Биосенсор-Аква-рН

Значение рН раствора представляет собой обратный десятичный логарифм активности водородных ионов, а_н+:

рН = - log (а_н+)

В разведенном растворе активность водородных ионов приблизительно равна их концентрации.

В пробах воды значение рН обычно измеряется электрометрически со стеклянным электродом. На измерение значения рН большое влияние оказывает температура.

Факторы, влияющие на диапазон значений рН

Значение рН водной системы является мерой кислотно-щелочного равновесия, достигаемого различными растворенными соединениями. И в большинстве природных вод регулируется равновесной системой двуокись углерода – бикарбонаты – карбонаты. В эту систему входят в качестве ее компонентов различные равновесные подсистемы, и все они подвержены влиянию температуры. В чистой воде при повышении температуры на 25 °С наблюдается снижение значения рН примерно на 0,45. В воде, буферность которой обусловлена бикарбонатными, карбонатными и гидроксильными ионами, это влияние температуры изменяется.

В большинстве источников неочищенной воды значение рН лежит в пределах 6,5-8,5.

Концентрация водородных ионов может значительно изменяться при очистке воды. При хлорировании наблюдается тенденция к снижению значения рН, тогда как умягчение воды с применением избытка извести и кальцинированной соды превышает значение рН.

Связь с коррозией, инкрустацией и другими показателями качества воды

Коррозия в магистральных трубопроводах и на водоочистных сооружениях может вызывать большие экономические затраты. Кроме проблемы коррозии это связано со снижением емкости распределительной системы и сопутствующим увеличением стоимостных затрат на перекачку воды, что происходит в случае отложения карбоната кальция.

Металлы, используемые в распределительных системах, такие как чугун, сталь и медь, вследствие их термодинамической неустойчивости склонны к коррозии при контакте с водой. Может наблюдаться также разрушение бетонных, асбестоцементных и покрытых цементом чугунных труб, которые широко применяются в распределительных системах.

Природные воды содержат газы, коллоидные вещества и различные электролиты и неэлектролиты; эти вещества наряду со значением рН определяют масштабы коррозии системы и "агрессивность" воды. Присутствие анионов, которые образуют с металлами растворимые соединения, увеличивают коррозионность воды относительно металлов, тогда как анионы, образующие нерастворимые соединения, могут увеличивать пассивность металлов.

Данные о роли значения рН в коррозии металлов, используемых в системах распределения воды, обобщены Drane.

Отложение карбоната кальция может препятствовать коррозии. На этот процесс влияют температура, значение рН, общее содержание растворимых веществ, жесткость, двуокись углерода и щелочность. В практических условиях крайне трудно и подчас невозможно регулировать равновесие между карбонатом и бикарбонатом кальция. В связи с этим разработан ряд полуэмпирических и эмпирических зависимостей с использованием легко определяемых параметров. Наиболее широко применяется зависимость, разработанная Langelier.

Эффективность защиты от коррозии путем изменения значения рН и щелочности зависит от разумного баланса равновесной системы карбонаты/бикарбонаты. Равновесная вода, т.е. стабилизированная в отношении карбоната кальция, обычно будет коррозирующей как для железа, так и для стали в случае невозможности отложения карбоната кальция. С другой стороны, пересыщенная вода в отсутствии соответствующей обработки, может образовывать значительную накипь. Эта накипь, в зависимости от ее пористости и силы сцепления с металлом может угнетать коррозию или не оказывать этого действия.

Воды с избыточной жесткостью обычно не создают тяжелых проблем коррозии, однако они склонны к избыточному образованию накипи. Жесткая воды, умягченная обработкой известью и кальцинированной содой, будет иметь значение рН порядка 10,9 и склонность к образованию накипи. Стабилизация может быть достигнута путем рекарбонизации – добавления двуокиси углерода до значения рН 9,7-10 или путем добавления 0,25-0,5 мг/л полифосфата натрия. С целью стабилизации воды против последующего избыточного отложения карбоната кальция в распределительной системе рекомендуется рекарбонизация до значения 8,6.

Биологическая пленка на поверхностях распределительных труб может препятствовать удалению продуктов окисления со стенок труб и проникновению к ним кислорода, тем самым угнетая коррозию. С другой стороны, избыточный рост с выработкой углекислого газа мог создавать локальные участки с низким значением рН на поверхности труб. Это могло вести к локализованной коррозии, даже если основная масса воды могла обладать удовлетворительными показателями стабильности и агрессивности. Рост железобактерий в большой мере зависит от значения рН и наблюдается в диапазоне 5,5-8,2, с оптимумом значения рН приблизительно 6,5. Жалобы на красный цвет воды часто являются результатом внезапного роста железобактерий, образующих в качестве конечного продукта метаболизма гидрат окиси железа. При благоприятных условиях железобактерии могут развиваться так быстро, что за несколько недель может произойти выраженная закупорка водопроводных труб.

Значение рН разным образом связано почти со всеми другими параметрами качествами воды. Поскольку равновесие содержащихся в воде веществ неизменно включает водородные (и гидроксильные) ионы.

В водах, склонных к загрязнению серой, образованию газообразного сероводорода, придающего воде запах "тухлых яиц", термодинамически способствуют значения рН ниже 7,0. В процессе хлорирования тенденция к возникновению ощутимого едкого запаха треххлористого азота при более высоких его концентрациях наблюдается при значениях рН менее 7,0. Утверждают, что при высоких значениях рН питьевая вода приобретает горький вкус.

Интенсивность окраски пробы возрастает с увеличением значения рН. Этот эффект, известный как "индикаторный эффект", привел к предположению, что все определения окраски при контроле качества воды должны проводиться при стандартном значении рН 8,3.

Эффективность процессов коагуляции и флоккуляции в значительной степени зависит от значения рН и в практике водоочистки обычным приемом является регулирование значения рН с тем, чтобы достигалось оптимальное образование хлопьев. Эффективность фильтрации в некоторых случаях также чувствительна к значению рН.

Большинство микроорганизмом обычно устойчиво к значению рН в диапазоне, обычно характерном для водоисточников. Сохранение микробиологического состава воды зависит от значения рН, которое влияет на эффективность обеззараживания хлором. Обеззараживающее действие хлора в воде ниже при высоких значениях рН, это связывается со снижением концентрации хлорноватистой кислоты при увеличении значения рН. При значениях рН в диапазоне, встречающемся в питьевой воде, эффективность озона и двуокиси хлора, как альтернативных дезинфектантов, не изменяется.

Коррозия в системе водоснабжения является основным источником загрязнения питьевой воды металлами. Двумя металлами, потенциально вызывающими наибольшую озабоченность, являются свинец и кадмий. При всех значениях рН выше 6 в чистой воде свинец устойчив к коррозии. В присутствии карбонатов и бикарбонатов свинец пассивен при значении рН в диапазоне порядка 4-12, но подвергается коррозии при значении рН выше 12. Подача питьевой воды с низкой щелочностью и достаточно низким значением рН в дома, оборудованные свинцовыми трубопроводами, ведет к высоким уровням содержания свинца в питьевой воде. В чистой воде кадмий, по-видимому, пассивен в диапазоне значения рН порядка 9-13,5, тогда как согласно экспериментальным данным, коррозия значительна только при величине рН ниже 6.

Влияние рН воды на здоровье

Установить зависимость между здоровьем человека и значением рН питьевой воды невозможно ввиду столь тесной связи с другими аспектами качества питьевой воды.

В эпидемиологическом исследовании, проведенном на системах питьевого водоснабжения, в которых значение рН было единственным рассматривавшимся показателем, Taylor и сотрудники не смогли установить какой-либо существенной корреляции между частотой вирусного гепатита А и значением рН очищенной воды; однако следует иметь в виду, что это исследование было первоначально направлено на изучение влияния значения рН на эффективность обеззараживания.

Поскольку значение рН влияет на различные процессы очистки воды, играющие роль в удалении вирусов, бактерий и других вредных организмов, можно считать, что оно оказывает косвенное влияние на здоровье.

Рекомендуемая величина рН составляет 6,5-8,5, несмотря на признание того, что некоторые проблемы в распределительной системе могут возникать при значениях рН ниже 7.