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

Введение

Щелочность и рН часто отождествляют между собой, хотя это разные понятия, но одновременно тесно связанные. Путаница возникает из-за того, что для их регулировки применяют практически одни и те же реагенты и индикаторы, хотя методически их применяют по-разному. Чем же рН отличается от щелочности и как пользоваться этими параметрами для водоподготовки в бассейне?

Чтобы разобраться в вопросах водоподготовки воды в бассейнах нужно понимание что такое кислотно-щелочной баланс воды, какова при этом роль рН, щелочности и жесткости. И надо учитывать, что эти параметры все тесно меду собой связаны. А с умением управлять этими параметрами, связана эффективность и уместность применения различных способов дезинфекции воды. Другими словами, среда в которой мы используем ту или иную дезинфекцию, должна быть дружелюбна к выбранному приему дезинфекции.

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?

Читателю

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.

• Введение.
• Роль углекислого газа в кислотно щелочном балансе воды.
• Жесткость.
• Щелочность.
• Связь между жесткостью и щелочностью.
• рН.
• Влияние некоторых коагулянтов на рН и щелочность.
• Как и чем можно регулировать эти показатели
• Литература.

Роль углекислого газа в кислотно щелочном балансе воды. 

Углекислый газ СО₂, растворяется в воде частично превращаясь в угольную кислоту Н₂СО₃. Этим его растворение отличается от растворения кислорода, азота, аргона и других газов, не вступающих во взаимодействие с водой. Конечно содержание свободной угольной кислоты Н₂СО₃ зависит от концентрации растворенной двуокиси углерода. Однако растворимость СО₂ в воде не столь уж велика, всего 26,4мл на 1л воды при 20^◦С и нормальном давлении. Содержание растворенного СО₂ в воде может быть искусственно увеличено, например, газированная вода. Но касательно бассейнов нам удобнее рассмотреть естественные процессы растворения и десорбции (удаления) СО_2.

Известно, что в состав воздуха входят кислород-21%, азот-78%, углекислый газ-0,03%, аргон и другие газы. Каждый газ в зависимости от его количества в составе воздуха создает свое давление, называемое порциальным, а их сумма, это давление самого воздуха.

Входящие в состав воздуха газы способны растворяться в воде. Растворимость каждого из них связана с опять же с порциальным давлением этого газа и коэффициентом растворимости. Этот коэффициент (табличная величина) выражают в литрах газа растворенных на литр воды при давлении 1 бар и температуре 20 °C. У кислорода он 0,031, у азота 0,016, у углекислого газа 0,879. Например, при +20^◦С и нормальном давлении углекислого газа растворится 8,78мл/л, а кислорода только 0,31мл/л [1].

Как это считать: 20.9 об. % кислорода с атмосферным давлением 1000 мбар создают парциальное давление 0.209 бар O₂, таким образом, 1 литр воды содержит 0.031 ∗ 0.209 = 0.00648 литра или 6.5 мл кислорода. Азот (парциальное давление 0.791 бар N₂) растворяется хуже, 1 л воды содержит 0.016 ∗ 0.791 = 0.01266 л или 12.7 мл азота. Содержание CO₂ составляет 0.879 ∗ 0,03 = 0,02637 л или 26,37мл CO₂, растворенного в 1 л воды.

Из приведенных выше газов углекислый газ при растворении в воде реагирует с ней, остальные же, нет. Поэтому в воде всегда присутствует одновременно СО₂ просто растворенный и прореагировавший с водой с образованием угольной кислоты в соответствии с уравнением:

СО₂+Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^— ↔ Н⁺ + СО₃^2- (1)

Из уравнения 1 видно, что образовавшаяся угольная кислота Н₂СО₃ сначала обратимо распадается (первая ступень, K1= 4•10^-7) с образованием гидрокарбонат-иона НСО₃^— , а на второй ступени (K2= 5,6•10^-11) гидрокарбонат так же обратимо образует карбонат-ион СО₃^2- . Таким образом, в воде постоянно происходят процессы как в одну, так и другую сторону, поддерживая концентрации ионов, характерные для каждого конкретного набора условий (температуры, давления, рН). Порядок величин К1 и К2 говорит о том, что угольная кислота является весьма слабой кислотой (К1<1 и К2 <1), а сравнение величин К1 и К2 – о том, что в ее растворе доминируют гидрокарбонат-ионы (К1>К2).

В форме угольной кислоты находится лишь незначительная часть растворенного углекислого газа (около 1%), поэтому содержание свободной углекислоты в воде характеризуют суммой Н₂СО₃ + СО₂, при этом пересчет ведут не на кислоту, а на СО₂. Соотношение СО₂ и Н₂СО_3, а значит и концентрации гидрокарбонат-ионов НСО₃^— и карбонат-ионов СО₃^2-  зависят от рН воды. Это следует из уравнения 1, демонстрирующее на каждой ступени присутствует Н⁺, количество которых мы идентифицируем в воде как рН.

На рисунке 1 представлено соотношение форм угольной кислоты в зависимости от pH воды при температуре 25°С [2].

Из рис. 1 видно, что при значении pH<4,3 вся углекислота находится в воде в виде СО₂ и свободной (недиссоциированной) Н₂СО₃. С увеличением значения pH доля СО₂ уменьшается при одновременном увеличении доли НСО₃^— и при значении pH = 8,35 практически вся углекислота присутствует в форме бикарбонат-ионов. Далее с увеличением рН происходит диссоциация гидрокарбонат-иона в соответствии со второй ступенью: НСО₃^— ↔ Н⁺ + СО₃^2- и при значениях pH>12 углекислота представлена только ионами СО₃^2- .

Жесткость. 

Жесткость делится на временную и постоянную. Временная или карбонатная жесткость воды прямо зависит от содержащихся в водном растворе гидрокарбонатов Mg (HCO₃)₂ и Ca (HCO₃)₂, а постоянная жесткость воды - это находящиеся в растворе все остальные соединения Ca и Mg с кислотными остатками сильных кислот - азотной, серной, соляной и более слабых кислот - фосфорной и кремниевой. Т.е. временная жесткость является источником гидрокарбонат- (НСО₃^— ) и карбонат-ионов (СО₃^2- ) [3].

Применительно к бассейнам нас будет интересовать временная или карбонатная жесткость воды. Для карбонатной жесткости воды в бассейне идеальный уровень это 3.0 — 3.5 мг-экв/л.

Карбонатная жесткость определяется концентрацией гидрокарбонат-ионов, присутствующих в воде в виде гидрокарбоната кальция или магния. При наличии карбонатной жесткости вода имеет щелочную реакцию (то же происходит и при растворении пищевой соды NaНCО₃), так как гидрокарбонат-ион HCO₃^— связывает протон Н⁺, образовавшийся при гидролизе воды Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^— . Это в свою очередь приводит к повышению концентрации ОН^— , что мы наблюдаем как увеличение рН. Поэтому карбонатную жесткость определяют методом нейтрализации путем титрования анализируемой воды 0,1Н раствором соляной кислоты в присутствии индикатора – метилоранжа или смешанного индикатора.

В природе основным поставщиком карбонат и гидрокарбонат ионов для воды являются различные известковые осадочные породы. Растворимость карбоната кальция (CaCO₃) в значительной степени зависит от количества растворенного в воде диоксида углерода (CO₂):

CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca^{2 +} + 2HCO₃⁻ (2)

Тогда, если в качестве фильтрующего материала (а лучше дополнительно к фильтровальному песку) использовать мраморную крошку (СаСО_з), известняк (СаСО₃) или доломит (CaCO₃MgCO₃), то, пропуская через них воду, можно перевести свободнорастворённый СО₂ в ионную форму и вода будет обогащаться гидрокарбонатом кальция (смотри уравнение 2 выше).

Такой же эффект от применения мраморной крошки будет достигнут если исходная для бассейна вода имеет низкий рН и низкую щелочность. В тоже время быстрое увеличение щелочности может привести к выпадению в осадок других минералов, которые растворены в воде, что мы наблюдаем как помутнение воды.

Повышение температуры или понижение давления, как правило, приводят к уменьшению количества растворенного CO₂ и выпадению в осадок CaCO₃. Уменьшение солености также снижает растворимость CaCO₃, причем для пресной воды это снижение в несколько раз больше чем для морской. Поэтому поверхностные воды океанов (соленые воды) Земли перенасыщены CaCO₃ более чем в шесть раз.

Из сказанного следует, что карбонатная жесткость связана с растворением углекислого газа в воде и дальнейшей реакцией с карбонатными породами, следовательно, вносит свой вклад в кислотно-щелочной баланс воды.

Щелочность. 

Анионы ОН^— , НСО_з^— и СО₃^2- , присутствующие в природных водах, способны нейтрализовать ионы водорода и в сумме обусловливают общую щелочность воды. Щелочность показывает, как бы резервную емкость воды по нейтрализации ионов водорода. Численное значение общей щелочности Щ (ммоль/л) можно определить, как сумму концентраций ионов ОН^— , НСО_з^— и удвоенной (в соответствии с коэффициентом в уравнении) концентрации ионов СО₃^2- .

Щ = [НСО_з^-] + 2[СО₃^2-] + [ОН^-] (3)

Как следует из рисунка 1 при значении рН около 8,35 общая щелочность обусловлена наличием только гидрокарбонат ионов НСО_з^— . В подавляющем большинстве природных вод суши ионы НСО_з^— связаны только с ионами кальция и магния, поэтому при значении рН≤8,35 можно считать, что общая щелочность воды равна её карбонатной жесткости.

Введение в воду рН-минуса или выпадение атмосферных осадков с повышенным содержанием ионов водорода («кислотные дожди») приведёт к закислению воды, т.е.увеличению концентрации Н⁺. В природе этот процесс был бы компенсирован реакцией с карбонатными породами. В бассейне же сопротивление добавляемым Н⁺ на первом шаге оказывает щелочность: гидрокарбонат-ионы, присутствующие в воде, нейтрализуют поступающие ионы Н⁺ в соответствии с уравнением:

Н⁺ + НСО_з^— = CO₂ + Н₂О

Эта способность воды противостоять изменению рН при внесении извне протонов называется буферным свойством. И в приведенном примере эту способность воде придает щелочность. Щелочность (точнее то, что ее обуславливает), за счет реакции с протонами добавляемой кислоты, до определенного момента (в пределах буферной емкости) «съедает» поступающие протоны и не позволяет рН изменяться. Когда же резерв буферной способности использован, новые порции кислоты уже начинают понижать рН. Следовательно, растворы с низкой щелочностью имеют меньшую буферную способность и довольно быстро изменяют рН при добавлении чего-либо кислотного. Например, при растворении в воде углекислого газа из воздуха образуется слабая угольная кислота, но вода с низкой щелочностью способна реагировать даже на ее действие, т.к. практически лишена буферных свойств.

И наоборот, образцы с высокой щелочностью имеют более высокую буферную способность и меньше подвержены влиянию добавления чего-либо кислотного. Другими словами, в этом случае вам нужно добавить намного больше кислоты, чтобы получить такое же изменение рН, как в образце с низкой щелочностью. Вот почему к рекомендациям на таре расхода рН-минуса или рН-плюса нужно относиться как к средней температуре по госпиталю и всегда перепроверять (пересчитывать) эти нормы применительно к своей воде. Щелочность выражается в мг/л в отличии от безразмерного рН.

Принято считать, что идеальный диапазон pH для воды в бассейне составляет от 7,2 до 7,6, что означает, что вода не является не слишком кислой, не слишком щелочной. В свою очередь поддерживать уровень щелочности рекомендуют на уровне 80-120 ppm.

Определения щелочности по ГОСТ

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 те, что присутствуют в бассейновой воде. И другой — силикатной, фосфатной, вызванной анионами гуминовых кислот и так далее (все остальные воды). Обычно другие акцепторы протона, не относящиеся к карбонатной системе, представлены в небольших концентрациях и ими можно пренебречь [4].

Общая щелочность АТ (total alkalinity, АТ), иногда говорят щелочность по метилоранжу: это щелочность, определяемая титрованием пробы воды до значения pH 4,5. это совокупность всех ионов карбонатов (СО₃^2— ), гидрокарбонатов (НСО₃^— ) и гидроксидов (ОН^— ) в воде, способных противостоять изменению рН. Её определяют титрованием пробы воды раствором соляной кислоты до перехода окраски индикатора метилового оранжевого, поэтому ее называют еще щелочностью по метилоранжу. Сегодня в соответствии с ГОСТ 31957—2012 используют раствор смешанного индикатора (метиловый красный + бромкрезоловый зеленый) и титруют раствором соляной кислоты до перехода сине-зелёной окраски в серую (рН = 4,5). В международном стандарте [5] термин представлен как «methyl red (methyl orange) endpoint alkalinity».

Свободная щелочность AР (composite alkalinity, AР): или щелочность по фенолфталеину – определяет содержание в воде сильных щелочей. Определяется титрованием пробы воды раствором соляной кислоты до значения рН 8,3. При этом оттитровываются гидроксид-ионы (ОН^— ) и половина содержания карбонат- ионов (СО₃^2- ). В международном стандарте [5] термин представлен как «phenolphthalein endpoint alkalinity; composite alkalinity (AР)».

Значение общей щелочности включает в себя и щелочность по фенолфталеину. Таким образом, при титровании по фенолфталеину в реакции с кислотой участвуют анионы ОН^– и СО₃^2–, а при титровании по метиловому оранжевому – ОН^–, СО₃^2– и НСО₃^– [6].

Карбонатная щелочность (carbon alkalinity): это щелочность, создаваемая гидрокарбонатными и карбонатными ионами. Определяется титрованием раствором соляной кислоты пробы воды до значения рН 5,4 в присутствии смешанного индикатора метилового красного и бромкрезолового зеленого в этиловом спирте.

В международном стандарте [7] приведен термин «alkalinity (А)». При этом отмечается, что в контексте данного международного стандарта карбонатную щелочность часто называют общей щелочностью и она численно равна щелочности по метиловому оранжевому.

При титровании карбонат- (СО₃^2- ) и гидрокарбонат- (НСО₃^— ) ионов, при их совместном присутствии, в одной пробе с помощью двух последовательно добавляемых индикаторов фенолфталеина и метилоранжа раздельно титруют раствором соляной кислоты сначала карбонат-ион и затем гидрокарбонат ион:

СО₃^2- + НСl = Cl⁻ + НСО₃^-    I стадия; индикатор фенолфталеин

На второй стадии титруется сумма образованных и ранее присутствовавших гидрокарбонат-ионов:

НСО₃^— + НСl = Cl⁻ + CO₂ + Н₂О  II стадия; индикатор метиловый оранжевый

В этой смеси на I стадии в присутствии индикатора фенолфталеина оттитровываются карбонат-ионы до гидрокарбонат-ионов, а затем в присутствии метилового оранжевого (II стадия) – гидрокарбонат-ионы, образовавшиеся из карбонат-ионов, и гидрокарбонат-ионы, изначально находившиеся в смеси.

При визуальном титровании определению щелочности мешают:

— интенсивная окраска воды, которую перед титрованием устраняют путем добавления гидроксида алюминия (или активированного угля) с последующим фильтрованием через бумажный фильтр «синяя лента» или стеклянный фильтр,

— наличие суспендированных карбонатов, которые перед титрованием устраняют фильтрованием через бумажный фильтр «синяя лента» или стеклянный фильтр.

— свободный хлор в концентрациях свыше 0,5 мг/л, затрудняющий фиксирование перехода окраски индикатора. Свободный хлор перед титрованием устраняют путем добавления раствора тиосульфата натрия [4].

Стоит обратить внимание на это, т.к. корректными измерениями щелочности можно считать лишь те, которые выполнены при концентрациях хлора (в целом любого окислителя, т.е. и перекиси) в воде не выше санитарных значений 0,3-0,5мг/л.

Связь между жесткостью и щелочностью

Различают три случая жесткости и щелочности природной воды [8]:

• выше щелочности: в такой воде Ca²⁺ и Mg²⁺ сначала образуют карбонатную жесткость с HCO₃^— , а оставшиеся Ca²⁺ и Mg²⁺ образуют некарбонатную жесткость с другими анионами, такими как SO₄^2- и Cl^— , большая часть природной воды относится к этой ситуации;
• равная щелочности: в такой воде все Ca²⁺ и Mg²⁺ образуют карбонатную жесткость с HCO₃^— , когда нет ни некарбонатной жесткости, ни остаточной щелочности, что редко встречается в природной воде;
• меньше, чем щелочность: эта вода называется щелочной водой, Ca²⁺, Mg²⁺ с HCO₃^— образуют карбонатную жесткость, остальные HCO₃^— с Na+, K+ образуют натриево-калиевую щелочность, также известную как отрицательная жесткость. Некарбонатной жесткости в такой воде в принципе нет, и ее называют отрицательной жесткой или щелочной водой, и только отдельные районы имеют такую природную воду.

Щелочность природных вод, рН которых обычно <8,35, зависит от присутствия в воде бикарбонатов, карбонатов, иногда и гуматов. В других формах щелочность появляется в процессах обработки воды. Так как в природных водах почти всегда щелочность определяется бикарбонатами, то для таких вод общую щелочность принимают равной карбонатной жесткости. Касательно воды бассейнов надо всегда учитывать источник воды.

рН. 

рН указывает, является ли раствор кислотой или основанием, а в какой степени – об этом говорят цифры от 0 до 14. Фактически рН воды бассейна нам показывает концентрацию ионов водорода в воде, выраженную целыми числами от 0 до 14 через отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода. Т.е., чем больше нулей после запятой (чем меньше концентрация), тем больше значение рН. Выражать через логарифм удобно, чтобы не мучиться с нулями после запятой. Именно наличием и количеством положительно заряженных ионов водорода (протонов) Н⁺ в воде и связаны кислые или оснО′вные свойства водного раствора. Молекулы воды частично диссоциированы, т.е. распались на ионы Н⁺ и ОН^— . Вода имеет pH 7,0, что соответствует концентрации ионов водороды выраженной через десятичный логарифм. Знак равновесия в уравнении диссоциации (распада) молекул воды говорит, что на каждый ион H⁺, существует один ион OH^–, который уравновешивает его. Если рН уменьшается, то это говорит об увеличении в воде концентрации Н⁺. Свойством отдавать протон обладают кислоты. Поэтому мы говорим, что в этом случае кислотность увеличивается. А вот двигаясь от рН7 в сторону больших значений, концентрация ионов водорода Н⁺ уменьшается и в этом случае говорят, что увеличивается оснО′вность. рН – безразмерная величина. Хотя рН есть показатель кислотности, но своим названием он обязан французскому pouvoir hydrogenem («сила водорода»), а маленькая буква «p» — это оператор, означающий «взять отрицательный логарифм от Н (концентрации)».

Точность измерения рН традиционными для бассейновой практики средствами в присутствии окислителя (хлор или перекись) довольно относительна. Некоторые пособия рекомендуют перед измерением рН «гасить» действие окислителя, например, тиосульфатом натрия. Но при этом возникает другая проблема — в реакции тиосульфата натрия с гипохлоритом выделяется кислота, которая так же будет накладываться на результат. Поэтому, единственной осторожностью, которой можно пользоваться при тестировании рН, это выполнять измерения при малых (санитарных) дозах свободного хлора – 0,3-0,5мг/л.

Тестирование рН

Для измерения рН в бассейнах часто применяют таблетки Phenol Red. Фенольный красный (также известный как фенолсульфонфталеин или PSP) –это кислотно-основной индикатор, меняющий цвет при различных значениях pH раствора. В кислой среде Phenol Red приобретает жёлтый цвет, а в щелочной — пурпурный.

Хлор может привести к обесцвечиванию цвета индикатора. А ведь измеряя рН воды в бассейне, мы чаще всего и сталкиваемся с присутствием хлора. Для нейтрализации его действия в наборе с таблетками имеется тиосульфат натрия, который ингибирует окисляющий хлор. Вот почему важно проводить измерение (пункт 3 в [9]) при санитарном уровне свободного хлора 0,3-0,5мг/л, а не во время или сразу после шоковой обработки. Применение большого количества тиосульфата к большему количеству хлора для его нейтрализации приведёт к сдвигу рН за счет HCl, выделяющейся при реакции тиосульфата с хлорноватистой кислотой. Не стоит считать измерение рН, выполненное при высокой концентрации хлора, презентативным.

Влияние некоторых коагулянтов на рН и щелочность.

В ходе обработки воды в бассейне, например, коагулянтами Al₂(SO₄)₃ (сернокислым алюминием) иногда и иными минеральными коагулянтами, происходит снижение рН и как следствие снижение щелочности. Этот эффект является результатом гидролиза коагулянтов. На примере сульфатов:

Al₂(SO₄)₃ + 6 Н₂О = 2 Al (OН)₃↓ + 3 Н₂SO₄

Этот побочный продукт подталкивает карбонатную жесткость к переходу в состояние CaSO₄ – некарбонатной жесткости:

Сa (HCO₃)₂ + H₂SO₄ = CaSO₄↓ + 2H₂O + 2CO₂↑

Таким образом, коагуляция указанными коагулянтами снижает рН и щелочность и увеличивает жесткость.

Из сказанного выше следует, что при высокой кальциевой щелочности процедуру коагуляции применять следует крайне осторожно, поскольку насыщенность воды сульфатами значительно возрастет, что может привести к образованию и отложению СaSO₄. И это пример, когда при неумелом пользовании коагулянтом человек из принципа «чем больше, тем лучше» использует избыток коагулянта и вместо желаемого осаждения примесей в осадок, получает не оседающую и не захватываемую фильтром муть.

Если щелочность слишком низкая, коагулянт изменит рН, и мутность не будет удалена. Кроме этого, при общей щелочности ниже 30 мг/л коагулянты/флокулянты практически не работают, погрешность измерения рН приборами высока. Незначительные дозы рН-реагентов вызывают резкие перепады pH.

Как и чем можно регулировать эти показатели.

Вы уже поняли, что рН и щелочность, а оказывается и временная жесткость, находятся во взаимосвязи и изменение одного параметра тянет за собой изменения другого.

Для корректировки рН используют довольно узкий набор средств. Это рН-минус жидкий, который представляет собой серную или соляную кислоту. рН-минус порошок, это кислая соль серной кислоты [10]. Ее растворение в воде приводит к образованию не двух протонов, как у самой кислоты, а одного протона и одного атома натрия. Но она удобнее в обращении в быту, хотя приводит к увеличению TDS [11].  О постоянных попытках различных новаторов (история учит, что она ничему не учит, т.к. воинствующие новаторы ее не знают) применить другие кислоты, чаще всего те, что на слуху, типа лимонной, ортофосфорной, аскорбиновой, щавелевой, да просто всего, что является кислотами, а значит способно понизить рН, надо говорить отдельно. Критика этого направления, это отдельная большая тема.

Особняком стоит малораспространенный у нас метод снижения рН в воде бассейнов угольной кислотой, которую получают насыщением воды углекислым газом. Чаще всего его применяют в аквариумистике, дельфинариях. В США выпускаются установки и для частных бассейнов. Растворимость СО₂ в воде при равных условиях выше, чем у кислорода. Но кислорода в воздухе в 660 раз больше, чем углекислого газа. В обычных условиях вода находится в уже насыщенном газами воздуха состоянии. Поэтому, чтобы насытить воду углекислотой необходимо проводить распыление в воде (барботаж) именно углекислого газа, а не воздуха.

Для увеличения щелочности и рН в бассейновой практике самыми распространенными препаратами являются кальцинированная (Na₂CO₃) и пищевая (NaHCO₃) сода. Каустическая сода – NaOH (едкий натр, каустик, гидроксид натрия, едкая щелочь) для этих целей в бассейнах не применяется, хотя широко используется в промышленности. В [12] рекомендуют использовать 180г пищевой соды на 10м³ воды для поднятия щелочности на 10ppm. Учитывая, что это среднестатистическая величина (зависит от стартового рН и щелочности воды), рекомендуется осуществлять подъем щелочности в несколько этапов, контролируя тестером на сколько он изменился на каждом шаге.

Однако изменение рН раствора соды в воде не является линейным от концентрации соды [13] и это надо учитывать в расчетах. То есть растворение двух чайных ложек карбоната натрия в стакане воды приводит к изменению pH, которое не равно удвоенному значению увеличения рН от растворения одной ложки. Например,

• один грамм карбоната натрия, растворенного в воде и разведенного до 1,0 литра, даст раствор с pH 11,37.
• пять граммов карбоната натрия, растворенного в воде и разведенного до 1,0 литра, дадут раствор с рН 11,58.
• десять граммов карбоната натрия, растворенного в воде и разбавленного до 1,0 литра, дадут раствор с рН 11,70.

Любопытно, что если барботировать в воду воздух (аэрация), а не углекислый газ, то в ряде случаев возникает обратный эффект растворению СО₂ — увеличение рН, а не ожидаемое уменьшение, как от растворения углекислого газа. Многие пользователи бассейнов отмечают, что после интенсивного плескания в воде или работы аттракционов рН воды поднимается. В водоочистных процессах (в частности при обезжелезивании подземных вод) давно используется аэрация воды воздухом, как способ обогащения воды кислородом [14]. При этом отмечено, что барботаж воздуха сопровождается ростом рН воды. Казалось бы, растворение СО₂ из воздуха должно закислять воду, а мы наблюдаем рост рН. В чем же загадочность этого явления?

Растворенные в воде СО₂, СН₄, H₂S могут быть удалены аэрацией (продувка воздухом) или продувкой каким-либо газом, парциальное давление удаляемого газа в котором мало. Растворенный кислород удалить аэрацией нельзя, т.к. его парциальное давление в воздухе достаточно высоко [15].

В статье [14] на примере подземных вод Белоруссии и России показано, что аэрация приводит к росту рН и с длительностью аэрации рН стремится к более высоким значениям. Интересно, что после прекращения аэрации значение pH за последующие 75 минут изменилось незначительно. Результаты выполненной серии опытов свидетельствуют о том, что правильно организованные аэрационно-дегазационные процессы позволяют без применения специальных реагентов или фильтрующих загрузок значительно повысить pH.

Еще одним подтверждением вышесказанного можно считать результаты, опубликованные в [16]. В статье сообщают, что для целей хозяйственно-питьевого назначения избыточное содержание углекислоты удаляется преимущественно физическими методами: вода, содержащая углекислый газ, приводится в соприкосновение с воздухом (аэрирование), в котором парциальное давление удаляемого газа в сравнении с другими (азот, кислород) минимально. В воздухе даже % аргона выше, чем углекислого газа: 0,934% Ar и 0,0314% СО₂. К физическим методам дегазации относятся (обратим внимание на первые три пункта, как необходимые нам для бассейна.): 1) свободный излив; 2) разбрызгивание над водной поверхностью (без и с принудительной подачей воздуха) – брызгальные установки; 3) упрощенная аэрация. Далее перечислены другие приемы, не свойственные бассейновым технологиям. Показано, что эффективность излива из отверстий дает 33% снижения содержания СО₂ в воде, а барботаж воздуха в свободном объеме уже 60%. Применительно к бассейнам влияние аэрации на корректировку рН обсуждали в [17] и [18].

Коснусь подробнее вопроса влияния аэрации на рН воды в бассейне. Этот способ стал предметом частого обсуждения после выхода на Ютубе видеоролика Иштвана Кохана (Окно в водный мир, Украина) [19]. Без сомнения, распространение этой практики и на водоподготовку в бассейнах полезно. Однако в представленном Иштваном материале имеется ряд неточностей. Прежде всего не обозначены интервалы обсуждаемых параметров, а говорится просто «высокое или низкое» значение. И о какой щелочности идет речь надо догадываться. Представленные им 9 вариантов сочетания рН и щелочности в воде бассейнов умозрительны и не подтверждены экспериментально. И даже просто при логическом анализе существование некоторых из них в воде бассейнов ставится под сомнение. Например, Высокий рН/Низкая щелочность, Низкий рН/Высокая или Нормальная щелочность. Представить себе существование воды в бассейне с подобным соотношением рН и щелочности невозможно, так как если, например, вода с низким рН, то при этом щелочность высокой быть не может. Однако сама идея использования аэрации как способа безреагентного и дешёвого регулятора рН довольно привлекательна. Хотя не всегда удобна. Например, в варианте воды слабокислой (с низким рН 5-6,5) и низкой щелочностью либо может не хватить резерва щелочности для повышения рН аэрацией, либо процесс будет медленным. Скорее всего надо комбинировать химическую регулировку с аэрацией для достижения искомого результата.

Известно, что с ростом минерализации воды растворимость газов в ней уменьшается [20]. Следовательно, присутствие соли в воде бассейнов с дезинфекцией хлоргенераторами будет затруднять применение аэрации для поднятия рН, т.к. доля растворенного в такой воде углекислого газа меньше, чем в пресной воде. И кроме это происходит выделение некоторых газов (кислород, водород, хлор), что так же затруднит удаление СО₂ аэрацией.

Автор выражает благодарность Васильеву В.Н. за конструктивное обсуждение материала, высказанные замечания и рекомендации на стадии подготовки статьи к печати.

Литература

[1] Почвоведение: Учебник для вузов. — Москва: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2004. 496 с... Растворимость газов в воде.

[2] Экологическое состояние гидросферы. Мешалкин А.В., 2015г Углекислотное равновесие.

[3] Характеристики жесткости воды и методы ее устранения: Методические указания для самостоятельной работы студентов всех специальностей / Иван. гос. архит. -строит. ун-т.; Сост.: Г. Л. Кокурина, М. Д. Чекунова. – Иваново, 2010. – 32 с.

[4] ГОСТ 31957—2012 ВОДА. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов.

[5] Международный стандарт SO 9963-1:1994. Water quality— Determination of alkalinity— Part 1: Determination of total and composite alkalinity (Качество воды. Определение щелочности. Часть 1. Определение общей и составной щелочности).

[6] Практикум по химии воды. Часть 1. Учебно-методическое пособие по химии воды для студентов. Составители: Гандурина Л.В. Квитка Л.А. МГУП. -М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2012- 79 с.

[7] Международный стандарт ISO 9963-2:1994 Water quality — Determination of alkalinity — Part 2: Determination of carbonate alkalinity (Качество воды. Определение щелочности. Часть 2. Определение карбонатной щелочности).

[8] Что такое жесткость и щелочность воды? Каковы отношения между ними?

[9] Эконикс Эксперт. Инструкция по выполнению измерений щёлочности (свободной, общей) и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов в воде.

[10] Чем выгоднее пользоваться твердым или жидким рН-минусом?

[11] О чем говорит такой показатель, как TDS.

[12] Как повысить уровень рН в бассейне.

[13] Растворение оксалата кальция.

[14] Влияние аэрационно-дегазационных процессов на свойства подземных вод и технологии их биологического обезжелезивания и деманганации. Седлухо Ю.П. 24 апреля 2018. Беларусь, 220013, г. Минск, пр-т Независимости, д. 65.

[15] Процессы растворения газов. Дегазация.

[16] Анализ методов снижения содержания углекислоты на станциях обезжелезивания. А.Г. Жулин, Л.В. Белова, О.В. Сидоренко Тюменский индустриальный университет.

[17] Как повысить уровень рН в бассейне.

[18] Повышение рН воды.

[19] 9 возможных комбинаций pH и щёлочности в бассейне при уходе за бассейном. Часть 2 Кохан Иштван.

[20] Определение технологических потерь попутного газа.

Если вам нужна профессиональная поддержка, то оптимально, это напишите мне по электронной почте (ссылка здесь Контакты) и закажите онлайн сопровождение запуска бассейна или выхода из проблемной ситуации. С помощью видео-чата мы совместно найдем решение и выработаем регламент ухода именно за вашим бассейном с учетом специфики вашей воды, с учетом возможностей установленного у вас оборудования и ваших предпочтений к химии.

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.