Определение жесткости воды
Содержание
Введение ……………………..………………………………………………..
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 (Vp) к объему породы (V), а коэффициентом пористости (ε) - отношение объема пор (Vp) 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 капилл
Напоры в
грунтовых водах наблюдаются
редко и носят местный характер
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
Если воды залегают в водоносных пластах, подстилаемых и перекрываемых водонепроницаемыми породами, но не насыщают водоносные пласты полностью, то такие воды называют межпластовыми безнапорными.
В классификациях других авторов подземные воды также подразделяются по характеру водосодержащих пород и условиям залегания, температуре, химическому составу и степени минерализации, геолого-стратиграфической приуроченности водоносных горизонтов и т. п.
При классификации подземных вод следует учитывать размеры, форму и происхождение пустот в горных породах, в которых содержатся гравитационные подземные воды. По этому признаку воды могут быть поровыми, трещинными и карстовыми.
Поровые воды содержатся обычно в рыхлых или связанных осадочных породах (песке, гравии, галечнике, суглинке, лессе и др.), слабоцементированных обломочных породах (пористом песчанике, конгломерате, брекчии и др.).
Трещинные воды приурочены к трещинам различного происхождения в магматических, метаморфических и некоторых осадочных породах (трещиноватых опоках, песчаниках, брекчиях с плотным цементом и др.). Карстовые воды содержатся в растворимых в водах породах.
Таким образом, по условиям
залегания различают также
1) поверхностных поровых отложений;
2) пластовых, движущихся в пластах осадочных пород (они могут также передвигаться по порам и трещинам):
3) тектонических трещин и трещин выветривания (трещинного типа);
4) карстового типа, движущиеся
по трещинам и пустотам
По температуре (в °С) подземные воды подразделяют, по О. А. Алекину:
1) на весьма холодные: ниже 4;
2) холодные: 4-20:
3) теплые: 20-37;
4) горячие: 37-42;
5) очень горячие: 42-100:
6) исключительно горячие или перегретые (термы): свыше 100.
Иногда отдельным водоносным горизонтам присваивают геолого-стратиграфические наименования. Так, водоносные горизонты известняков среднего карбона в Московском бассейне называют московским водоносным горизонтом, водоносный горизонт в песках сеноманского яруса верхнего мела - сеноманским водоносным горизонтом и т. д.
Таким образом, основные особенности подземных вод - условия питания, гидравлические свойства, закономерности движения, температура, газовый и химический состав - обусловлены нахождением вод в соответствующих географических и вертикальных зонах, т. е. закономерности их существования зависят от характера рельефа, климатических особенностей, геологического строения, тектоники, литологических и геоморфологических условий.
Рассмотрим подробнее некоторые типы вод.
Почвенные воды существуют в породах, у поверхности земли в виде связанной (гигроскопической и пленочной) и капиллярно-подвешенной воды. Эти воды образуются за счет инфильтрации атмосферных осадков, конденсации паров, поливных и других вод. играют очень важную роль в жизнедеятельности растений и влияют на инженерные сооружения. Основной формой их передвижения в зоне аэрации является влагоперенос.
Верховодка представляет собой временный водоносный горизонт. Она формируется в зоне аэрации выше водоупорных пород и имеет сезонный характер. Время ее существования зависит от размеров водоупорной толщи и условий питания. Воды верховодки изменчивы по качеству и подвержены загрязнению. В пределах городов, крупных промышленных предприятий, где наблюдаются значительные утечки воды, возникают техногенные верховодки, вызывающие заболачивание территорий.
Верховодки имеют свободный уровень, капиллярную кайму, незначительную мощность, расходуются на испарение и питание грунтовых вод, формируются на плоских водоразделах, под депрессиями и понижениями. Режим их весьма изменчив и зависит от климатических факторов.
Грунтовые воды - это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на выдержанной по площади и мощности водонепроницаемой толще пород. В зависимости от геоморфологических и геолого-гидрогеологических условий могут формироваться грунтовые потоки, грунтовые бассейны или их сочетание.
Верховодка
Грунтовые потоки характеризуются движением воды под действием силы тяжести в направлении уклона их зеркала. Грунтовые бассейны имеют горизонтальную поверхность, обычно приурочены к депрессиям и характеризуются отсутствием движения воды.
К особенностям грунтовых вод следует отнести следующие:
1) это воды со свободной поверхностью, т. е. при вскрытии их уровень устанавливается на той же глубине, на какой он был встречен (давление на поверхность грунтовых вод равно атмосферному);
2) питание их
осуществляется за счет
3) неглубокое
залегание грунтовых вод
4) близкое залегание
к поверхности земли
5) условия питания
и интенсивное движение к
6) выше поверхности
грунтовых вод расположена
7) если в пределах
поверхности грунтовых вод
8) грунтовые
воды обычно гидравлически
9) при колебаниях
уровня грунтовых вод
10) грунтовые
воды приурочены
Грунтовые воды могут быть поровыми, карстовыми и трещинными.
Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а расстояние от зеркала до водоупора составляет мощность горизонта. Зеркало (поверхность) грунтовых вод наклонено в сторону места разгрузки, и чем большее сопротивление испытывает поток, тем больше кривизна зеркала. Поверхность потока в разрезе образует депрессионную кривую (параболическую, выпуклую, вогнутую). Чем больше уклон поверхности грунтовых вод, тем больше скорость движения потока.
По-разному проявляется связь грунтовых вод с поверхностными водами (реками, озерами). Обычно грунтовые воды питают поверхностные водотоки и водоемы постоянно или временно. При глубоком залегании грунтовых вод или при подъемах уровня воды в реках и водохранилищах происходит инфильтрация поверхностных вод в грунтовые воды.
В основном грунтовые воды получают питание через зону аэрации за счет инфильтрации атмосферных осадков н поглощения поверхностных вод. Здесь наблюдаются максимальные уровни, а на участках разгрузки (долины рек, балки) - минимальные. В целом же поверхность грунтовых вод повторяет в сглаженном виде поверхность рельефа.
Схемa взаимосвязи грунтовых и поверхностных вод: а - грунтовые воды питают реку, 6 - река топает грунтовые воды, в - грунтовые воды с одного берега (правого) питают реку, с другого берега (левого) река питает грунтовые воды, г - гидравлическая связь между грунтовыми водами и рекой отсутствует; 1 - гидроизогипсы; 2-уровень грунтовых вод; 3 - водопроницаемые породы; 4 - водонепроницаемые породы; 1-1,11-11,111-Ш, W-IV- линии вертикального разреза
Грунтовые воды могут получать питание и за счет артезианских вод при наличии «окон» в водоупорных породах и при условии превышения пьезометрического уровня над уровнем грунтовых вод.
Изменения уровня, температуры, химического состава и других особенностей грунтовых вод входят в понятие их режима. На режим грунтовых вод влияют как естественные факторы (климат, рельеф, состав пород и др.), так и искусственные, связанные с инженерной деятельностью человека (орошение, осушение, разработка месторождений полезных ископаемых, отбор подземных вод, возведение различных инженерных сооружений и т. я).
Межпластовые (пластовые) воды - это подземные воды, содержащиеся в каких-либо горных породах, ограниченных сверху и снизу водонепроницаемыми осадочными породами. Если водосодержащие породы лишь частично насыщены водой и уровень воды при вскрытии их буровыми скважинами, шурфами или колодцами устанавливается ниже подошвы верхней водоупорной породы, образуются межпластовые безнапорные воды. По гидравлическим признакам и наличию капиллярной каймы они аналогичны грунтовым, но области их питания и распространения не совпадают - сверху они покрыты водонепроницаемыми породами.
Обычно водоносные породы между двумя водонепроницаемыми пластами полностью насыщены водой. Вода вскрывается скважинами и другими выработками под подошвой верхней водонепроницаемой породы, после чего поднимается в этих выработках на различную высоту. Такие воды называются межпластовыми, или пластовыми напорными.
Иногда вода может изливаться (или фонтанировать) из вскрывших эти воды скважин. Уровень воды в этом случае устанавливается выше поверхности земли. Напорные воды, распространенные в осадочных породах крупных тектонических структур (синеклиз, синклиналей или моноклиналей), называются артезианскими. Это название они получили от названия провинции Артуа (древнее латинское название - Артезия) в южной части Франции, где впервые в Европе в 1126 г. были вскрыты напорные воды, которые изливались на поверхность земли. Геологическая (тектоническая) структура, к которой приурочены горизонты напорных межпластовых вод. определяет артезианский бассейн.
Артезианские бассейны формируются в пределах платформ, межгорных впадин, краевых прогибов. :>гульд и других структур. В зависимости от размеров выделяют крупные артезианские бассейны (более 100 ООО км"), средние (100 000-10 000 км2) и малые, или простые (менее 10 000 км2).
Среди природных емкостей артезианских вод встречаются артезианские склоны- ассиметричные бассейны артезианских вод с моноклинальным залеганием водоносных горизонтов, выклинивающихся или фациально замещаемых слабопроницаемыми породами. Артезианские склоны характерны для краевых частей предгорных, межгорных прогибов, склонов синеклиз и впадин платформ, моноклиналей. Обычно области питания и разгрузки в артезианских склонах располагаются в непосредственной близости друг от друга, область напора находится на абсолютных отметках, меньших, чем в области питания, и больших, чем в области разгрузки (Н} > Н2 > Н3). По размерам артезианские склоны значительно меньше артезианских бассейнов и характеризуются наличием возвратно-поступательного движения подземных вод.
Для любого водоносного горизонта межпластовых вод. в том числе и артезианских, выделяются три области: питания, распространения (напора для напорных вод) и разгрузки.
Область питания - это площадь водоносных пород, залегающих на поверхности земли на наиболее высоких гипсометрических отметках. Здесь происходит питание артезианских вод за счет атмосферных осадков, поверхностных водоемов и других источников. Питание вод может осуществляться путем перетока вод из одного горизонта в другой при разности их напоров или соседних бассейнов.
Область разгрузки - это территория, где происходит открытый или закрытый выход артезианских вод на поверхность земли, в долины рек, морей и т. д. К открытым очагам разгрузки относят эрозионные (реки, впадины), барьеры (выступы, складки непроницаемых вод), структурно-тектонические (тектонические разломы, антиклинали в складчатых областях). К скрытым очагам разгрузки можно отнести выход вод под аллювиальными отложениями, на дне морей (субмаринные источники), сквозные талики в многолетнемерзлотных породах и т. д. К искусственным очагам разгрузки относят водозаборы артезианских вод.
Область распространения напора - это площадь развития артезианского бассейна, где проявляется напорность подземных вод. При наличии нескольких артезианских горизонтов их пьезометрические поверхности совпадают лишь при гидравлической связи между ними или совпадении гипсометрического положения областей питания и разгрузки. Чаще в природе наблюдается несовпадение этих поверхностей, причем при прямом рельефе нижние горизонты имеют больший напор, чем верхние, а при обращенном рельефе - наоборот.
