Что сделать чтобы рН в бассейне не менялся

11.09.2024 Игорь Носырев Оставить комментарий

Введение

Защитить воду бассейна от колебаний рН и удерживать его на оптимальном уровне задача сложная, но выполнимая. Решается она с помощью химической буферной системы в воде, а конкретнее карбонатного буфера. Иногда к ней подключают другие буферные системы (БС) – боратную и циануратную. Участием буферных систем пронизана вся жизнедеятельность живых организмов и природных процессов. Но не все БС могут быть привлечены в сферу бассейнов. И причина не в их эффективности, а в совместимости со всем комплексом обработок, применяемых в водоподготовке бассейнов. Например, фосфатный буфер – один из регуляторов процессов в крови человека. Но фосфаты прекрасное подспорье для размножения водорослей. Кроме этого, часто вода в бассейнах содержит ионы кальция, которые с фосфатами образуют нерастворимые соли. Это одна из причин почему для регулировки рН не используют фосфорные кислоты. По этой же причине не получается применять в бассейнах соблазнительную лимонную кислоту. Еще одна проблема с лимонной кислотой возникает на стадии окислительной дезинфекции – она разрушается окислителями.

На форумах можно встретить владельцев бассейнов, страдающих от постоянно растущего рН, у других нет подобных проблем. У третьей категории этих проблем не было, но вдруг появились и т.п. Откуда же такое многообразие? Причина вся в составе используемой воды. У кого-то она из крана, у кого-то из колодца или артезианской скважены, а некоторые берут воду из реки или озера. И именно последние становятся обладателями лучшего варианта воды при условии, что они не поленились и им удалось эту воду очистить. Однако огорчу возрадовавшихся, вода воде рознь в разных реках и озерах, т.к. породы с которыми она контактировала, везде разные. Тем не менее у большинства источников такой природной воды в составе насыщающих ее солей присутствуют карбонаты и бикарбонаты. Вот они-то и есть тот подарок природы, которым надо научиться пользоваться. А подарок этот создает в воде карбонатный буфер, который и сопротивляется колебаниям рН. Вот почему я сказал, что те, кто приручил речную воду к своему бассейну, в подарок получают карбонатную буферную систему и им не надо ее создавать руками. Меньше всего повезло обладателям воды из крана, там подобная система разрушена во время очистки.

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

Что такое буферные системы и как они работают.

Щелочность — это способность воды противостоять изменениям pH, которые могут сделать воду более кислой. Она также защищает ваше здоровье и трубопроводы, когда речь заходит о питьевой воде. Но как она это делает? Этим целям в воде служит буферная система или просто буфер.

Например, добавим раствор слабой кислоты в два флакона с водой — оба с рН 7, но один с нулевой щелочностью, а другой со щелочностью, например, 50 мг / л, то рН воды с нулевой щелочностью немедленно снизится, в то время как рН воды со щелочностью изменится очень незначительно или не изменится совсем. Теперь мы можем сказать, что щелочность обладает буферной способностью относительно изменения рН. Ранее [1] я уже приводил определение щелочности и мы понимаем, что это емкое понятие. Тогда уточним, что из компонентов щелочности обладает буферной способностью. Буфер - это раствор, в который можно добавлять кислоту (в определенных пределах) без существенного изменения концентрации доступных ионов H⁺ (без изменения pH). По существу, буфер поглощает избыток ионов H⁺ и защищает воду от колебаний pH. В большинстве природных водоемов буферная система карбонатно-бикарбонатная (H₂CO₃, HCO₃^— и CO₃^2- ) и как увидим далее в бассейнах именно она берет на себя основное бремя нагрузки.

Щелочность природной воды определяется почвой и скальными породами, через которые она проходит. Основными источниками естественной щелочности являются горные породы, содержащие карбонатные, бикарбонатные и гидроксидные соединения. Бораты, силикаты и фосфаты также могут вносить свой вклад в щелочность. Известняк богат карбонатами, поэтому воды, протекающие по известняковым участкам или скальным породам, содержащим карбонаты, как правило, имеют высокую щелочность, следовательно, хорошую буферную способность. И наоборот, участки, богатые гранитом или некоторыми конгломератами и песчаниками, могут иметь низкую щелочность и, следовательно, плохую буферную способность.

Присутствие карбоната кальция или других соединений, таких как карбонат магния, вносит карбонат-ионы в буферную систему. Т.е. щелочность часто связана с жесткостью, потому что основным источником щелочности обычно являются карбонатные породы (известняк), которые в основном содержат CaCO₃. Если CaCO₃ на самом деле составляет большую часть щелочности, жесткость в CaCO₃ равна щелочности. Поскольку жесткая вода содержит карбонаты металлов (в основном CaCO₃), она обладает высокой щелочностью. И наоборот, если карбонат связан с натрием или калием, которые не влияют на жесткость, то такая вода называется мягкой, и она обычно имеет низкую щелочность, а значит и небольшую буферную способность. Итак, как правило, мягкая вода гораздо более восприимчива к колебаниям pH в результате кислотных дождей или кислотного загрязнения.

Механизм действия бикарбонатного буфера

Буферные растворы (англ. buffer, от buff — смягчать удар) — растворы с определенной устойчивой концентрацией водородных ионов которые представляют собой смесь слабой кислоты и ее соли (напр., H₂CO₃ и NaHCO₃) или слабого основания н его соли (напр., NH₃ и NH₄ I) [2].

Бикарбонатная буферная система представляет баланс угольной кислоты (H₂CO₃), бикарбонат-иона (HCO₃^—) и углекислого газа (CO₂). Диоксид углерода (CO₂) вступает в реакцию с водой (H₂O) с образованием угольной кислоты (H₂CO₃), которая, в свою очередь, быстро диссоциирует с образованием бикарбонат-иона (HCO₃^—) и иона водорода (H⁺), как показано в следующей реакции:

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

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

Как и в любой буферной системе, рН уравновешивается присутствием как слабой кислоты (в нашем случае H₂CO₃), так и ее сопряженным основанием (в нашем случае HCO₃^—) таким образом, что любой избыток кислоты или основания, введенный в систему, нейтрализуется.

Тут придется упомянуть пугавший многих в школе своей загадочностью принцип Ле Шателье потому что. он помогает понять, что происходит в буферном растворе. Если реакция находится в динамическом равновесии, то положение равновесия смещается, противодействуя изменению. Т.е. вы произвели какие-то изменения, например, в правой части уравнения, как сразу в левой части возникают изменения, возвращающие равновесие обратно.

Теперь следим за руками, как говорят фокусники. Добавляем в бассейн не всеми любимый рН-минус, а это кислота, которая добавляет в воду H⁺. Т.е. мы надавили на правую часть уравнения и тут этот самый Ле Шателье начинает упираться предпринятому воздействию и сдвигает равновесие влево в сторону образования угольной кислоты, а она далее превращается снова в СО₂ просто растворенный в воде, но не прореагировавший с ней. В результате чего из раствора выделяется больше диоксида углерода.

Теперь добавим основание, т.е. введем в воду ОН^—. Добавление основания, начнет связывать протоны Н⁺, а тот же самый Ле Шателье начнет препятствовать нашим усилиям и заставит угольную кислоту образовывать дополнительное количество бикарбоната и карбоната. Таким образом, любое давление на эту систему вызывает компенсирующий сдвиг в направлении, восстанавливающем равновесие. Система буферизации продолжает работать до тех пор, пока ее концентрация велика по сравнению с количеством кислоты или основания, добавленного в раствор.

Теперь тоже самое, но более научным языком [3]. Защита от кислоты: при добавлении сильной кислоты (Н⁺) в работу вступает оснóвный (от слова основание) компонент буфера, связывая протоны водорода в слабую кислоту – компонент буфера. Поэтому рН среды практически не меняется. Защита от кислоты будет продолжаться до тех пор, пока в буфере есть оснóвный компонент. Другими словами, буфер обладает определенной емкостью по кислоте.

Кислота (например, рН-минус) ↔ анион + Н⁺

^↓

НСО₃^— +Н⁺ ↔ Н₂СО₃↔ СО₂ + Н₂О

Защита от щелочи: при добавлении щелочи (ОН⁻) в работу вступает кислотный компонент буфера, и, отдавая свои Н⁺ на ОН⁻, связывает их в воду, что не может повлиять на рН среды. В то же время кислотный компонент буфера превращается в сопряженное основание – компонент буфера. Поэтому рН среды практически не меняется. Защита от щелочи будет продолжаться до тех пор, пока в буфере есть кислотный компонент. Другими словами, буфер обладает определенной емкостью по основанию.

Основание (например, амины) ↔ катион^— + ОН^—

^↓

Н₂СО₃ +ОН^— ↔ НСО₃^— + Н₂О

Диапазон pH 7—9, это традиционный интервал рН в воде бассейнов. Имеется много слабых кислот, константа диссоциации которых лежит в интервале 10^-з-10^-6, поэтому буферных растворов для контроля pH в кислых средах весьма много. Однако они не подходят для того диапазона, который важен в бассейновой водоподготовке, а именно pH 7—9. Фосфатные и боратные буферные смеси (как, впрочем, и карбонатные в отдельных случаях), которые могут подойти к этому диапазону, увы, осаждают кальций или вступают в другие побочные реакции со многими средствами, используемыми в ходе водоподготовки. Поэтому приходится выбирать «из множества зол, лучшее».

А казалось бы чего проще – бери любой буфер и применяй в бассейне. Но существенную роль в выборе буфера должны играть влияние ионной силы на скорость реакции между ионами (солевой эффект) и возможность температурных изменений. Нужно иметь в виду и химическую природу компонентов буферного раствора поскольку добавляемые вещества могут образовывать нерастворимые соединения и комплексы или давать другие нежелательные и даже вредные реакции со средой в том числе с учетом влияния последующих обработок.

Методика буферизации воды бассейнов другими кроме гидрокарбонатного буферами практически не разработана. Аппликация составов любого понравившегося буфера на воду бассейна не может дать те же значения буфера, что и взятая за основу БС, т.к. в бассейне не будет учтена ионная сила раствора и еще ряд условий, существующих в пузырьке с приготовленным раствором, но отсутствующие уже в воде бассейна.

Для тех, кто хочет знать больше.

Классификация кислотно-основных буферных систем:

Буферные системы могут быть четырех типов:

1. Слабая кислота и ее анион А^— /НА:

ацетатная буферная система СН₃СОО^—/СН₃СООН в растворе СН₃СООNa и СН₃СООН, область действия рН = 3,8-5,8.

Водород-карбонатная система НСО₃^—/Н₂СО₃ в растворе NaНСО₃ и Н₂СО₃, область её действия – рН = 5,4-7,4.

2. Слабое основание и его катион В/ВН⁺:

аммиачная буферная система NH₃/NH₄⁺ в растворе NH₃ и NH₄Cl,

область ее действия – рН = 8,2-10, 2.

3. Анионы кислой и средней соли или двух кислых солей:

карбонатная буферная система СО₃^2-/НСО₃^— в растворе Na₂CO₃ и NaHCO₃, область ее действия рН = 9,3-11,3.

фосфатная буферная система НРО₄^2-/Н₂РО₄^— в растворе Nа₂НРО₄ и NаН₂РО₄, область ее действия рН = 6,2-8,2.

Эти солевые буферные системы можно отнести к 1-му типу, т.к. одна из солей этих буферных систем выполняет функцию слабой кислоты. Так, в фосфатной буферной системе анион Н₂РО₄^— является слабой кислотой.

4. Ионы и молекулы амфолитов. К ним относят аминокислотные и белковые буферные системы. Если аминокислоты или белки находятся в изоэлектрическом состоянии (суммарный заряд молекулы равен нулю), то растворы этих соединений не являются буферными. Они начинают проявлять буферное действие, когда к ним добавляют некоторое количество кислоты или щелочи. Тогда часть белка (аминокислоты) переходит из ИЭС в форму «белок-кислота» или соответственно в форму «белок-основание».

Буферная емкость зависит от ряда факторов:

1. Чем выше концентрации компонентов буферного раствора, тем больше его буферная емкость. 2. Буферная емкость зависит от отношения концентраций компонентов, а, следовательно, и от рН буфера. При рН=рКа буферная емкость максимальна.

3. Установлено, что достаточное буферное действие наблюдается, если концентрация одного из компонентов превышает концентрацию другого не более, чем в 10 раз. Интервал рН=рКа±1 называется зоной буферного действия.

4. При разбавлении буферного раствора величина буферной емкости уменьшается вследствие снижения концентрации компонентов раствора.

Применительно к бассейнам мы имеем дело практически всегда с гидрокарбонатной буферной системой. Иногда ее называют карбонатной, что менее точно. Так уж сложилось в природе что гидрокарбонатный буфер играет основополагающую роль в жизнедеятельности теплокровных организмов, в круговороте воды в природе и заодно в водоподготовке бассейнов.

Бикарбонатная (гидрокарбонатная) БС (Н₂СО₃/НСО₃^-) – мощная система плазмы крови, составляющая примерно 10% от её общей буферной ёмкости. В норме соотношение компонентов (гидрокарбонат-анион / угольная кислота) равно 20. Механизм действия бикарбонатной БС в организме таков, что при гипервентиляции легких увеличивается концентрации угольной кислоты, которая разлагается под действием фермента карбоангидразы: НСО₃^— + Н⁺↔ Н₂О + СО₂↑. Образующийся при этом углекислый газ удаляется с выдыхаемым воздухом. А при гиповентиляции легких происходит удерживание углекислого газа: СО₂ + NаОН ↔ NаНСО₃

Как и другие жидкости организма, слезная жидкость поддерживается в ограниченном диапазоне рН с помощью бикарбонатной буферной системы. У большинства здоровых людей рН слез находится в диапазоне от 7,0 до 7,7. Реакция глаз и слизистых человека на воду в бассейне в том числе обуславливает рекомендацию придерживаться диапазона рН 7,2-7,6 в воде [4].

Заключение

Не любая буферная система может быть использована в бассейнех. Нужно иметь в виду химическую природу компонентов буферного раствора поскольку добавляемые вещества могут образовывать нерастворимые соединения и комплексы или давать другие нежелательные и даже вредные реакции со средой в том числе с учетом влияния последующих обработок.

Не рН определяет щелочность, а наоборот, щелочность определяет рН. Поэтому если вы используете рН-минус или плюс для изменения рН без учета щелочности в воде, то вы доказываете, что ваш разум (задумка) победит науку. Рекомендую проявлять инициативу и применять стратегию сдерживания уровня pH, а не гнаться за ним и пытаться контролировать его.

Если в воде бассейна главную роль в регулировке рН играет карбонатный буфер, то благодаря карбонатной и бикарбонатной щелочности количество растворенного в воде диоксида углерода определяет pH воды. Чем больше растворено CO₂, тем ниже pH, и наоборот. pH бассейна со временем естественным образом повышается благодаря выделению CO₂ из воды. Это естественно.

CO₂ выходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие с его содержанием и давлением в атмосфере (порциальным давлением). Т.е., рост рН в воде обусловленный потерей СО₂ заканчивается при достижении равновесия. Назовём этот момент равновесия потолком pH.

Литература

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

[2] Справочник химика 21. Боратные буферные растворы.

[3] Что происходит, когда основание добавляется в буферный раствор?

[4] Бикарбонатная буферная система.

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.