От чего зависит электропроводность воды

Электропроводность воды

В отдельных отраслях применяются исключительно жесткие требования к качеству водоподготовки. В частности, в микроэлектронике и фармацевтике одним из важнейших показателей является электропроводность воды. Способность специально подготовленной жидкости проводить ток и величина удельного сопротивления сказывается на эффективности некоторых технологических процессов.

Физическое свойство вода — проводимость регламентируются для таких отраслей требованиями действующих нормативных документов. В статье рассматриваются основные факторы определяющие уровень ее сопротивления, единицы, методы и приборы для измерений. Читателю предлагается обзор наиболее эффективных способов снижения означенных показателей с использованием профессионального оборудования.

Что такое электропроводность воды

Самая распространенная жидкость на Земле обладает способностью проводить постоянный или переменный ток.

Электропроводности воды — это количественная характеристика этого ее свойства, которое определяется наличием заряженных частиц — положительных и отрицательных ионов. К последним относятся химические элементы, входящие в состав следующих органических и неорганических соединений:

• Щелочи.
• Соли щелочноземельных и других металлов, прежде всего хлориды и сульфиды (сульфаты).
• Карбонаты.

Этот показатель тем выше, чем больше в жидкости находится положительно заряженных ионов — катионов и отрицательных — ионов. Т.е. электропроводность напрямую связана с солесодержанием воды. Удельная электропроводность воды находится в обратной зависимости с сопротивлением воды и определяется для объема жидкости, который находится в промежутке между двумя электронами площадью в 1 см2. Последние при этом располагаются на расстоянии в 1 см друг от друга.

Нормы электропроводимости природной воды

В Российской федерации требования к параметрам качества водоподготовки регламентируются государственными стандартами и другими документами. Удельные показатели электрической проводимости воды различного назначения устанавливаются следующими нормативно-правовыми актами в зависимости от степени чистоты:

1. ГОСТ 52501-2005. Для проведения лабораторных анализов — не более 0,1 и 1,0 мкСм/см для первой и второй степени соответственно.
2. ГОСТ 6709-97. Для дистиллированной воды — менее 5*10-4 См/см.
3. ФС 2.2.20020.15. Вода очищенная фармацевтического назначения — не выше 4,3 мкСм/см.
4. ФС 2.2.0019.15. Вода для приготовления лекарственных растворов и проведения инъекций.

Жесткие технологические нормы электропроводности для воды установлены на предприятиях, выпускающих компоненты для микроэлектроники. Качество жидкости используемых в производственных процессах контролируется специализированными лабораториями и использованием сложных приборов по утвержденным методикам.

Показатели электропроводности: основные факторы

В природных водоемах содержится множество растворимых примесей неорганического происхождения. Они и определяют основные физические свойства вода, и в том числе электропроводность. Величина последней находится в прямой зависимости от ряда факторов:

1. Концентрации заряженных частиц.
2. Состава и природы ионов.
3. Температуры жидкости.

Наибольшее влияние на электропроводность воды оказывают соли жесткости, точнее катионы натрия (Na + ), калия (K + ) и кальция (Ca 2+ ), также анионы хлора (Cl — ) и кислотных групп (SO₄ 2- и HCO₃ — ). Наличие в жидкости ионов двух- и трехвалентного железа (Fe 2+ , Fe 3+ ), а также марганца (Mn 2+ ) и алюминия (Al 3+ ) в незначительных концентрациях практически не сказывается на удельном сопротивлении.

При повышении температуры электропроводность воды существенной возрастает по причине роста скорости ионов, снижения их сольватированности и уменьшения показателей вязкости. При этом рост проводимости, связанный с увеличением концентрации катионов и анионов, наблюдается только до определенного предела. Достигнув максимума, она начинается уменьшаться, что обусловлено усилением взаимодействия заряженных частиц между собой и снижением степени диссоциации.

Определение показателей электропроводности воды

Уровень сопротивления жидкости электрическому току измеряется при помощи специальных приборов. Для количественного определения уровня электропроводности воды используются единицы измерения, установленные международной системой СИ. Применение унифицированных методов и стандартов в этой сфере упрощает лабораторные исследования и понимание получаемых результатов.

Единицы измерения

В нашей стране для измерения проводимости воды используются специальная единица — См/м (Сименс на метр). Она соотносится с удельным сопротивлением как 1 См/м= 1/1 Ом/м. При этом описываемый показатель для природной воды составляет:

• Для пресных рек: от 50 до 1500*10 -6 См/м.
• Для дистиллированной воды: от 0,5 до 5*10 -6 См/м.
• Для ультрачистой деионизированной: от 0,1 до 0,2*10 -6 См/м.

Для удобства в качестве единицы электропроводности воды используют производную, которая составляет одну десятитысячную от основной и записывается как мкСм/см.

Удельное сопротивление жидкости определяется в значительной мере уровнем минерализации. В США для измерения проводимости воды вместо мкСм/см используют величину TDS, указывающую на содержание растворимых солей. Этот показатель рассчитывается в частях на миллион и записывается как ppm. Для перевода этой единицы в международную используется корректирующий коэффициент.

Методы измерений и используемые приборы

В нашей стране удельная проводимость и водородный показатель жидкости определяются электрометрическим способом. Для того чтобы точно рассчитать электропроводность воды специалисты пользуются методикой, установленной РД 52.24.495-2005. Действие этого документа распространятся на поверхностные источники водоснабжения и стоки.

Для измерения электропроводности воды применяется откалиброванный кондуктометр с электродами из нержавеющей стали. Для калибровки прибора используется стандартный раствор с показателем не менее 1500 мкСм/см, при этом отклонение от номинала не должно превышать 2%.

В ходе измерений удельной электропроводности воды фиксируется ее температура, а искомая величина определяется при помощи специальных таблиц. В случае если используются приборы с температурной компенсацией, то на экране сразу же появляется истинное значение, что существенно упрощает процесс.

Снижение электропроводимости воды: профессиональные методы

Современные системы водоподготовки обеспечивают требуемые показатели качества. Для того чтобы уменьшить электропроводность воды в таких установках используются следующие методы очистки:

• обратный осмос;
• электродеионизация;
• ионный обмен.

Перечисленные технологии различаются по уровню эффективности и технико-экономическим параметрам. Выбор того или иного метода осуществляется с учетом показателей проводимости воды, необходимых заказчику. Рассмотрим подробнее возможности и особенности каждого из представленных способов.

Обратный осмос

Суть метода состоит в использовании полупроницаемых мембран для получения пермеата высокой очистки. В процессе обратного осмоса проводимость воды существенно уменьшается по причине ее глубокой деминерализации. Современные промышленные установки обратного осмоса отделяют до 99,9% всех примесей, в том числе и солей жесткости. Такие системы отличаются производительностью до 1000 л/ч.

Показатели электропроводности осмотической воды в зависимости от модели используемой установки колеблется в пределах от 0,1 до 5 мкСм/см. Пермеат без дополнительной обработки относиться к первой степени очистки, и может использоваться в медицине, фармацевтике и других высокотехнологичных отраслях промышленного производства. Обратноосмотические установки в настоящее время являются основными источниками очищенной воды.

Электродеионизация

В настоящее время разрабатываются и внедряются технологии глубокой очистки жидкостей от солей. Необходимые физические свойства воды, в том числе электропроводность на уровне 0,055 мкСм/см, обеспечивает метод электродеионизации. Водоподготовка с его использованием проводится в три этапа:

1. Электродиализ. Удаление катионов и анионов из воды осуществляется при помощи конселективных мембран, которые располагаются перед электродами. К ним прикладывается постоянное напряжение, обеспечивающее движение заряженных частиц.
2. Ионный обмен. Для ускорения процесса в камеру закладывается состав из специальных высокомолекулярных смол, состоящих из катионитов и анионитов. Полимеры имеют пористую структуру и поглощают заряженные частицы и замещают их.
3. Регенерация. Под действием постоянного тока происходит диссоциация молекул воды, и образующиеся при этом ионы обеспечивает восстановление обменных свойств заполнителя.

Очищенная и деионизированная вода обладает крайне низкой проводимостью, что позволяет ее использовать в качестве растворителей для лекарственных препаратов. Промышленные установки электродеионизации имеют высокую производительность и могут использоваться на предприятиях теплоэнергетики.

Ионный обмен

Данная технология обеспечивает эффективное удаление заряженных частиц из жидкости при сравнительно небольших затратах. Значительное снижение ионной проводимости воды достигается за счет использования специальных веществ: ионитов или катионитов. Они выпускаются в виде заполнителей для ионообменных систем — фильтров смешанного действия.

Иониты производятся на основе сетчатых полимеров, которые имеют микропористую или сетчатую структуру. Материал имеет ковалентную связь с ионогенными группами, которые в процессе диссоциации образуют пару из свободного и фиксированного иона с противоположным зарядом. Последний закреплен на полимере.

В результате ионообменного процесса заметно снижается электропроводность воды и уровень ее минерализации. Заряженные частицы из жидкости диффундируют вначале к поверхности, а затем и внутрь сорбента. Со временем способность засыпки поглощать ионы из жидкости снижается и для ее восстановления проводится регенерация с использованием рабочих растворов.

Удельная электрическая проводимость в воде

Компания Diasel Engineering предлагает эффективные технические решения по уменьшению удельной электрической проводимости воды. Предприятие осуществляет поставки оборудования систем обратного осмоса, электродеионизации и ионного обмена. Наши специалисты выполняют монтаж установок водоподготовки, необходимые пусконаладочные работы и обеспечивают их техническое обслуживание.

Снижение электропроводности воды до требуемых показателей — задача исключительно сложная и для ее решения необходимо привлечение профессионалов. ООО "НПК "Диасел" приглашает к сотрудничеству предприятия, нуждающиеся в установках глубокой очистки. Комплексное решение проблем водоподготовки — наша основная специализация.

Электрические свойства воды

Колоссальную роль и значимость воды в природе невозможно переоценить. Благодаря воде возникла и поддерживается жизнь на Земле, ведь вода содержится во всех без исключения живых организмах, а также в растениях и постоянно требуется им.

Именно вода в атмосфере формирует климат и погоду на нашей планете (снег, дождь, пар — проявление трех, постоянно сменяющих друг друга, агрегатных состояний воды). Чуть более 70% поверхности Земли постоянно скрыто под водой.

Соленая вода, а ее на поверхности нашей планеты более 97%, принадлежит мировому океану, пресная — содержится в ледниках, озерах, подземных водах и атмосфере.

Кроме того, объем воды сравнимый с объемом Мирового океана, находится в подземной мантии — в той части Земли, которая расположена непосредственно под корой и над внешним ядром; исследования российских и французских ученых, проведенные в XXI веке, показали: между нижней и верхней мантиями Земли существует гигантский резервуар с содержанием воды в десятые доли процента, а общее количество воды в нем сопоставимо с таковым во всем Мировом океане.

Электрический дипольный момент молекулы воды

Для начала рассмотрим строение молекулы воды. Молекула воды имеет ковалентную химическую связь. Ковалентная связь — это связь, которая образована путем перекрытия пары валентных электронных облаков двух атомов. Так вот, атомы водорода в молекуле воды присоединены к атому кислорода таким образом, что образуют угол 104° 27′.

Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака в молекуле сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает существенным электрическим дипольным моментом p = 1,84 Д. То есть молекула воды полярна.

Вода — растворитель

И конечно же, вода является прекрасным растворителем для веществ, молекулы которых также обладают электрическими дипольными моментами: большая молекула растворяемого в воде вещества окружается сравнительно маленькими молекулами воды так, что положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают молекулу воды той ее стороной, где выпячивается атом кислорода, а отрицательно заряженные — той ее стороной, где находятся два атома водорода.

Вот почему вода очень важна для живой клетки именно в качестве растворителя. Именно в межклеточном пространстве подобным образом во взаимодействие вступают водные растворы различных веществ. На приведенном выше рисунке показано, как в воде растворяется поваренная соль.

Далее поговорим об электрических свойствах воды, рассмотрим воду с электротехнической точки зрения.

Вода — изолятор и вода — проводник

Чистая вода (например дистиллированная) — хороший изолятор, в нормальных условиях она слабо диссоциирована (разделена на ионы). Концентрация положительных ионов H3O+ и отрицательных ионов OH- обычно составляет не более 10 -7 моль/л.

Импульсная электрическая прочность дистиллированной воды как изолятора составляет 0,5 МВ/см. Но в силу того, что вода — хороший растворитель, в реальности в ней всегда присутствуют те или иные растворенные соли, а значит — отрицательные и положительные ионы (см. рисунок выше). Поэтому на практике обычная вода хорошо проводит электрический ток.

Кстати, по электропроводности легко определить чистоту воды. При этом, поскольку проводимость воды сильно зависит от степени ее минерализации, однозначно точную цифру назвать нельзя.

Тем не менее, из экспериментов известно, что если в одном литре дистиллированной воды растворить 1 грамм поваренной соли, то удельная электропроводность такого раствора будет составлять при нормальных условиях 1990 мкС/см.

Грубо говоря, если взять трубку сечением 1 кв.см и длиной 1 метр, заполнить ее раствором поваренной соли подобной концентрации, то сопротивление шнура воды между концами трубки окажется равным примерно 50 кОм.

Вода — диэлектрик

Дистиллированная вода является полярным диэлектриком. У полярных диэлектриков молекула устроена так, что ее ядро и электроны находятся друг от друга на некотором расстоянии, то есть у молекулы сдвинуты положительный и отрицательный центры. Что же касается диэлектрической проницаемости дистиллированной воды, то она сильно зависит от температуры:

Так или иначе, известно, что при помещении полярного диэлектрика в электростатическое поле, его диполи переориентируются таким образом, что вектор напряженности внутреннего электрического поля окажется направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего электрического поля. Это значит, что конденсатор с водой в качестве диэлектрика в принципе вполне реален. Вот только целесообразен ли?

Говорят, в прошлом веке в научно-исследовательских целях часто использовали конденсаторы, где диэлектриком между обкладками выступала дистиллированная вода. Такие конденсаторы применяли в экспериментальных установках для формирования сильноточных импульсов. С их помощью получали напряжение до 1МВ с током в разряде до 1МА при длительности импульса в районе 10-15 нс.

Вода и микроволновая печь, миф о резонансе молекулы воды на частоте 2450 МГц

Как известно, в микроволновой печи продукт прогревается на глубину до 2,5 см, а не только по поверхности. Это происходит как раз потому, что полярные молекулы воды поглощают энергию СВЧ-излучения.

Поглощение происходит следующим путем: электрическая компонента электромагнитной волны из магнетрона ускоряет молекулы продукта, обладающие дипольным моментом, особенно — молекулы воды, отличающиеся высокой подвижностью. Молекулы начинают сталкиваться друг с другом, в итоге температура вещества увеличивается.

Бытовые СВЧ-печи работают на частоте 2450 МГц, в связи с чем бытует мнение, мол частота магнетрона микроволновки соответствует резонансной частоте молекулярных колебаний, характерных для воды.

Это неправда. Резонансная частота молекулы воды лежит в диапазоне от 18 до 27 ГГц. А 2,45 ГГц — это оптимальная частота, безопасная и эффективная для цели разогрева продуктов. Такая частота установлена специальными международными соглашениями для микроволновых печей, чтобы они не создавали помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Влияние ионного состава воды на её электропроводность

В данной небольшой статье я постараюсь рассказать, как ионный состав воды влияет на значение электропроводности и насколько оправданно использовать общепринятые коэффициенты пересчета электропроводности воды в солесодержание воды (в диапазоне 0,5-0,55) для подавляющего большинства пресных вод. Так же в статье рассмотрена возможность использования значения электропроводности воды для контроля процесса умягчения воды.

Электропроводность воды это важнейший параметр её качества, который может быть определен простым и доступным способом. Электропроводность воды зависит от количества растворенных в ней солей, кислот и оснований, т.е. от количества ионов. Соответственно, величина электропроводность воды зависит от концентрации ионов в воде. Чем выше концентрация ионов, тем больше электропроводность воды. Т.о. по значению электропроводности воды можно определить общее солесодержание воды.

Следует отметить, что электропроводность воды, т.е. способность воды к переносу электрического заряда (электронов), определяется ионами и называется ионной электропроводностью. Если поместить в воду 2 электрода и включить их в схему с источником тока, то протекание тока в воде между двумя электродами будет определяться перемещением ионов от одного электрода к другому. Очевидно, что разные ионы будут иметь разную способность к перемещению или, как принято говорить, ионы имеют различную подвижность. В основном подвижность определяется условиями взаимодействия ионов с растворителем (водой). Наглядно этот процесс можно представить довольно просто. Если растворить в воде хлорид натрия, то образуются катионы натрия, имеющие положительный заряд и анионы хлорида, имеющие отрицательный заряд. Катион и анион вступает во взаимодействие с молекулами воды и гидратируется водой, т.е. ионы имеющий заряд притягивают дипольные молекулы воды. Способность к удержанию гидратной оболочки у разных ионов различная. Здравый смысл говорит о том, что чем больше валентность иона и чем больше его атомная масса, тем большей способностью к удержанию гидратной оболочки ион обладает. Катион натрия в гидратной оболочке осуществляет перенос электрона в воде от одного электрода к другому. При этом натрий является одновалентным и, соответственно, переносит только один электрон. Хлорид ион тоже переносит только один электрон. Если в воде растворить хлорид кальция, то двухвалентный ион кальция в гидратной оболочке сможет переносить уже 2 электрона. Соответственно, за один раз ион натрия переносит один электрон, а ион кальция 2 электрона. Получается, что способность иона кальция к переносу электрического заряда должна быть в два раза больше, чем иона натрия. На самом деле всё так и есть.

В таблице 1 представлены значения удельной эквивалентной электропроводности (подвижности ионов) в Ом -1 *см 2 /моль при 25 С. Из таблицы 1 видно, что подвижность ионов кальция и натрия, при бесконечном разбавлении их в воде (отсутствие влияния ионной силы раствора), практически равны (59,5 и 50,11). Таким образом, подвижность эквивалентного количество кальция по отношению к натрию составит 59,5*2= 119, а подвижность натрия останется 50,11. Получается, что определенное количество молей кальция может перенести более чем в два раза больше электрического заряда, чем такое же количество молей натрия. Это правило соблюдается для ионов любой валентности.

Таблица 1

Ион	Предельная электропроводность при бесконечном разбавлении	Электропроводность ионов при концентрациях (моль/л)
		0,0005	0,005	0,05	0,1
1/2 Сa	59,5	49	44,2	35,2	32
1/2Mg	53,06	43	39	31	28
Na	50,11	42,8	41,3	37	36,4
Cl	76,34	64,4	62,5	57,9	55,8
1/2 SO4	80	65	58,7	45	40
HCO3	41,5

Можно заметить, что чем больше молярная масса иона и больше его валентность, тем больше он теряет подвижность при увеличении концентрации ионов в воде. Потерю подвижности ионов при увеличении их концентрации в растворе можно сравнить с человеком, который пересекает площадь, когда на ней нет людей, и пересекает площадь, на которой толпа людей. Когда нет людей на площади, тяжелые многовалентные ионы имеют преимущество перед одновалентными ионами при пересечении площади. Когда на площади толпа людей, то многовалентные ионы, как большой человек с раскинутыми руками значительно сильнее тормозится остальными людьми, чем небольшой человек с одной вытянутой рукой.

На рисунке 1 представлены графики изменения подвижности ионов в воде в зависимости от их концентрации. Фактически графическое отображение таблицы 1. Можно видеть, что наибольшее падение подвижности имеет самый тяжелый двухвалентный ион сульфата, затем одинаковое уменьшение подвижности имеют двухвалентные ионы кальция и магния и наименьшую потерю подвижности имеют одновалентные ионы натрия и хлорида.

Рисунок 1 Падение подвижности ионов при увеличении концентрации растворов

Таким образом, зная значение электропроводности воды можно определить концентрацию ионов в воде. Но здесь возникает вопрос. Как достоверно определить солесодержание воды (общую массу ионов воде отнесенную к 1 литру) если в воде содержится не одна конкретная соль, а несколько солей?

Для очень приблизительного определения солесодержания воды по электропроводности используют упрощение, которое предполагает, что вся соль в воде содержится в виде хлорида натрия. Хлорид натрия, растворенный в воде, имеет коэффициент пересчета электропроводность в солесодержание 0,5-0,55 в зависимости от значения солесодержания воды. Если солесодержание воды до 1 г/л, то используют коэффициент пересчета 0,5. Чем больше солесодержание воды, тем выше коэффициент пересчета. При 16 г/л NaCl коэффициент пересчета будет 0,57.

Соответственно, для пресных вод, поверхностных и подземных, предполагается, что вся соль это хлорид натрия и измеренная величина электропроводности умножается на 0,5-0,55.

На самом деле практически все пресные поверхностные воды и большинство подземных вод имеют в своем составе преимущественно соли карбонатной и некарбонатной жесткости. Непосредственно доля хлорида натрия в поверхностных водах редко когда бывает больше 10-20 % от общего ионного состава.

В этих условиях использование коэффициента пересчета 0,5-0,55 приводит к существенной погрешности в определении солесодержания (мг/л). Конечно, принципиально можно определить питьевая это вода или нет и, к примеру, работает ли установка обессоливания воды. Но погрешность составит примерно 25-30%. Это не позволяет ориентироваться на общее солесодержание воды исходя из электропроводности. Соответственно, необходимо делать анализ на все ионы, входящие в состав источника воды.

К примеру. Проведены самые доступные и простые анализы воды из поверхностного источника на общую жесткость, щелочность и электропроводность. Данные анализа представлены в таблице 2.

Таблица 2

Общая жесткость (Ca, Mg)	мг-экв/л	3,2
Щелочность (HCO3)	мг-экв/л	2,1
Электропроводность	мкСм/см	451

В результате ориентируясь на солесодержание воды по электропроводности, получено следующее значение солесодержания S=451*0.5=225,5 мг/л. (0,5 – коэффициент пересчета для NaCl). Концентрация бикарбоната кальция (Са(НСО3)2) равна 2,1/2*162=170,3 мг/л. Где, 162- молярная масса бикарбоната кальция (г/моль).

Если принять, что остальная соль в воде представлена хлоридом кальция (СаСl2), то получим СаСl2=((3,2-2,1)/2)*111=61,05 мг/л. (111- молярная масса хлорида кальция)

Итого: 170,3+61,05= 231,35 мг/л.

Формально солесодержания равны.

На самом деле, полный анализ воды показал, что в данной воде содержится 60 мг/л сульфатов и 25 мг/л натрия. Итого, солесодержание воды, рассчитанное по ионному составу, получилось 312 мг/л. Получается, что значение солесодержания по электропроводности определяет в воде только часть солей при использовании коэффициента пересчета 0,5-0,55.

Погрешность в измерениях по электропроводности составила почти 30 %. Для воды данного состава коэффициент пересчета электропроводности в солесодержание должен быть – 0,69. Это значение значительно отличается от общепринятого 0,5-0,55.

Далее произведем несложные расчеты электропроводности воды, состав которой представлен в таблицах 2, 3 и сравним со значением измеренной электропроводности по кондуктометру – 451 мкСм/см.

Для расчета используем данные источника [1].

Электропроводность воды по мольной концентрации в ней конкретного типа соли можно определить по формуле:

(1)

μ –электропроводность соли, мкСм/см,

С-концентрация соли, моль/л,

μ₀-предельная электропроводность соли при бесконечном разбавлении,

а, в – коэффициенты, разные для каждого вида соли, берутся по данным [1].

По формуле (1) были определены значения электропроводности воды для хлорида кальция. Для бикарбоната кальция пересчет солесодержания в электропроводность был произведен на основании графиков [1]. Результаты расчета представлены в таблице 3.

Таблица 3

Соль	С, моль/л	μ0	а	в	С, мг/л	n (С/Э)	Эл-ть, мкСм /см	Cl, SO4, НСО3, мг/л
									СаSO4	0,0007	95,2	0,58	164,1	67,0
CaCl2	0,00038	124,5	1,37	1,2	42,18	0,44	95,8	26,0
Ca(HCO3)2	0,00105	170,1	0,81	208,5	128,1
Итог 1	311,68	0,665	468,4
MgSO4	0,0007	84	0,56	150,0
MgCl2	0,00038	36,1	0,43	84,0
Итог 2	459,2
Для умягченной воды
Na2SO4	0,0007	99,4	0,55	180,7
NaCl	0,00076	44,5	0,48	92,7
NaHCO3	0,0021	176,4	0,88	200,5
Итог 3	320,3	0,68	473,9

В таблице представлена концентрация соответствующей соли в моль/л, полученные в результате анализа. Затем путем умножения на молярную массу были получены значения концентрации соли в воде в мг/л. Далее на основании формулы (1) и графиков [1] была рассчитана электропроводность водного раствора каждой соли. Затем был рассчитан коэффициент пересчета электропроводности в солесодержание (n) путем деления солесодержания на электропроводность.

Если принять, что в исходной воде в качестве катионов содержится только кальций то в результате расчета получено значение электропроводности воды равное 468,4 мкСм/см. Это больше чем измеренное значение электропроводности – 451,0 мкСм/см. При учете солей магния, точнее их доли, расчетная электропроводность составила 459,2 мкСм/см. При этом солесодержание воды составило 311 мг/л, а коэффициент пересчета – 0,665. Как мы видим реальный коэффициент пересчета значительно больше чем 0,5.

Анализируя таблицу 3, выясняется, что основное влияние на коэффициент пересчета электропроводности в солесодержание оказывает анионный состав. Прежде всего, концентрация бикарбонатов (из-за большого коэффициента пересчета (n = 0,8-1,0)). Можно сказать, что для карбонатных, кальциево-магниевых вод коэффициент пересчета электропроводности в солесодержание должен быть в диапазоне 0,6-0,75. И только для хлоридных и сульфатных вод (при любом катионном составе) коэффициент пересчета составит 0,5-0,55.

Для ориентировочного определения коэффициента пересчета электропроводности в солесодержание необходимо знать только значение электропроводности, жесткости и щелочность (HCO3) воды. Для ориентировочного определения коэффициента пересчета электропроводности в солесодержание воды (карбонатно-кальциевой воды) можно воспользоваться следующей формулой:

,

n_HCO3 – коэффициент пересчета для бикарбоната кальция, n_HCO3=0,86;

q_HCO3 – доля бикарбоната от суммы всех анионов в г-экв;

q_SO4,Cl – доля суммы сульфата и хлорида от всех анионов.

Пример.

Имеется вода карбонатно-кальциевого типа. Электропроводность воды – 550 мкСм/см; Жесткость воды – 4,5 мг-экв/л; Щелочность воды – 2,7 мг-экв/л.

Предполагается отсутствие одновалентных ионов воде. Соответственно, концентрация анионов в воде предполагается равной 4,5 мг-экв/л. Тогда,

Соответственно, солесодержание воды равно

Реальный коэффициент пересчета для данной воды составил – 0,665

Погрешность при использовании данной формулы для карбонатно- кальциевых вод составляет не более 0,05.

Вторая часть данной статьи посвящена вопросу изменения солесодержания воды в процессе ее умягчения.

Для понимания как изменяется солесодержание и электропроводность умягченной воды давайте рассмотрим данные таблицы 4.

Таблица 4

Соль	ммоль/л	мг/л	n	мкСм/см	по справ[2]
Ca(HCO3)2	0,5	81	0,78	103,8462	104
СaSO4	0,5	68	0,49	138,7755	139,5
CaCl2	0,5	55,5	0,41	135,3659	135,85
Mg(HCO3)2	0,5	72,5	0,74	97,97297	97,5
MgSO4	0,5	60	0,45	133,3333	133
MgCl2	0,5	47,5	0,37	128,3784	129,35
NaHCO3	1	84	0,89	94,38202	94,6
Na2SO4	0,5	71	0,54	131,4815	130,1
NaCl	1	58,5	0,46	127,1739	126,45

В таблице 4 представлены данные для расчета коэффициента пересчета каждой соли.

Методика пересчета следующая:

1. По справочнику [2] определяются молярные электропроводности ионов в воде при бесконечном разбавлении. Пример. Электропроводность кальция при бесконечном разбавлении равна 59,5 мкСм/см, бикарбоната равна 44,1. Получаем, 59,5+44,5=104 мкСм/см. Производим такие расчеты для всех солей. Результаты расчета записываем в последний столбец таблицы.
2. Задаемся молярной концентрацией солей, так чтобы концентрации всех солей были эквивалентно равны. Т.е. для двухвалентных солей – 0,5 ммоль/л, для одновалентных – 1 ммоль/л. Значения записываем в первый столбец.
3. Умножая на молярную массу каждой соли, получаем концентрацию соли в мг/л. Третий столбец.
4. Делим значение из третьего столбца на значение из последнего столбца и получаем коэффициент пересчета (n) для каждой соли.
5. Округляем значение (n) до второго знака после запятой и умножаем на значение столбца 3.

Как мы можем, видеть электропроводность любых эквивалентных концентраций солей одного аниона уменьшается с уменьшением заряда и атомной массы катиона. К примеру, Значение электропроводности бикарбоната кальция самое большое по сравнению с бикарбонатом магния и натрия. Кальций двухвалентный и имеет самую большую массу. Затем следует бикарбонат магния. И самая маленькая электропроводность из бикарбонатных солей у одновалентного натрия. И это при том, что в эквивалентных концентрациях натрия в два раза моль больше, чем кальция или магния.

Такая же последовательность наблюдается и для других анионов. Для наглядности в таблице 4 соли сравниваемые по аниону выделены разным курсивом.

Получается, что при бесконечном разбавлении раствора двухвалентные ионы переносят больше электрического заряда. Но эксперименты подтверждают, что умягченная вода, которая содержит только натриевые соли в концентрациях эквивалентных исходным кальциевым и магниевым солям, практически всегда имеет более высокую электропроводность. Это связано с тем, что в реальных растворах гидратированные ионы сталкиваются друг с другом, как было образно сказано «переходят площадь, на которой толпа людей» или других ионов. В этом случае наблюдается значительное уменьшение переноса электрического заряда двухвалентными ионами. Уже при концентрации в несколько мг/л наблюдается значительное падение электропроводности двухвалентных ионов.

Для того чтобы наглядно показать это мною было проведено несколько экспериментов по умягчению жесткой воды.

Было приготовлено 4 раствора. Два раствора CaCl2 с электропроводностью 1168 мкСм/см и 339 мкСм/см. Два раствор MgSO4 с электропроводностью 1169 мкСм/см и 355 мкСм/см. Затем было проведено умягчение всех растворов и сделано измерение электропроводности умягченных растворов. Для умягчения использовалась ионообменная колонка с катионитом и для измерения электропроводности поверенный кондуктометр с погрешностью не более 1,5% от измеренной величины. Результаты эксперимента показаны в таблице 5, 6

Таблица 5

Исходный раствор CaCl2
Электропроводность исходного раствора CaCl2	Электропроводность умягченного раствора 2NaCl	Коэффициент пересчета (n)		Солесодержание, мг/л
		Для CaCl2	Для 2NaCl	Для CaCl2	Для 2NaCl
1168	1158	0,47	0,5	549	579
339	332	0,445	0,48	151	159

Таблица 6

Исходный раствор MgSO4
Электропроводность исходного раствора MgSO4	Электропроводность умягченного раствора Na2SO4	Коэффициент пересчета (n)		Солесодержание, мг/л
		Для MgSO4	Для Na2SO4	Для MgSO4	Для Na2SO4
1169	1527	0,7	0,64	819	977
355	412	0,56	0,575	198	237

Из данных таблицы 5 видно, что электропроводность исходного раствора хлорида кальция больше, чем электропроводность полученного в результате умягчения раствора хлорида натрия. Причем, разница в электропроводности исходной и умягченной воды уменьшается незначительно даже при увеличении солесодержания в 4 раза. Это подтверждает, что одновалентные ионы хлорида незначительно теряют подвижность с ростом общего количества ионов. Коэффициент пересчета меняется незначительно как для хлорида кальция, так и для хлорида натрия. Но так как кальций двухвалентный он больше теряет подвижность с ростом солесодержания и, соответственно, коэффициент пересчета для хлорида кальция вырастает на 0,47-0,445= 0,25. При том, что коэффициент пересчета для хлорида натрия вырастает всего на 0,5-0,48=0,2.

Из данных таблицы 6 видно, что электропроводность исходного раствора сульфата магния меньше, чем электропроводность полученного в результате умягчения раствора сульфата натрия. Причем, чем больше электропроводность (солесодержание) раствора, тем больше разница между электропроводностью умягченной и исходной воды. Это говорит о том, что тяжелый, двухвалентный ион сульфата при увеличении солесодержания воды значительно теряет подвижность. В связи с этим коэффициент пересчета (n) вырастает от 0,56 до 0,7 при увеличении солесодержания всего в 3,5 раза.

Эксперимент подтверждает ключевое влияние величины солесодержания и двухвалентных ионов на причину увеличения электропроводности умягченной воды по сравнению с исходной водой.

Мною был проведен эксперимент по умягчению водопроводной воды с жесткостью 3,2 мг-экв/л и электропроводностью 451 мкСм/см. Результаты измерений представлены в виде графика на рисунке 2.

Рисунок 2 Зависимость электропроводности умягченной воды от остаточной жесткости умягченной воды

Как видно из графика, жесткость умягченной воды сразу после начала фильтрования составила 0,05 мг-экв/л и электропроводность 468 мкСм/см. Затем электропроводность начала падать и при значении 464 мкСм/см значение жесткости составило 0,1 мг-экв/л. Затем началось существенное падение электропроводности и значительное повышение жесткости. Причем падение электропроводности носит линейный характер по отношению к повышению жесткости.

Можно сказать, что до значения электропроводности 464 мкСм/см умягчение воды проходило в объеме фильтроцикла, до истощения катионита по ионам натрия. После истощения катионита по ионам натрия электропроводность воды упала ниже 464 мкСм и жесткость фильтрата недопустимо выросла для первой ступени умягчения. Когда катионит потерял способность к ионообмену, электропроводность исходной воды стала равна электропроводности «умягченной» воды.

Интересное наблюдение. При умягчении воды в самом начале фильтроцикла, когда катионит гарантировано был насыщен ионами натрия, электропроводность фильтрата держалась на уровне 467 мкСм/см. Что соответствовало жесткости умягченной воды 0,05 мг-экв/л. Затем была значительно увеличена скорость фильтрования. Скорость фильтрования была гарантирована больше 100 м/час. При этом даже насыщенный катионит не успевал полностью умягчать воду и электропроводность воды упала до 461 мкСм/см, что соответствует 0,75 мг-экв/л жесткости. Затем скорость была восстановлена до значений 20-25 м/ч. Электропроводность снова выросла до 467 мкСм/см. Это было сделано для того, что бы исключить возможное влияние на электропроводность фильтрата возможных остатков регенерационного раствора и четко определить верхнюю границу электропроводности умягченной воды.

В таблице 3 представлены данные расчета электропроводности воды содержащей бикарбонат натрия, хлорид натрия и сульфат натрия (умягченной воды, для которой проводился эксперимент). Мольная концентрация бикарбоната натрия будет в два раза больше мольной концентрации исходного бикарбоната кальция, т.к. 1 моль карбоната кальция эквивалентно замещается двумя молями бикарбоната натрия. Так же для хлорида натрия. Мольная концентрация сульфата натрия будет равна мольной концентрации сульфата кальция.

По данным [1] были определены значения коэффициентов пересчета солесодержания в электропроводность для натриевых солей. Затем была рассчитана электропроводность каждой соли. В результате сумма электропроводностей всех солей составила 473,9 мкСм/см.

В результате расчета получили, что электропроводность жесткой воды составила 459,2 мкСм/см, а умягченной 473,9 мкСм/см. Расчетная электропроводность умягченной воды получилась немного выше, чем расчетная электропроводность жесткой воды. Это соответствует реальным показателям электропроводности на рисунке 2.

Так как в природной воде всегда содержится кальций и магний, а так же не менее 70 % от суммы всех анионов составляет бикарбонат + сульфат, то электропроводность умягченной воды в подавляющем большинстве случаев будет выше электропроводности поступающей на умягчение жесткой воды.

Только в том случае если в исходной жесткой воде не будет бикарбоната и сульфата, то после умягчения такой воды электропроводность умягченной воды будет ниже электропроводности исходной жесткой воды при солесодержании исходной воды не более 1 г/л.

Необходимо отметить, что чем выше солесодержание исходной воды и, соответственно, жесткость, тем больше будет разница в значениях электропроводности жесткой и умягченной воды. Электропроводность умягченной воды будет расти прямо пропорционально увеличению жесткости и, соответственно, солесодержанию исходной воды. Как было показано выше, при более высоком солесодержании воды большую подвижность будут иметь одновалентные ионы натрия по сравнению с двухвалентными ионами кальция и магния.

Мы можем видеть, что экспериментальные данные подтверждают расчетные данные. Для воды с исходной жесткостью 3,2 мг-экв/л и электропроводностью 459,2 мкСм/см перепад электропроводности составил в среднем 15 мкСм.

Анализируя электропроводности различных вод до и после установок умягчения на различных объектах, я установил определенную закономерность в изменении электропроводности исходной и умягченной воды. Увеличение электропроводности умягченной воды по сравнению с жесткой водой составляет примерно от 15 – до 25 мкСм на 3 мг-экв/л жесткости. Конечно, необходимо помнить, что данная зависимость характерна только для пресных, слабосоленых, карбонатно-сульфатных поверхностных и подземных вод.

Пример из моей практики. Электропроводность исходной воды до умягчения составляла 1692 мкСм/см и жесткость воды 11,5 мг-экв/л. После умягчения электропроводность составила 1795 мкСм/cм. Увеличение электропроводности составило 103 мкСм/см. Данная величина довольно существенна и может позволить вести контроль за установкой умягчения даже используя довольно дешевый кондуктометр.

Выводы:

1. Коэффициент пересчета электропроводности в солесодержание (n) зависит, прежде всего, от анионного состава воды и общей концентрации ионов в воде.
2. Для вод с содержанием бикарбоната от 30 % до 80 % и более коэффициент пересчета должен определяться в диапазоне от 0,6 до 0,75.
3. Использование коэффициента пересчета 0,5-0,55 обосновано только для хлоридно- сульфатных вод. В большей степени хлоридных.
4. Для ориентировочного определения коэффициента пересчета электропроводности в солесодержание воды (карбонатно-кальциевой воды) можно воспользоваться следующей формулой:

n_HCO3 – коэффициент пересчета для бикарбоната кальция, n_HCO3=0,86;

q_HCO3 – доля бикарбоната от суммы всех анионов в молях;

q_SO4,Cl – доля суммы сульфата и хлорида от всех анионов;

От чего зависит электропроводность воды

Удельная электрическая проводимость (удельная электропроводность) — количественная характеристика способности воды проводить электрический ток. Это величина, обратная электрическому сопротивлению воды при температуре 25°С, находящейся между двумя электродами с поверхностью 1 см2, расстояние между которыми равно 1 см. Единица удельной электрической проводимости — Сименс на 1 м (См/м). Для воды в качестве единицы измерения используют производные величины — миллиСимменс на 1 м (мСм/м) или микроСименс на 1 см (мкСм/см).

В большинстве случаев удельная электрическая проводимость является приблизительной характеристикой концентрации в воде неорганических электролитов — катионов Na+, K+, Са2+, Mg2+ и анионов Сlˉ, SO42-, HCO3-. Присутствие других ионов, например Fe(II), Fe(III), Mn(II), NO3-, НРО42- обычно мало сказывается на величине удельной электрической проводимости, так как эти ионы редко встречаются в воде в значительных количествах. Водородные и гидроксильные ионы в диапазоне их обычных концентраций в поверхностных водах суши на удельную электрическую проводимость практически не влияют. Столь же мало и влияние растворенных газов.

Удельная электрическая проводимость воды зависит в основном от их минерализации и обычно колеблется в пределах от 50 до 10000 мкСм/см.

Измерение удельной электрической проводимости осуществляется — кондуктометрическим методом, с помощью прибора кондуктометра. Кондуктометр позволяет оценить качество воды и определить, в каких областях ее можно применять. Кондуктометры бывают промышленными и бытовыми. Первые отличаются точностью показателей и большей функциональностью. Бытовой прибор обычно бывает без дополнительных функций и может давать результат с небольшой погрешностью, которая не имеет существенного значения для качества употребляемой питьевой воды.

Затруднения, возникающие при оценке суммарного содержания минеральных веществ по удельной электропроводности связаны с:

неодинаковой удельной электропроводимостью растворов различных солей;

повышением электропроводимости с увеличением температуры.

Влияние электропроводности воды на здоровье человека:

Вода, в которой содержатся растворенные соли и минеральные вещества, обеспечивает правильное функционирование нервной системы человека, позволяет быстрее передавать импульсы, которые отвечают за выполнение мышечных функций. Чем выше электропроводность, тем меньше энергии потребуется затратить организму для передачи импульса. Вода с повышенной минерализацией и высокой электропроводностью является полезной для здоровья: она улучшает общее самочувствие и дает прилив сил.

Удельная электропроводность в промышленности:

В отдельных отраслях применяются исключительно жесткие требования к качеству водоподготовки. В частности, в энергетике, микроэлектронике и фармацевтике одним из важнейших показателей является электропроводность воды. Способность специально подготовленной жидкости проводить ток и величина удельного сопротивления сказывается на эффективности некоторых технологических процессов.

Для снижения удельной электропроводности используются следующие методы очистки:

Обратный осмос — суть метода состоит в использовании полупроницаемых мембран для получения пермеата высокой очистки. В процессе обратного осмоса проводимость воды существенно уменьшается по причине ее глубокой деминерализации. Современные промышленные установки обратного осмоса отделяют до 99,9 % всех примесей, в том числе и солей жесткости. Такие системы отличаются производительностью до 1000 л/ч. Показатели электропроводности осмотической воды в зависимости от модели используемой установки колеблется в пределах от 0,1 до 5 мкСм/см. Пермеат без дополнительной обработки относиться к первой степени очистки, и может использоваться в медицине, фармацевтике и других высокотехнологичных отраслях промышленного производства. Обратноосмотические установки в настоящее время являются основными источниками очищенной воды.

Электродеионизация — в настоящее время разрабатываются и внедряются технологии глубокой очистки жидкостей от солей. Необходимые физические свойства воды, в том числе электропроводность на уровне 0,055 мкСм/см.

Ионный обмен — Для ускорения процесса в камеру закладывается состав из специальных высокомолекулярных смол, состоящих из катионитов и анионитов. Полимеры имеют пористую структуру и поглощают заряженные частицы и замещают их.

Очищенная вода после выше указанных методов очистки обладает крайне низкой электропроводимостью, что позволяет ее использовать в фармацевтической отрасли, производства лакокрасочных изделий, в качестве питательной воды на предприятиях теплоэнергетики итд.