горинь – с.Оженін	0,13	0,014	0,005	0,780	0,040
Случ – м.Сарни	0,19	0,038	0,008	1,050	0,097
Десна – м.Чернігів	0,15	0,014	0,003	0,240	0,076
Сула – м.Лубни	0,18	0,053	0,004	0,280	0,057
Дніпро – м.Київ	0,11	0,025	0,003	1,200	0,049
Тетерів – м.Житомир	0,11	0,046	0,004	1,360	0,111
Інгул – с.Новогорожено	0,19	0,053	0,007	-	0,117
Дністер – м.Галич	0,22	0,028	0,026	0,890	0,050
Ворскла – с.Чернеччина	0,12	0,150	0,009	0,290	0,081
Сів.Донець – с.Огурцово	0,16	0,30	0,051	0,150	0,132

 

 

Продовження табл.9

Рось – м.Корсунь-Шевченків-ський	0,27	0,018	0,003	0,740	0,050
Ірпінь – с. Мостище	0,18	0,039	0,002	0,560	0,063
Десна – с.Розльоти	0,26	0,030	0,004	-	0,060
Псел – с.Запселля	0,14	0,120	0,014	0,220	0,066
Дністер – м.Могилів-Подільський	0,26	0,023	0,007	0,340	0,027

РОЗРАХУНКОВА РОБОТА №2.

ОЦІНКА СТІЙКОСТІ КАРБОНАТНО-

КАЛЬЦІЄВОЇ СИСТЕМИ

Теоретичний вступ

Якщо в природній воді знаходяться вільна карбонатна кислота, йони Са²⁺ і НСО₃ ^-, а в твердій фазі – СаСО₃, то між ними існує рівновага

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ L Са(НСО₃)₂ (1)

Переважання прямої реакції свідчить про розчинення вапняків під дією СО₂, зворотної – про накопичення карбонатних порід за рахунок розкладання кальцій гідрогенкарбонату. Розчинення твердої фази СаСО₃ у воді відбувається в межах її розчинності

(2)

За наявності у воді надлишку СО₂ слаборозчинний СаСО₃ переходить в більш розчинний кальцій гідрогенкарбонат за рівнянням (1) доки не настане рівновага. Кількісна залежність у рівновазі визначається розчинністю твердої фази СаСО₃ (2) і дисоціацією каобнатної кислоти за першим і другим ступенем:

 

L

звідки (3)

і L

звідки (4)

З рівняння (2):

Підставимо значення [H⁺] і [CO₃^2-] в рівняння (4), тоді одержимо:

(5)

Після введення коефіцієнтів активності йонів і враховуючи, що в природних водах з малою мінералізацією [H₂CO₃] G [CO₂] і =1, стійкість карбонатно-кальцієвої системи оцінюється такими рівняннями:

(6)

(7)

де і коефіцієнти активності відповідно гідрогенкарбонат-йонів і йонів Кальцію; [HCO₃^-], [Ca²⁺] і [CO₂] – рівноважні молярні концентрації відповідних йонів і вільного карбон(IV) диоксиду у воді; і , відповідно перша і друга константи дисоціації карбонатної кислоти, - добуток розчинності СаСО₃. Рівняння (6) і (7) дозволяють зробити такі висновки:

- якщо при підстановці в рівняння аналітичних концентрацій йонів Кальцію, гідрогенкарбонат-йонів і вільної карбонатної кислоти (К_Е – експериментальний коефіцієнт, знайдений при підстановці аналітичних даних, К_Т – теоретичний коефіцієнт, який є відомою величиною для даної рівноважної системи), то розчин містить надлишок Са(НСО₃)₂;

- якщо , то карбонатно-кальцієва система знаходиться в рівновазі;

- якщо , то вода містить надлишок СО₂.

Наближено можна вважати, що в розбавлених розчинах коефіцієнт активності йона залежить від заряду йона і йонної сили розчину μ, яка дорівнює півсумі добутку молярної концентрації (С_М) кожного йона на квадрат його заряду (z):

(8)

Якщо μ <0,02, то коефіцієнт активності йона в розбавленому розчині можна обчислювати за формулою

(9)

Якщо йонна сила розчину 0,02 < μ < 0,1, то коефіцієнт активності розраховують за формулою Дебая-Хюккеля:

(10)

де А, В – констати розчинника; z – заряд йона; μ – йонна сила розчину; - величина, яка залежить від ефективного діаметра йона (додаток, табл.5, 6, 7).

Розрахункова частина

Оцінити стан карбонатно-кальцієвої системи заданої річки за середньою багаторічною концентрацією головних йонів. Результати обчислень представити в табличній формі за зразком:

Річка	Са2+	Mg2+	Na+ + K	НCО3-	SO42-	Cl-	CO2
ρ, мг/л
M, г/моль
СМ, моль/л

Порядок виконання роботи:

1. Знайти йонну силу розчину за рівнянням (8).

2. Розрахувати коефіцієнти активності йонів Са²⁺ і гідроген- карбонат-йонів за формулою (9 або 10).

3. Знайти за таблицею (додаток, табл.7) константи карбонатно-кальцієвої рівноваги: ; ; .

4. Розрахувати величину К_T за рівнянням (6), використовуючи аналітичні дані.

5. Знайти теоретичну величину К_Т з рівняння (7).

6. Оцінити стан карбонатно-кальцієвої системи з відношення К_Е до К_Т.

РОЗРАХУНКОВА РОБОТА №3.

ОЦІНКА СТАНУ СУЛЬФАТНО-

КАЛЬЦІЄВОЇ СИСТЕМИ

Теоретичний вступ

Рівновага між твердою фазою CaSO₄ і її водним розчином визначається добутком розчинності кальцій сульфату . В рівноважній системі СaSO₄ L Ca²⁺ + SO₄^{2 -} при заданих температурі, тиску і йонно-сольовому складі води величина є сталою:

(1)

де і - коефіцієнти активності йонів; [Ca²⁺]р і [SO₄^2-]р – рівноважні молярні концентрації відповідних йонів.

Коефіцієнти і визначаються експериментально в залежності від йонно-сольового складу розчину (див.розрахункову роботу2).

Якщо при підстановці в рівняння (1) фактично знайдених концентрацій Ca²⁺ і SO₄^2- , то вода перенасичена йонами і рівновага зміщена вліво; якщо , то рівновага системи зміщена вправо, і вода є агресивною по відношенню до гіпсу. При рівності експериментального і теоретичного коефіцієнтів система CaSO₄ – Н₂О знаходиться в рівноважному стані.

Нестачу або надлишок кальцій сульфату в природних водах в молярній формі можна визначити за рівняннями:

(2)

 

(3)

де [Ca²⁺], [SO₄^2-] - молярні концентрації йонів у розчині; [Ca²⁺]р - [SO₄^2-]р – рівноважні молярні концентрації йонів у даному розчині.

Добуток [Ca²⁺]р ^. [SO₄^2-]р знаходиться з рівняння (1). Кількість йонів Кальцію і сульфат-йонів, яка залишилась у розчині після осадження надлишку СaSO₄, визначається за формулами:

[Ca²⁺]p = [Ca²⁺] – [CaSO₄]_НАДЛ.; (4)

 

[SO₄^2-] = [SO₄^2-] –[CaSO₄]_НАДЛ.. (5)

 

Дані завдання і розрахунки внести у таблицю за зразком:

 

Річка t 0C=	Са2+	Mg2+	Na+ + K+	HCO3-	SO42-	Cl-	Σi
ρ, мг/л
М, г/моль
СМ, моль/л