Chemie vodyVoda je na naší planetě součástí atmosféry, pevnin, oceánů, přirozených a umělých nádrží, toků, vyplňuje dutiny, je obsažena v půdě jako voda kapilární a gravitační. Je i nedílnou součástí veškerých forem života, včetně člověka. Vody lze rozlišovat např. podle původu, výskytu a použití. Zdroje vody podle jejich výskytu
Složení vod - závěr Podrobnejší informace o chemii vody získáte na naší stránce www.techvoda.cz. Zdroje vody podle jejich výskytu 1. Vody atmosférické – mohou být významným zdrojem nutrietů, toxických kovů a ostatních látek v povrchových vodách i v mělkých podzemních vodách.
2. Vody povrchové – mořská voda, vody kontinentální tekoucí a stojaté (jezera, nádrže) 3. Vody podzemní – jsou rozmanitého chemického složení, charakterizují se podle převládajících iontů nebo podle iontových kombinací, doplňují se převážně infiltrací srážkových a povrchových vod, méně pak kondenzací vodních par v půdě a vznikem a kondenzací vodních par z magmatu 4. Vody zvláštní - přírodní léčivé vody, stolní vody, důlní vody Vody podle jejich použití
[ Nahoru ] Chemicky čistá voda o 100 % koncentraci H2O se v přírodě nevyskytuje, rovněž pitná voda je směsí minerálů a jiných látek rozpuštěných ve vodě. Množství těchto látek je závislé na původu vody – podzemní voda v sobě při průchodu zeminou rozpouští různé látky, proto je jejich obsah zpravidla vyšší než u vody povrchové, kde je zastoupen vyšší podíl dešťové vody s minimálním obsahem rozpuštěných látek. Různé složení vody dané různými poměry jednotlivých složek pak způsobuje nepatrné změny v chuti, které mohou být citlivějšími jedinci zachytitelné. Není tedy zcela pravda, jak se vždy tradovalo, že pitná voda je kapalina bez chuti a bez zápachu. Vliv složení vody na lidský organismus Většina látek rozpuštěných v přírodní vodě je pro zdraví člověka neškodná, ba naopak pro správný vývoj nutná. Pitnou vodou přijímá lidské tělo významnou část důležitých minerálních látek. Chemicky čistá voda by byla naopak pro zdraví škodlivá – vlivem absolutní absence rozpustných sloučenin je tato voda z lidského těla odčerpává, což může vést k závažným zdravotním problémům (např. řídnutí kostí úbytkem vápníku a hořčíku, poškození ledvin apod.) Bohužel však ne všechny sloučeniny přítomné ve vodě jsou pro zdraví člověka vhodné a přínosné. Minimální ohled na životní prostředí při provozování chemických podniků a neřízené používání umělých hnojiv v dřívějších dobách mělo za následek hromadné úniky nebezpečných chemických sloučenin do půdy a tím do podzemních vod, či splachy do vodních toků. Úprava přírodních vod na vodu pitnou se tím stává stále náročnější, složitější a dražší. Technologie, kterými se ovlivňuje složení vod: 1. úprava vod – vody relativně čisté se upravují tak, aby byly použitelné pro zamýšlený účel (výroba pitné vody, úprava vody pro domácnosti, pro kotelny, chlazení čí jiné výrobní celky) 2. čištění vod – kvalita znečištěných vod se různými procesy zlepšuje tak, by bylo možno vody pak v souladu s kladenými požadavky vypustit do kanalizace nebo do povrchové vody - Některé technologie se používají jak pro úpravárenské, tak pro čisticí procesy (například se desinfikují pitné nebo chladicí vody – zde se jedné o úpravárenskou technologii, při desinfekci kontaminovaných odpadních vod se hovoří o čištění). Některé úpravárenské metody není možno použít pro přípravu pitné vody, neboť jejich produkt by byl pro nevhodný ze zdravotních důvodů k pití – například demineralizace nebo deionizace pro naprostou absenci minerálií. Naopak některé technologie se používají pouze pro čištění, například biologické čištění odpadních vod. [ Nahoru ] Vlivem příměsí přítomných ve vodách zjišťujeme chemickým rozborem, že prakticky každý zdroj vody má jinou kvalitu. Nejobvyklejšími parametry, které se ve vodě běžně stanovují, jsou pH, tvrdost vody a koncentrace rozpuštěných a veškerých látek, které se pak stanovují jako kationy (vápník, hořčík, mangan, železo, sodík, draslík, zinek, hliník, olovo) nebo jako anionty (chloridy, sírany, fosforečnany, dusičnany, dusitany, hydrogenuhličitany, uhličitany). O obsahu organických látek svědčí hodnoty CHSK (chemická spotřeba kyslíku), TOC (celkový organický uhlík) a BSK (biochemická spotřeba kyslíku) a další skupinová stanovení. V některých případech je důležitý obsah rozpuštěných plynů (kyslík, oxid uhličitý). Nedílnou součástí popisu kvality vody je i mikrobiologický rozbor. Na základě důkladně provedeného rozboru vody se lze vyjádřit k její kvalitě a vhodnosti použití. Požadavky na kvalitu pitné a teplé vody pro zásobování obyvatelstva a zaměstnanců jsou v České republice stanoveny vyhláškou Ministerstva zdravotnictví číslo 252/2004 Sbírky zákonů. Požadavky na kvalitu přípustného znečištění povrchových a odpadních vod jsou v České republice stanoveny nařízením vlády číslo 61/2003 Sbírky zákonů. Požadavky na kvalitu technologických vod nejsou v České republice legislativně stanoveny, jsou pouze k dispozici státní normy a požadavky výrobců daného zařízení, které nemají obecnou právní závaznost. V některých oborech činnosti není k dispozici žádné platné nařízení a provozovatel se musí řídit svou zkušeností a intuicí. Při pochybnostech je někdy potřeba odborné expertizy např. Státního zdravotního ústavu – pokud by se jednalo o speciální úpravy doplňkové vody pro zvlhčování klimatizace. Proto je důležité při provozování technologie si zvolit vhodnou firmu s dostatečnými znalostmi a zkušenostmi, aby případné problémy byly odstraněny dříve, než dojde k vážné poruše či dokonce odstávce zařízení. Protože naše firma se zabývá ve velké části své činnosti úpravou vod pro chladicí, teplovodní a parovodní systémy a pro sterilizace v potravinářském průmyslu, budeme se blíže zabývat těmi pojmy z oblasti chemie vod, které jsou v našem oboru velmi frekventované. [ Nahoru ] je termín vyjadřující celkový obsah solí vápníku a hořčíku ve vodě. Tyto minerální soli jsou velmi důležité pro lidský organismus, jejich přítomnost je v pitné vodě žádoucí. V chladicích i ve sterilizačních vodách je tvrdost limitována, v kotelních vodách je nežádoucí. Podle charakteru přítomných sloučenin je rozlišována: Tvrdost přechodná (karbonátová), tvořená uhličitany a hydrogenuhličitany vápenatými a hořečnatými. Ta se může měnit v důsledku změny rovnováhy mezi oxidem uhličitým, uhličitany a hydrogenuhličitany, např. při zahřívání, vaření. To se projevuje vysrážením formou tzv.vodního nebo kotelního kamene na teplosměnných plochách. Tvrdost trvalá (nekarbonátová), tvořená jinými solemi vápenatými a hořečnatými (např. sírany, chloridy, dusičnany, křemičitany, humáty). Tento typ tvrdosti se změnou teploty nebo tlaku nemění. Celková tvrdost je součtem trvalé a přechodné tvrdosti. Povrchová voda je obvykle měkká, protože jejím zdrojem jsou z velké části srážky, které jsou minimálně mineralizovány. Naproti tomu voda z podzemních zdrojů bývá středně tvrdá až tvrdá. Její složení je dáno horninami, kterými voda prochází, a schopností vody rozpouštět jejich jednotlivé složky.
Přepočty V každé stupnici jsou odpovídající hodnoty tvrdosti jiné, proto v následujícím uvádíme přepočtovou tabulku mezi jednotlivými stupnicemi.
[ Nahoru ]
2. Reakce vody - pH
Hodnota pH vody je závislá na chemickém a biologickém znečištění vody a na teplotě. Hodnota pH vody významně ovlivňuje chemické a biochemické procesy ve vodě a proto její stanovení je nezbytnou součástí každého rozboru vody. Umožňuje rozlišit jednotlivé formy výskytu některých prvků ve vodách, je jedním z hledisek posuzování agresivity vody a ovlivňuje účinnost většiny chemických, fyzikálně – chemických a biologických procesů používaných při úpravě a čištění vod (koagulaci, sorpci, srážení, oxidaci, redukci, hydrolýzu, nitrifikaci, denitrifikaci, aerobní a anaerobní biologický rozklad aj.). Destilovaná voda zbavená oxidu uhličitého má při 25°C pH hodnotu 7, při 100°C klesá pH na 6,1. Při 0°C je pH hodnota 7,5. V destilované vodě, která je v rovnováze s oxidem uhličitým přítomným v čistém vzduchu je hodnota pH rovna 5,6. Hodnota pH podzemních, povrchových a většiny minerálních vod se zpravidla pohybuje mezi 5,5 až 8. To se netýká přírodních kyselek a vod, které se vyskytují v rašeliništích anebo v okolí nalezišť sulfidických rud, jejichž pH je kyselé (2,5 až 4,5). V povrchových nádržích s mikrobiologickým oživením bývá vlivem fotosyntézy pH posunuto do zásadité oblasti nad 8. Srážkové vody, které pocházejí z neznečištěných oblastí mívají hodnotu pH asi od 5 do 6, ve střední Evropě vzhledem ke znečištění atmosféry oxidy dusíku a síry bývá hodnota srážek 4 až 5, výjimečně byly naměřeny hodnoty kolem 3. Mezní hodnota pH pro pitnou vodu je 6,5 až 9,5 pro balené vody může být nižší. Optimální hodnota pH pro ryby se pohybuje v rozmezí 6,5 až 8,5. Lososovité ryby jsou citlivé na vysoké hodnoty pH, poškození a úhyn lze u lososovitých pozorovat při 4,8>pH>9,2 a u kaprovitých ryb 5,0>pH>10,8. Pro vodárenské toky platí hodnota pH 6,0 až 8,0 a pro ostatní povrchové vody v rozmezí 6,0 až 9,0. Ve vodě vhodné pro závlahu by mělo pH být od 4,5 do 9,0. Z důvodů omezení korozních rychlostí výrobci limitují pH některých technologických vod. U pozinkovaných ocelí v chladicích vodách se požaduje pH zpravidla v rozsahu 6,5 až 8,5. Pro napájecí vody parních kotlů je předepsáno pH 8,5 až 9,5 a v kotelních tělesech je doporučeno pH 10 až 12. [ Nahoru ] Většina přírodních a odpadních vod se vlivem obsažených látek vyznačuje určitou tlumivou neutralizační kapacitou (kyselinovou, zásadovou) – to znamená, že při přidávání silné kyseliny, resp. louhu do vzorku vody se pH vzorku nemění přímo úměrně dávce kyseliny resp. louhu, ale v určitém rozsahu má voda schopnost vázat vodíkové nebo hydroxidové ionty. Hodnota pH, do kterého se neutralizační kapacita stanovuje, se volí z důvodů technologických nebo analytických. Například u odpadních vod se stanovuje do pH 7, neboť z ní lze již spočíst množství kyseliny nebo louhu k neutralizaci dané odpadní vody. Neutralizační kapacita se tedy stanovuje titrací kyselinou (kyselinová neutralizační kapacita, zkratka KNK) nebo titrací louhem - zásadou (zásadová neutralizační kapacita, zkratka ZNK) a to většinou do pH 8,3 anebo do pH 4,5 a pH je udáváno jako index. Při analýze pitných, přírodních a užitkových vod se běžně stanovují hodnoty KNK4,5 a KNK8,3, v minulosti se pro ně používaly i jiné názvy:
Hodnoty pH zvolené pro tyto případy odpovídají uhličitanovému systému, který způsobuje převážnou část neutralizační kapacity těchto vod. Za předpokladu, že neutralizační kapacitu vzorku tvoří iontové formy oxidu uhličitého (tedy rozpuštěné hydrogenuhličitany (HCO3-) a uhličitany (CO32-)) popřípadě hydroxidové ionty (OH-), lze ve vzorku na základě zjištěných neutralizačních kapacit odhadnout jejich koncentrace podle tabulky:
m je m-alkalita v mmol/l, stanovuje se titrací vzorku kyselinou (na indikátor methyloranž)
[ Nahoru ] patří mezi základní anionty vyskytující se ve vodách. Jejich koncentrace jsou relativně nízké v prostých podzemních vodách (jednotky mg/l) v povrchových vodách se vzhledem k jejich vysoké rozpustnosti postupně zvyšují: např. v labské vodě v profilu Děčín je 20 až 40 mg/l chloridů, v profilu Magdeburg je vlivem znečištění průměrná koncentrace 230 mg/l. V minerálních vodách jsou koncentrace chloridů stovky až několik tisíc mg/l (to je několik g/l). V mořích je průměrně 20 g/l chloridů, ve vodě Mrtvého moře přesahují i 100 g/l. Chloridy jsou hygienicky nezávadné, při vyšších koncentracích však ovlivňují chuť vody, a to i v závislosti na ostatních kationech. Protože jsou vždy přítomny v odpadních sociálních vodách, jsou považovány při větších koncentracích za indikátory fekálního znečištění a proto jsou limitovány v pitné vodě hodnotou 100mg/l – při zvýšení chloridů vlivem geologického podloží a u mineralizovaných vod se povoluje až 250 mg/l. U povrchových vod, které nejsou zdrojem pitné vody, se povoluje až 250 mg/l chloridů. Zvýšená koncentrace chloridů podporuje vznik a rozvoj koroze kovových materiálů, proto výrobci limitují jejich obsah k oběhové vodě chladicích systémů. Pro pozinkovanou ocel výrobci povolují 125 resp. až 250 mg/l, podle technologie výroby. Pro nerez ocel typ 304 se povoluje 400 mg/l, pro nerez ocel typ 316 se povoluje až 4000 mg/l. [ Nahoru ] je plyn, který se ve vodě přirozeně nevyskytuje. Do vody se různým způsobem dávkuje (chloruje se chlornanem, oxidem chloričitým, chloraminy) k hygienickému zabezpečení pitné vody nebo jako oxidační činidlo při úpravě vody a při čištění odpadních vod. Chlor ve vodě reaguje s řadou organických látek za vzniku látek, které jsou různým způsobem v pitné vodě škodlivé (chlorfenoly, trichlormetan), proto se stanovuje v pitné vodě znečištění organickými látkami i produkty jejich chlorace.V technologii vody rozlišujeme celkový aktivní chlor jako volný (molekulární chlor) a vázaný (chloraminy). V pitné vodě je povolena koncentrace volného chloru 0,3 mg/l nebo vázaného chloru 0,4 mg/l. U povrchových vod, které nejsou zdrojem pitné vody, se povoluje až 0,005 mg/l celkového chloru (jako HClO) při pH 6, při vyšším pH může být i vyšší hodnota, protože disociace HClO pří zvyšujícím pH se snižuje. Chlorace se také používá k sanačním zákrokům proti mikrobiálnímu znečištění chladicích systémů popř. legionele. Výrobci odpařovacích kondenzátorů pro chladicí systémy limitují volný chlor koncentračně i časově, např. max. 5 až 15 mg/l po dobu max. 6 hodin, aby nedošlo k poškození povrchu trubkovnic, které jsou z pozinkované ocele. [ Nahoru ] je plyn, který se ve vodě přirozeně vyskytuje. Do vody se dostává jednak difúzí z atmosféry, jednak při fotosyntetické asimilaci vodních rostlin a řas, a naopak se spotřebovává různými chemickými, biochemickými i biologickými procesy. Podzemní vody jsou na kyslík poměrně chudé, v povrchových vodách kolísá koncentrace kyslíku podle toho, zda jde o tok nebo nádrž. V povrchových vrstvách nádrží je jeho koncentrace nejvyšší při hladině, pokud není přirozené promíchávání vrstev, pak směrem dolů koncentrace klesá. V tocích se kyslík spotřebovává při samočisticích pochodech, proto je jeho koncentrace nejvyšší v čistých vodách a naopak nejnižší v organicky znečištěných vodách. Proto koncentrace kyslíku je důležitým indikátorem čistoty povrchových vod. Kyslík je nezbytný pro život ryb, nejnáročnější lososovité ryby potřebují 8 až 10 mg/l, pod 3 mg/l vykazují příznaky dušení, kaprovité vyžadují jen 6 až 8 mg/l, pod 1,5 mg/l vykazují příznaky dušení. Nedostatek rozpuštěného kyslíku ve vodě také zvyšuje škodlivost působení toxických látek na ryby. S klesající teplotou potřeba kyslíku pro ryby klesá. U povrchových vod, které nejsou zdrojem pitné vody, se požaduje alespoň 6 mg/l kyslíku. V pitné vodě kyslík pozitivně ovlivňuje chuťové vlastnosti vody, jeho obsah není legislativně stanoven. Obsah kyslíku ve vodě způsobuje korozi kovů, zpravidla její nebezpečnou bodovou (důlkovou) formu. Největší problémy způsobuje v chladicích a kotelních systémech, kde se nebezpečí kyslíkové koroze potlačuje dávkováním buď přípravků na pasivaci povrchů kovů anebo termickým či chemickým odplyněním. [ Nahoru ] přírodních, pitných, užitkových a odpadních je velmi rozmanité vzhledem k tomu, že existuje celá řada příměsí a znečištění. Ve vodách mohou být přítomny rozpuštěné a nerozpuštěné anorganické a organické látky a rozpuštěné plyny (kyslík, dusík, oxid uhličitý, chlor, oxid chloričitý, ozon, sulfan, amoniak, oxid dusný, oxid uhelnatý, radon, methan) v různých koncentracích (makrokomponenty i stopové). Kromě toho bývá často přítomno i biologické oživení. Většina látek nacházejících se v přírodních vodách nemá při požívání vliv na zdraví, některé látky jsou z různých důvodů pro člověka potřebné. Některé látky původně relativně neškodné se při technologické úpravě změní na velmi nebezpečné (halogenované uhlovodíky). Při vyšší koncentraci znečišťujících látek se v přírodních vodách mohou vyskytnout i toxiny – kovové soli kadmia, rtuti, olova, arsenu, nebo naopak organické látky z rozbujelého fytoplanktonu - cyanotoxiny ze sinic. Proto je při rozhodování o nezávadnosti, kvalitě či vhodnosti použití zdroje vody potřeba se vždy obrátit na odborníky, kteří rozbor posoudí ve všech souvislostech. [ Nahoru ] |