STUDY OF THE EFFECT OF CHANGES IN IONIC WATER COMPOSITION ON THE VALUE OF ITS REDOX POTENTIAL AND ZETA-POTENTIAL

Full Text

Целью данной работы являлось установление степени зависимости электрокинетического потенциала (дзета-потенциала, ДП) от ионного состава воды и ее окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие задачи: отбор проб водопроводной воды из одной точки сети г. Самары; определение физико-химического состава изучаемой воды и ее дзета-потенциала; обработка и анализ полученных результатов. В ходе опытов была использована натуральная пищевая морская соль компании «Droga Kolinska», произведенная в Словении из вод Адриатического моря естественным способом - выпариванием морской воды на солнце. Соль имела следующий физико-химический состав: NaCl (97,9 % - 99,4 %), Mg2+ (max 0,19 %), Ca2+ (max 0,2 %), SO4 2- (max 0,5 %), H2O (max 1 %). Для взвешивания вводимой в воду соли были использованы лабораторные весы SHINKO VIBRA HTR-220CE с точностью 0,0001 г. Определение величины дзета-потенциала в пробах исследуемой воды проводилось на установке, созданной на кафедре водоснабжения и водоотведения СамГТУ (рис. 1) по методике, изложенной в работе [1]. Измерения производились на основе амперометрического метода определения электрокинетической подвижности [2]. Величина дзета-потенциала DOI: 10.17673/Vestnik.2019.01.7 В. И. Кичигин, Н. А. Газизов, А. Р. Салихова 39 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 Рис. 1. Схема (а) и общий вид устройства (б) для измерения величины дзета-потенциала а б определялась по пяти пробам воды с помощью уравнения Гельмгольца- Смолуховского [3]. После подключения установки к источнику постоянного тока в камеру заливался дистиллят для проверки правильности показаний приборов, влючался тумблер и на авометре высвечивалось контрольное значение (должно быть в пределах 0,0÷0,1 А). После проверки на дистилляте в ячейку заливался исследуемый раствор. Для измерения значений окислительно-восстановительного потенциала чистых проб и соляных растворов был использован прибор ОВП-метр 2069 фирмы «Kelilong», имеющий диапазон работы ±1999 мВ при 0-50 °C и погрешность ±5 мВ. Кроме основных показателей, для получения более полной картины качества исследуемой воды были собраны органолептические, обобщенные и показания вредных веществ в соответствии с правилами (ГОСТ 3351-74 «Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности»). Полученные результаты сравнивались с нормами ПДК (СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения»). Для определения мутности воды использовались колориметры фотоэлектрические концентрационные КФК-2МП. Определение значения щелочности проводилось по методике, изложенной в ГОСТ 31957-2012 «Вода. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов»; концентрации хлорид-ионов - по методике, описанной в ГОСТ 4245-72 «Вода питьевая. Методы определения хлоридов»; концентрации общей жесткости - по методике, описанной в ГОСТ 31954-2012 «Вода питьевая. Методы определения жесткости»; содержания ионов кальция - по методике, описанной в ГОСТ 23268.5-78 «Воды минеральные питьевые лечебные, лечебно-столовые и природные столовые. Методы определения ионов кальция и магния». Расчет величины дзета-потенциала проводился по пяти пробам при уровне значимости q = 0,05 по методикам, изложенным в работе [4]. Порядок опытов рандомизировался с помощью таблицы случайных чисел. Было проведено две серии опытов - «основная» (с 09.02 по 05.07.2018 г.) и «контрольная» (с 18.02 по 26.02.2019 г.). Полученные результаты приведены в табл. 1 и 2 и на рис. 2-9 (первая серия опытов) и в табл. 3 и 4 и на рис. 10-14 (вторая серия опытов). Анализ данных, приведенных в табл. 1, показал соответствие всех изучаемых показателей воды нормам СанПиН 2.1.4.1074-01. Кроме того, было выявлено, что в период с 09.02 по 05.07.2018 г. при температуре 24-26 °С величина дзета-потенциала изменялась в пределах от 291,7 до 416,9 мВ. Из рис. 2-4 можно сделать вывод об устойчивой связи между значениями дзета-потенциала, общей жесткостью воды, концентрацией катионов Mg2+ и Ca2+ в исследуемой воде. Величина достоверности аппроксимации составляла 0,8338, 0,9091 и 0,8994 соответственно. Причем с увеличением общей жесткости исследуемой воды и содержания в ней ионов Ca2+ росло и значение дзета-потенциала (см. рис. 2 и 4), а при увеличении содержания ионов Mg2+ величина дзета-потенциала падала (см. рис. 3). Анализ данных табл. 2 и рис. 5-8 выявил тенденцию к уменьшению величины дзета-потенциала как при увеличении концентрации NaCl, так и при увеличении катионов Na+ и анионов Cl-. Возможно, это объясняется приближением к порогу растворимости и повышением вероятности выпадения хлористого натрия в осадок. А кривая зависимости дзе- Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 40 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ та-потенциала от ОВП воды на рис. 9 выражается уравнением y = 0,0606x2 - 23,594x + 2402,4 и устанавливает высокую связь между показателями, с достоверностью аппроксимации R² = 0,9742. Результаты «контрольной» серии исследований, проведенных на подобной исходной воде, но в период с 18.02 по 26.02. 2019 г. приведены в табл. 3-4 и на рис. 10-14. Была установлена большая сходимость одноименных зависимостей. Так, сравнительный попарный анализ данных табл. 1 и 3; 2 и 4 подтвердил тенденцию к уменьшению величины дзета-потенциала как при увеличении концентрации соли, так и при увеличении катионов Na+ и анионов Cl-. Кривая зависимости ДП от ОВП воды на рис. 14 выражается уравнением y = 0,056x2 - 22,56x + 2400 при R² = 0,982, а аналогичная зависимость на рис. 9 - уравнением y = 0,0606x2 - 23,594x + 2402,4 при R² = 0,9742. Высокая сходимость полученных результатов была и при попарном сравнении данных, приведённых на рис. 5 и 10; 6 и 11; 7 и 12; 8 и 14. Таблица 1 Значения показателей водопроводной воды Дата отбора проб (2018 г.) ДП, мВ t, °С Мутность, мг/дм3 Щелочность, ммоль/дм3 Жесткость, мг /дм3 по Ca2+ по Mg2+ общая 09.02 308,4 25 1,44 2,3 2,2 1,7 3,9 20.02 291,7 24 1,36 2,0 1,9 1,8 3,7 27.02 390,4 23 1,36 2,5 2,8 1,4 4,2 28.02 301,4 24 1,52 2,1 2,2 1,7 3,9 06.03 386,8 24 1,21 2,4 2,7 1,5 4,2 07.03 375,4 24 1,29 2,4 2,9 1,4 4,3 13.04 310,4 26 1,52 2,3 2,4 1,6 4,0 19.04 308,7 25 1,44 2,3 2,2 1,7 3,9 26.04 304,3 24 1,52 2,2 2,2 1,8 4,0 03.05 315,6 24 1,44 2,4 2,3 1,6 3,9 25.06 394,2 24 1,44 2,5 3,0 1,2 4,2 26.06 416,9 24 1,52 2,8 3,1 1,2 4,3 27.06 392,8 25 1,44 2,5 3,4 1,3 4,7 28.06 382,9 25 1,44 2,4 3,2 1,3 4,5 02.07 407,6 26 1,44 2,6 3,5 1,1 4,6 03.07 391,2 26 1,52 2,5 3,7 1,3 5,0 05.07 416, 26 1,36 2,8 3,3 1,2 4,5 Таблица 2 Исследование зависимости дзета-потенциала от электрохимических показателей растворов Концентрация, мг/дм3 ДП, мВ рН Температура, С° ОВП, мВ Общее солесодержание Концетрация ионов, мг/дм3 ppm мг-экв/ дм3 Cl- Na+, 0 358,5 7,5 25 132 206 4,11 0,0 0,0 100 256,4 7,4 25 143 285 5,69 60,7 39,3 200 205,3 7,4 25 150 374 7,46 121,4 78,6 300 174,0 7,3 25 160 457 9,12 182,1 117,9 400 143,2 7,3 25 171 544 10,88 242,8 157,2 500 126,1 7,3 25 186 632 12,63 303,5 196,5 600 111, 9 7,2 25 195 721 14,40 364,2 235,8 700 101,0 7,2 25 207 819 16,36 424,9 275,1 В. И. Кичигин, Н. А. Газизов, А. Р. Салихова 41 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 Рис. 3. Зависимость значений дзета-потенциала от содержания ионов Mg2+ в воде Таблица 3 Значения показателей в исследуемой воде Дата отбора проб (2019 г.) ДП, мВ t, °С М, мг/дм3 Щ, ммоль/ дм3 Жесткость, мг-экв/дм3 по Ca2+ по Mg2+ общая 18.02 423,5 19 0,91 2,5 3,4 1,1 4,5 21.02 407,2 22 0,91 2,3 3,3 1,2 4,5 25.02 405,5 20 0,76 2,4 3,4 1,0 4,4 26.02 419,2 20 0,76 2,4 3,2 1,1 4,3 Таблица 4 Исследование зависимости величины дзета-потенциала от электрохимических показателей растворов Концентрация NaCl, мг/дм3 ДП, мВ рН Температура, С° ОВП, мВ Общее солесодержание Концентрация ионов, мг/дм3 ppm мг-экв/ дм3 Cl-, Na+, 100 292,6 7,5 20 148 273 5,45 60,7 39,3 200 251,1 7,5 20 156 350 6,98 121,4 78,6 300 219,3 7,5 20 165 454 9,07 182,1 117,9 400 192,5 7,5 20 168 512 10,22 242,8 157,2 500 180,4 7,5 20 171 587 11,73 303,5 196,5 600 168,5 7,5 20 181 673 13,44 364,2 235,8 700 144,3 7,5 20 187 761 15,20 424,9 275,1 Рис. 2. Зависимость значений дзета-потенциала от общей жесткости воды Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 42 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Рис. 5. Зависимость значений дзета-потенциала от концентрации соли Рис. 6. Зависимость значений дзета-потенциала от содержания ионов Cl- в воде Рис. 4. Зависимость значений дзета-потенциала от содержания ионов Ca2+ в воде В. И. Кичигин, Н. А. Газизов, А. Р. Салихова 43 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 Рис. 7. Зависимость значений дзета-потенциала от содержания ионов Na+ в воде Рис. 8. Зависимость значений дзета-потенциала от общего солесодержания воды Рис. 9. Зависимость значений дзета-потенциала от ОВП Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 44 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Рис. 10. Зависимость значений дзета-потенциал от концентрации NaCl в воде Рис. 11. Зависимость дзета-потенциала от концентрации ионов Cl- в воде Рис. 12. Зависимость дзета-потенциала от концентрации ионов Na+ в воде В. И. Кичигин, Н. А. Газизов, А. Р. Салихова 45 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 Рис. 13. Зависимость значений дзета-потенциала от общего солесодержания воды Рис. 14. Зависимость значений дзета-потенциала от ОВП Выводы. 1. Установлено соответствие всех изучаемых показателей воды нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения». В ходе сбора органолептических показателей качества воды были выявлены отдельные отклонения от нормативов ПДК показателя цветности исходных проб на один-три градуса. Это может быть связано с высоким содержанием железа и его соединений или гуминовых веществ в эти дни, а также с качеством трубопроводов в сетях и общим ростом цветности воды в Саратовском водохранилище в районе Самары за последние годы. 2. Обнаружны устойчивые связи между значениями дзета-потенциала, ОВП, общей жесткостью воды, катионами Mg2+ и Ca2+ при величине достоверности аппроксимации во всех случаях больше 0,83. 3. Выявлена тенденция к уменьшению величины дзета-потенциала как при увеличении концентрации соли, так и при увеличении сдержания катионов Na+ и анионов Cl-. Это объясняется приближением к порогу растворимости и повышением вероятности выпадения соли в осадок, что подтверждает теорию о пороговом значении дзета-потенциала в 30 мВ, при котором теряется устойчивость коллоидной систем. 4. Результатами «контрольной» серии исследований, проведенных на подобной исходной воде, но в период с 18.02 по 26.02. 2019 г. была установлена большая сходимость одно- Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 46 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ именных зависимостей. Так сравнительный попарный анализ данных табл. 1 и 3; 2 и 4 подтвердил тенденцию к уменьшению величины дзета-потенциала как при увеличении концентрации соли, так и при увеличении катионов Na+ и анионов Cl-. Высокая сходимость полученных результатов была выявлена и при попарном сравнении данных, приведённых на рис. 5 и 10; 6 и 11; 7 и 12; 8 и 14.

About the authors

Viktor I. KICHIGIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Nail A. GAZIZOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Alfia R. SALIKHOVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files