Какая нужна щелочность для чистой воды в бассейне

Введение

Понимание роли щелочности и в частности карбонатной, её связи с рН является краеугольным камнем водоподготовки в бассейнах. Практически все процессы дезинфекции и других обработок связаны с этими показателями. Не знание этих связей и не умение регулировать рН и щелочность в лучшем случае приводит к необоснованному расходу средств или плохому качеству воды, а в худшем случае отражается на здоровье человека.

Данная статья входит в цикл статей Базовые показатели воды плавательных бассейнов. Она занимает второе место в смысловой хронологии после:

1 – Определение, тестирование, регулировка, а также различие между щелочностью и рН в бассейне. 

2 — Какая нужна щелочность для чистой воды в бассейне.

3 - Что сделать чтобы рН в бассейне не менялся

4 – Бораты и боратный буфер применительно к воде в бассейнах. 

5 — Щелочность цианурата, циануровая кислота и органический хлор.

6 — Сбалансированная вода бассейна, что об этом думает Ланжелье?

Напомним, что такое щелочность.

Щелочность, A (alkalinity, А): показатель количественной оценки свойств водной среды реагировать с ионами водорода. Alkalinity (А) воды является функцией концентрации гидрокарбоната НСО_з^— , карбоната СО₃^2- и гидроксида ОН^— . В более общем значении щелочностью воды следует называть её суммарную насыщенность анионами слабых кислот и гидроксильными ионами. Она обуславливается анионами слабых кислот, и в зависимости от кислотных остатков щелочность воды бывает карбонатной, бикарбонатной (гидрокарбонатной) и гидратной, это основные ее составляющие. И другой — силикатной, фосфатной, вызванной анионами гуминовых кислот, циануратной и так далее. Обычно другие акцепторы протона, не относящиеся к карбонатной системе, представлены в небольших концентрациях и ими можно пренебречь [1].

Однако если в воду внесены бораты или циануровая кислота (чаще с органическим хлором), то эти анионы приходится учитывать в составе общей щелочности. И если из общей щелочности вычесть влияние боратной и циануратной щелочности, то получится щелочность, которая состоит только из бикарбонатов и карбонатов. Часто эту щелочность называют карбонатной щелочностью или «скорректированной щелочностью». Хотя технически можно учитывать только карбонатную (создаваемую ионами СО₃^2- ) или гидрокарбонатную (бикарбонатную) щелочность, созданную гидрокарбонатными ионами НСО_з^—. Именно эти ионы вместе с рН и играют главную роль в процессах водоподготовки бассейнов.

Рассмотрим уже ставшую классической диаграмму зависимости концентрации составляющих карбонатной жесткости от рН.

Фиолетовая линия показывает карбонат-ионы, которые начинают появляться при рН 8,3, когда начинают превращаться бикарбонат-ионы.

Как видно из диаграммы в классическом для бассейнов диапазоне pH 6-9 подавляющая часть щелочности приходится на бикарбонат (зеленая линия). Карбонатные ионы начинают образовываться, только если ваш рН превышает 8,3. Это объясняет, почему намного сложнее удерживать кальций в растворе при рН выше 8,3: карбонатные ионы очень притягиваются кальцием, поэтому они образуют нерастворимый в воде карбонат кальция и выпадают в осадок из раствора:

Ca²⁺ + CO₃^— ⇌ CaCO_{3
Кальций + карбонат- ион ⇌ Карбонат кальция}

Вот вам и объяснение частого помутнения воды насыщенной солями кальция, когда вы не заметили вовремя поднявшийся рН. Аналогичные проблемы это принесет и электродам хлоргенератора в бассейнах с солью, на которых высадится «накипь» и они перестанут генерировать хлор. В последствии мы узнаем, что эти состояния возникают из-за нарушения индекса насыщения Ланжелье (LSI). «Гипсовая пыль» представляет собой гидроксид кальция pH 12,6, вызывающий образование карбонатных ионов; солевые ячейки производят побочный продукт гидроксида натрия pH 13,5, который вызывает образование карбонатных ионов; а кальцинированная сода, которую добавляют для поднятия рН и регулировки щелочности, сама по себе представляет собой карбонат натрия с pH 11,6. Все три типа продуктов осаждают карбонат кальция по выше описанной реакции.

Как химически количественно определить карбонатную и бикарбонатную щелочность мы уже показали в статье [2] в разделе Определение щелочности по ГОСТ.

Однако чаще, особенно при расчете индекса Ланжелье, возникает потребность только в скорректированной щелочности. Чтобы рассчитать скорректированную щелочность, просто вычтите щелочность цианурата и бората (если их применяли) из общей щелочности. Коэффициент щелочности цианурата составляет приблизительно 1/3 от содержащейся циануровой кислоты, который затем необходимо вычесть из TA. Если быть более точным, то поправочный коэффициент зависит от pH. Чем ниже ваш pH, тем меньше поправочный коэффициент. Смотрите таблицу LSI ниже:

Давайте приведем пример. Допустим, у вас 7,8 pH, общей щелочности 100 ppm и 60 ppm CYA:

Скорректированная щелочность (CA) = общая щелочность (TA) — (CYA x [поправочный коэффициент pH])

1.CA = 100 — (60 x [поправочный коэффициент при 7,8 pH из таблицы в зеленом поле])

2. CA = 100 — (60 x [0,35])

3. CA = 100 — (21)

4. CA = 79 ppm

Как вы можете видеть, повышение CYA увеличивает поправку. Это означает, что с увеличением концентрации циануровой кислоты (стабилизатора в органическом хлоре) снижается скорректированная щелочность. В свою очередь, более высокая концентрация CYA означает более низкий LSI. Конечно, если в вашем бассейне не используется CYA, общая щелочность должна быть исключительно карбонатной (с очень редкими исключениями). Таким образом, в нестабилизированном циануровой кислотой бассейне нет необходимости внесения поправок в корректировку щелочности. Просто используйте полученный показатель общей щелочности TA.

Идеальный общий уровень щелочности

Идеальный уровень TA зависит от типа используемого дезинфицирующего средства, но в учебниках обычно рекомендуется диапазон 80-120 ppm. Это нуждается в комментарии. Если ваш бассейн холодный и утепленный (нет скачков температуры), то, конечно, подойдет 80-120. Но если вы используете солевой генератор хлора, жидкий хлор или кальция гипохлорит, вам, вероятно, не нужна такая большая щелочность в вашей воде.

Мы считаем, что вашим TA должно быть число, позволяющее снизить предельный уровень pH до 8,3. Вы можете использовать калькулятор Orenda ™ (ниже где его скачать), чтобы увидеть свой предельный уровень pH в режиме реального времени, поскольку он определяется вашей карбонатной щелочностью. Чтобы компенсировать это более низкое значение TA, вам потребуется больше кальциевой жесткости для поддержания общего баланса LSI в воде.

Как повысить щелочность в бассейне

Повысить щелочность довольно просто, если добавить в воду больше карбонатов. Самым безопасным, экономичным и популярным продуктом для этого является бикарбонат натрия (он же пищевая сода, или гидрокарбонат натрия). Бикарбонат натрия отлично подходит для повышения щелочности, а также немного повышает рН воды, потому что ее рН составляет всего около 8,3.

Как мы видели на диаграмме выше, большая часть щелочности в бассейне обычно приходится на бикарбонат.

Другой продукт, повышающий щелочность, — это карбонат натрия (он же кальцинированная сода), но он больше подходит для сильного повышения pH и незначительного повышения щелочности. Кальцинированная сода имеет гораздо более высокий pH — 11,3 (в 1% растворе), что делает ее примерно в 1000 раз более щелочной, чем бикарбонат натрия. Исходя из такой разницы в рН растворов рекомендуется изменять щелочность с помощью пищевой соды, а если нужно повлиять на повышение рН, то использовать кальцинированную соду.

Чтобы повысить щелочность с помощью бикарбонада натрия, можно рассчитать свою дозу с помощью бесплатного приложения Orenda (скачать бесплатно в App Store и GooglePlay). Как только вы определите необходимое количество бикарбоната натрия, предварительно растворите его в ведре с водой и медленно добавляйте по периметру бассейна.

Как добавить кальцинированную соду или бикарбонат натрия, рассчитанные с помощью калькулятора от Orenda

Шаг 1 Проверьте воду в бассейне на рН и общую щелочность. Запишите результаты. Приложение Orenda точно сообщит вам, сколько того или иного продукта вам нужно.

Шаг 2 Наполните на ¾ ведро водой из бассейна. Медленно высыпайте отмеренное количество кальцинированной соды или бикарбоната в ведро. Если ваша доза превышает вместимость ведра, вам нужно будет повторить эти действия или использовать несколько ведер. Не превышайте 6кг на ведро, так как это может затруднить растворение.

Шаг 3 Добейтесь полного растворения продукта в ведре.

Шаг 4 Вливайте в бассейн двигаясь по периметру медленно (чтобы не создавать локальных сверх концентраций) только воду из ведра с растворенным продуктом. Из этих же соображений не следует выливать раствор в струю форсунки или тем более в скиммер. Если не все растворилось, то к нерастворенной части добавьте воды и повторите процедуру.

Калькулятор приложения Orenda покажет вам дозировку как кальцинированной соды, так и бикарбоната натрия. Это потому, что как компьютер он не знает, изменяете ли вы рН и щелочность одновременно. Он просто сообщает вам, что кальцинированная сода повышает pH, а бикарбонат натрия — щелочность. Поэтому сначала отрегулируйте щелочность. Затем повторно протестируйте pH и отрегулируйте соответствующим образом.

Если вы добавляете кальцинированную соду и при этом в бассейне появляется замутнение, то либо ее добавляли слишком быстро, либо ее было просто слишком много. Вот почему предварительное разведение — хорошая идея. Добавляйте всегда медленно и лучше половину приготовленного раствора. Через некоторый промежуток времени добавьте остаток. Таким образом вы всегда можете прервать процесс и подрегулировать количество.

Барботаж углекислого газа

Одним из механизмов увеличения рН является аэрация. В статье [2] дано объяснение каким образом аэрация воды воздухом может повысить рН. Причем в этом случае не происходит повышения щелочности. А вот если вместо воздуха выполнять барботаж углекислого газа, то возможно повышение щелочности без добавления бикарбоната натрия или кальцинированной соды.

Не карбонатные пути повышения щелочности в бассейнах

Щелочность повышается из-за того, что дополнительный CO₂ в конечном итоге превращается в бОльшую бикарбонатную щелочность, чем та, что была в бассейне раньше. Этого было бы достаточно в качестве объяснения, если не задуматься о том, что приведенная выше диаграмма щелочности показывает нам равновесие самих карбонатов. На диаграмме не показано, куда уходят дополнительные атомы водорода. Речь идет об этом равновесии:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ HCO₃^— + H⁺ ⇌ CO₃^2- + 2H⁺

углекислый газ + вода ⇌ углекислота ⇌ бикарбонат + водород ⇌ карбонат + 2 водорода

И вот еще три химических процесса, влияющих на повышение щелочности при использовании гипохлоритов:

1 Побочные продукты из растворов гипохлорита.

Здесь речь идет о неорганических источниках гипохлорита (не касается ситуации с органическим хлором). Щелочность повышается из-за избытка гидроксида в гипохлоритах, где щелочь используется как стабилизатор. А в случае гипохлорита кальция (cal hypo) имеется не только избыток гидроксида, но еще и избыток карбоната, которые и способствуют повышению щелочности. Однако происходит лишь незначительное повышение щелочности. И причина в сложении двух разнонаправленных процессов, существующих одновременно. Причину повышения щелочности мы только что описали, а понижение связано с последствиями окисления хлором или когда хлор убивает микроорганизмы. В этом случае HOCl (хлорноватистая кислота) превращается в HCl (соляная кислота) что основном и снижает pH и соответственно щелочность. В всяком случае, применение гипохлоритов, можно трактовать как самостоятельное повышение щелочности без необходимости добавления бикарбоната натрия или чего-либо еще.

2 Побочные продукты из органического хлора.

Источником гипохлорита может быть и органический хлор, чаще всего содержащий стабилизатор от распада хлорноватистой кислоты под воздействием УФ лучей [4]. В качестве стабилизатора используют циануровую кислоту (CYA). Это слабая кислота. В воде бассейна циануровая кислота образует циануратные ионы. Эти ионы вносят свой вклад в общую щелочность воды. Циануровая кислота (H₃C₃N₃O_3, или H₃Cy) является кислотой, а циануратный ион (H₂C₃N₃O₃^{— ,} или H₂Cy^— ) является ее сопряженным основанием. Концентрация этого цианурат-иона является составляющей частью общей щелочности. И, т.о., увеличивает ее.

В молярном выражении буферная система циануровая кислота/цианурат обеспечивает более эффективную буферизацию воды в бассейне при рН 7,5, 26ºС и 1000 ppm TDS, поскольку ее рН максимальной буферизации ближе к рН бассейна.

Однако, исходя из содержащегося количества, буферная способность систем углекислота/бикарбонат и циануровая кислота/цианурат примерно сопоставима в рекомендуемом диапазоне рН (7,2 — 7,8) и выше, чем у бората при рН <7,8.

Важным значением pH для щелочности цианурата является его значение pK_a, равное 6,88 pH. Поскольку его pK_a ближе к эксплуатационным уровням pH бассейна, чем уровень карбонатной щелочности, щелочность цианурата считается более сильным буфером против снижения pH... но количественно цианурата в воде содержится не так много, как бикарбоната. Если (по какой-либо причине) цианураты и бикарбонаты содержались в воде в эквимолярных количествах, технически CYA были бы более сильным буфером. Но они не эквимолярные. Бикарбоната гораздо больше, и поэтому карбонатная щелочность является доминирующей буферной системой в воде бассейнов.

3 Азотсодержащие соединения

Однако щелочность может повышаться быстрее, если окисление хлора не завершит свой процесс. Назовем это неполным окислением, которое означает образование меньшего количества HCl для снижения pH и щелочности. Виной этому может послужить ситуация, когда хлор соединяется с азотсодержащими соединениями (обычно некорректные условия выполнения хлорирования), такими как мочевина и аммиак. Эти соединения возникают в результате реакции мочевины и аммиака с хлорноватистой кислотой и называются хлорамины, а в сумме они образуют связанный или комбинированный хлор:

NH₃ → NH₂Cl → NHCl₂  → NCl₃

Аммиак → Монохлорамин → Дихлорамин → Трихлорамины

Заключение

Щелочность в бассейне обуславливается анионами слабых кислот. К естественно присутствующей в воде следует отнести карбонатную и бикарбонатную щелочности. В исходной неподготовленной воде природное происхождение дает еще щелочность, вызванная анионами гуминовых кислот. В этой воде так же могут присутствовать селикатная и фосфатная щелочности как результат промышленной деятельности человека, но после первоначальной водоподготовки они представлены в небольших концентрациях и ими можно пренебречь. Уже в процессе обслуживания бассейнов к щелочности могут добавиться искусственно привносимые циануратная и боратная щелочности. Эти виды щелочности уже имеют ощутимое влияние на рН и их приходится учитывать.

Использование онлайн калькулятора Orenda из одноименного приложения для смартфонов Appl и Android позволяет существенно упростить расчеты с корректировкой базовых показателей.

В следующих статьях мы цикла Базовые показатели воды плавательных бассейнов вы познакомитесь с буферными системами (БС). Буферная система углекислоты/бикарбоната — не единственная система буферизации pH в плавательных бассейнах, хотя и основная. Открытые бассейны, в которых используется циануровая кислота (CYA), обладают дополнительной буферной способностью против снижения pH, называемой щелочностью цианурата. Так же, особенно в бассейнах с хлоргенераторами из растворов поваренной соли, могут быть использованы боратные БС

Цианурат является более сильным буфером сопротивления снижению рН, чем бикарбонат, потому что его значение pK_a ближе к нормальному диапазону рН бассейна. Но поскольку в воде намного больше бикарбоната, карбонатная щелочность является доминирующей системой буферизации pH в плавательных бассейнах.

Хотя калькулятор Orenda ™ выполняет все эти расчеты и исправления за вас автоматически, владельцам бассейнов и операторам будет полезно понимать, что предельные значения LSI и pH зависят от уровня щелочности карбоната, который можно рассчитать путем вычитания щелочности циануратов и боратов из общей щелочности.

Литература

[1] Вода. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов ГОСТ 31957—2012.

[2] Определение, тестирование, регулировка, а также различие между щелочностью и рН в бассейне.

[3] Практикум по аналитической химии, Часть 1, У ч е б н о е п о с о б и е, Издание ОмГу Омск 1998. В.И. Вершинин, Т.В. Антонова, С.В. Усова. Расчет pH растворов различного типа. [https://studfile.net/preview/1770809/page:29/].

[4] Органический хлор для дезинфекции в бассейнах. Некоторые нюансы. 

Попробуйте оценить сколько времени вам потребуется чтобы разобраться в химии водоподготовки в бассейне. Затем потратить время и деньги, а вмести с ними и нервы, на экспериментальную проверку на сколько хорошо вы все поняли и можете уже применить. Наверняка станет ясно, что лучше заработать деньги тем, что вы уже хорошо делаете, а освоение новой для себя темы и ускоренное получение желаемого результата выполнить вместе со специалистом в этом деле. Поэтому поступите рационально – закажите (e-mail obasseyne@yandex.ru) онлайн сопровождение решения интересующего вас вопроса. В разделе Давайте знакомиться https://obasseyne.info/obo-mne/davayte-znakomitysya/ в комментариях прочтите отзывы тех, кто уже этим воспользовался.

В Телеграм у нас есть закрытая группа. Как в нее вступить и что вы от этого получите, узнайте из виджета на Главной странице, правый сайдбар.