Beziehung zwischen der Gesamtalkalität, der Karbonathärte und dem pH-Wert

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Mit der ständigen Entwicklung der Wirtschaft und Gesellschaft wird Abwasser in großen Mengen ohne Aufbereitung ausgestoßen. Dadurch werden die Flussgewässer erheblich von menschlichen Aktivitäten beeinflusst, wodurch sich ihre ursprünglichen chemischen Eigenschaften ändern. Die Verschmutzung nimmt somit stetig zu. Diese veränderte Situation stellt neue Anforderungen an die Überwachung der Wasserqualität. Ziel der Wasserqualitätsüberwachung ist es, den Zustand der Wassergüte sowie deren Entwicklungsrichtungen rechtzeitig, genau und umfassend darzustellen. Dadurch werden wissenschaftliche Grundlagen für die Verwaltung, Planung und Bekämpfung von Umweltverschmutzungen bereitgestellt. Es handelt sich dabei um eine wichtige Grundvoraussetzung für eine vernünftige Nutzung und Erhaltung der Wasserressourcen. Zudem dient die Wasserqualitätsüberwachung dazu, Wasserverschmutzungen zu kontrollieren, die Wassergüte zu schützen und sie zu verbessern. Die Forschung im Bereich der Wasserökologie ist von großer Bedeutung für die Entwicklung der Volkswirtschaft sowie zum Schutz der Gesundheit der Bevölkerung. 1 Übersicht 1) Alkalität: Die Gesamtmenge an starken Alkalienstoffen im Wasser, die neutralisiert werden müssen, damit der pH-Wert des aufbereiteten Naturwassers auf den Wert eines reinen CO2-Wasserlösungs entspricht. 2) Vorübergehende Härte: Auch als Carbonathärte bezeichnet, bezieht sie sich auf den Gehalt an Carbonaten von Kalzium und Magnesium im Wasser. Da der Carbonatgehalt in natürlichem Wasser sehr gering ist, kommen Carbonate nur in basischem Wasser vor. Daher bezeichnet die vorläufige Härte im Allgemeinen den Gehalt an Bicarbonaten im Wasser. Beim Kochen zerfallen die Bicarbonate im Wasser zu Carbonat-Ablagerungen. 3) pH: Eine Zahl, die den Grad der Säure- oder Basenartigkeit einer Lösung angibt. Sie entspricht dem Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl der Wasserstoffionen und der Gesamtstoffmenge in der Lösung. 2 Messverfahren 2.1 Prinzip der Methode zur Bestimmung der Gesamtabsäuerung: Die Wasserprobe wird mit einer Standard-Säurelösung bis zu einem bestimmten pH-Wert titriert. Der Endpunkt wird anhand der Farbänderung des zugegebenen Säure-Base-Indikators bei diesem pH-Wert bestimmt. Wenn die Titrierung so weit fortgesetzt wird, bis der Phenolphthalein-Indikator von rot auf farblos wechselt, beträgt der pH-Wert der Lösung 8,3. Das zeigt, dass die Hydroxidionen im Wasser bereits neutralisiert wurden und alle Carbonate in Bicarbonate umgewandelt wurden ； Wenn die Titrierung so weit fortgesetzt wird, bis der Indikator Methylorange von einem blassen Orangegelb in ein orangerotes Farbton wechselt, beträgt der pH-Wert der Lösung 4,4–4,5. Das zeigt an, dass die Bicarbonate im Wasser neutralisiert wurden – sowohl diejenigen im Rohöl als auch diejenigen, die aus Carbonaten entstanden sind. Anhand der Menge an Standardlösung aus Salzsäure, die zum Erreichen der beiden oben genannten Endpunkte benötigt wurde, werden der Gehalt an Carbonaten und Bicarbonaten sowie die Gesamtabsäuerung im Wasser berechnet. Bei Verwendung von Phenolphthalein als Indikator beträgt die Menge an Standardlösung an Salzsäure, die zum Erreichen des Farbwechsels benötigt wird, P (ml). Bei Verwendung von Methylorange als Indikator beträgt diese Menge M (ml). 2.2 Prinzip der vorübergehenden Härtebestimmung
Die in Wasser enthaltenen Bicarbonate (sowie Carbonate) reagieren bei Verwendung von Methylorange als Indikator wie folgt:
Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2↑ + 2H2O
Falls auch Carbonate vorhanden sind, findet ebenfalls eine Reaktion statt:
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O
Wenn im Wasser organische Säuren, Bicarbonate oder Natriumcarbonat (oder Kaliumcarbonat) enthalten sind, werden diese Stoffe den Salzsäureverbrauch erhöhen. Deshalb muss vor der Bestimmung der Carbonathärte gegebenenfalls der Gehalt dieser Stoffe ermittelt und die Ergebnisse entsprechend korrigiert werden. Andernfalls liegt die berechnete Carbonathärte über dem tatsächlichen Wert. 2.3 Prinzip der Bestimmung des pH-Werts Der pH-Wert wird durch Messung der Elektromotorik einer Messzelle ermittelt. Diese Batterie besteht in der Regel aus einem gesättigten Kalomel-Elektroden als Referenzelektrode sowie einer Glaselektrode als Indikatorelektrode. Bei 25 °C ändert sich bei jeder Veränderung um eine pH-Einheit im Lösungsmittel die Potentialdifferenz um 59,16 mV, wodurch die Werte direkt auf dem Gerät in Form einer pH-Wertanzeige dargestellt werden. Temperaturunterschiede werden am Gerät durch Ausgleichsmechanismen kompensiert. 3 Chemikalien, die bei der Arbeit verwendet werden 3.1 Reagenzien für die Gesamtsäurezahl Phenolphthalein-Indikator: Man wiegt 0,5 g Phenolphthalein ab und löst es in 100 ml 95%-igem Ethanol auf. Anschließend wird mit einer 0,1 mol/L starken Natriumhydroxidlösung titriert, bis eine blassrote Farbe entsteht. Methylorange-Indikator: 0,1 g Methylorange werden in 100 ml destilliertem Wasser aufgelöst. Standard-Titriersolution aus Salzsäure: C(HCl) = 0,025 mol/L. 3.2 Reagenz für die Bestimmung der Karbonathärte: Salzsäure: 0,1 mol/L. Natriumhydroxid: 0,1 mol/L. Methylenorangellösung: 0,05 %. 4 Untersuchungen in der Praxis 4.1 Wenn der pH-Wert unter 4,4–4,5 liegt: Proben, die am 1. November 2011 vom Forschungszentrum für Wasserqualitätsüberwachung in Benxi von einem großen Unternehmen in der Stadt Benxi entnommen wurden. Dieser Wassermuster wurde mit einem pH-Messer untersucht; der pH-Wert beträgt 2,2. Bestimmung der Gesamtabsäuerung: 100 ml Wasserproben werden in einen 250-ml-Konusflaschen als Probe entnommen. Anschließend werden 4 Tropfen Phenolphthalein hinzugefügt und gut umgerührt. Die Wasserprobe ist farblos ； Fügen Sie weiterhin 3 Tropfen Methylorange hinzu und schütteln Sie gut um. Die Wasserprobe wird dabei sofort orange-rot. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Verbrauch an Salzsäure M+P=0, wodurch die Gesamtalkalität der Wasserprobe 0 ist. Bestimmung der Karbonathärte: Man nimmt 100 ml Wasserproben und gibt sie in einen 250-ml-Trichterflaschen. Anschließend werden 3 Tropfen von Methylorange-Lösung hinzugefügt. Die Farbe dieses Wassermusters wechselt zu orangenrot, die Karbonathärte dieses Wassermusters beträgt 0. 4.2 Wenn 4,4–4,5 < pH < 8,3 gilt: 4.2.1 In den Wasserproben ist weder Natriumbicarbonat (und Kalium) noch Natriumcarbonat (und Kalium) enthalten. Es handelt sich um Wasserproben, die am 1. November 2011 vom Monitoring-Zentrum für das Wasserumfeld in Benxi von einem großen Unternehmen in der Stadt Benxi entnommen wurden. Dieser Wassermuster wurde mit einem pH-Meter untersucht; der pH-Wert beträgt 6,3. Bestimmung der Gesamtabsäuerung: Die Vorgehensweise entspricht der in 4.1 beschriebenen Methode zur Bestimmung der Gesamtabsäuerung. Wenn das Titrieren so weit fortgesetzt wird, bis der Indikator Methylorange von einem blassen Oranžengelb in ein orangerotes Farbton wechselt, dann beträgt die Menge an Salzsäure, die verbraucht wurde, 4,2 ml. Die Gesamtabsäuerung des Wasserproben kann durch Berechnung ermittelt werden; dabei ergibt sich eine Gesamtabsäuerung von 52,6 mg/L. Bestimmung der Karbonathärte: Die Schritte entsprechen denen bei der Bestimmung der Karbonathärte in 4.1. Der für dieses Wasserproben benötigte HCl-Volumen beträgt 1,00 ml. Die Karbonathärte dieser Wasserprobe liegt laut Berechnungen bei 50,0 mg/L. 4.2.2 Beispiele für Fälle, in denen Wasserproben Natriumbicarbonat (und Kalium) oder Natriumcarbonat (und Kalium) enthielten: Proben, die am 11. November 2011 vom Monitoring-Zentrum für das Wasserumfeld in Benxi von einem großen Unternehmen in der Stadt Benxi entnommen wurden. Dieser Wasserproben wurde mit einem pH-Messer untersucht; der pH-Wert beträgt 6,2. Bestimmung der Gesamtabsäuerung: Die Vorgehensweise entspricht der in 4.1 beschriebenen Methode zur Bestimmung der Gesamtabsäuerung. Wenn das Titrieren so weit fortgesetzt wird, bis der Indikator Methylorange von einem blassen Oranžengelb in ein orangerotes Farbton wechselt, dann beträgt die Menge an Salzsäure, die verbraucht wurde, 3,70 ml. Die Gesamtabsäuerung des Wassermusters kann durch Berechnung ermittelt werden; dabei ergibt sich eine Gesamtabsäuerung von 46,3 mg/L. Bestimmung der Karbonathärte: Man nimmt 100 ml Wasserproben und gibt sie in einen 250-ml-Trichterflaschen. Anschließend werden 4 Tropfen Phenolphthalein-Lösung hinzugefügt. Wenn keine Rötung auftritt, wird die Mischung 5–7 Minuten lang gekocht. Wenn eine Rötung auftritt, deutet das darauf hin, dass Carbonate vorhanden sind – also NaHCO3 oder KHCO3. In diesem Fall wird wie folgt weiter vorgegangen: 1) Man nimmt 100 ml der Wasserprobe, fügt 3 Tropfen Methylorange als Indikator hinzu und titriert mit 0,1 mol/L Salzsäure, bis eine hellorangefarbene Färbung entsteht. Dabei wird die verbrauchte Menge (V1) aufgezeichnet – in diesem Fall 0,80 ml. 2) Man entnimmt 100 ml Wasserprobe und fügt 0,80 mL einer 0,1 mol/L-Lösung von Natriumhydroxid hinzu – eine Menge, die der Menge an Salzsäure mit einer Konzentration von 0,1 mol/L entspricht (V1). Anschließend wird die Mischung erhitzt, bis sie zu kochen beginnt. Danach wird sie schnell in einem Kühlbecken abgekühlt. Die entstandenen Ausfälle wie CaCO3 werden gefiltert. Das Filterpapier wird anschließend mit etwas destilliertem Wasser gespült. Danach werden 3 Tropfen Methylorange zur Lösung hinzugefügt. Die Lösung wird anschließend mit Salzsäure mit einer Konzentration von 0,1 mol/L titriert, bis eine hellorangefarbene Farbe erreicht ist. Die verbrauchte Menge an Salzsäure wird aufgezeichnet – es handelt sich dabei um 1,10 ml. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Kohlenatgehalt im Wasserproben mithilfe von Berechnungen ermittelt; dabei ergab sich eine Kohlenathärte von 25,0 mg/L für diese Wasserprobe. 4.3 Im Fall, in dem der pH-Wert größer als 8,3 ist: Es handelt sich um Wasserproben, die am 4. November 2011 vom Monitoring-Zentrum für das Wasserumfeld in Benxi von einem großen Unternehmen in der Stadt Benxi entnommen wurden. Dieser Wasserproben wurde mit einem pH-Messer untersucht; der pH-Wert beträgt 8,7. Bestimmung der Gesamtabsäuerung: Es werden 100 ml Wasserproben in einen 250-ml-Konusflaschen entnommen, um sie als Probe zu verwenden. Anschließend werden 4 Tropfen Phenolphthalein hinzugefügt und gut vermischt. Danach wird die Probe mit einer Standardlösung aus Salzsäure titriert, bis sie gerade farblos wird. Die Menge an Standardlösung aus Salzsäure, die dafür benötigt wird, beträgt P = 6,3 ml ； Fügen Sie weiterhin 3 Tropfen Methylorange hinzu und schütteln Sie gut um. Wenn der Indikator Methylorange von einem blassen Oranžengelb in ein orangerotes Farbton wechselt, dann entspricht die Menge an Salzsäure, die verbraucht wurde, einem Wert von 3,8 ml. Die Gesamtabscheidungskapazität des Wassermusters lässt sich durch Berechnung ermitteln – sie beträgt 126 mg/L. Bestimmung der Karbonathärte: Man nimmt 100 ml Wasserproben und füllt sie in einen 250-ml-Trichterflaschen. Anschließend werden 4 Tropfen Phenolphthaleinsaft hinzugefügt – es entsteht eine rote Farbe, was darauf hindeutet, dass Carbonate wie Na2CO3 oder K2CO3 vorhanden sind. Danach wird Salzsäure hinzugefügt, bis die Lösung farblos ist. Dabei wird die Menge der verwendeten Salzsäure als P mit 0,9 ml записiert. Anschließend werden weitere 3 Tropfen Methylorange hinzugefügt; die Titration wird fortgesetzt, bis eine hellorangefarbene Farbe entsteht. Die dabei verwendete Menge wird als M mit 1,5 ml записiert. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Carbonatgehalt im Wasserproben mithilfe von Berechnungen ermittelt; dabei ergab sich eine Carbonathärte von 30,0 mg/L für diese Wasserprobe. 5 Schlussfolgerungen 1) Bei pH und Karbonathärte ； 3) Gesamthärte > Gesamtlaugegehalt > Karbonathärte ； Wenn der pH-Wert > 8,3 ist, dann ist die Gesamtbasenzahl größer als die Karbonathärte. 6 Fazit Derzeit stehen wir vor der Herausforderung, uns von der ingenieurtechnischen Wasserwirtschaft zur Ressourcenwasserwirtschaft zu entwickeln und von der traditionellen zur modernen Wasserwirtschaft überzugehen. Dabei müssen wir mit Problemen wie Wasserknappheit, schwerer Wasserverschmutzung sowie einer Verschlechterung der Wasserökosysteme umgehen. Die wirtschaftliche und soziale Entwicklung in der neuen Ära stellt höhere Anforderungen an die Überwachung der Wasserqualität. Das Verständnis der Beziehung zwischen der Gesamtalkalität, der Karbonathärte und dem pH-Wert ermöglicht es, die allgemeine Tendenz sowie die Genauigkeit der Messergebnisse einzuschätzen. Dadurch können zuverlässige und genaue Messdaten rechtzeitig an die zuständigen Stellen bereitgestellt werden. Dies wiederum liefert eine wissenschaftliche Grundlage für die Prävention und Bekämpfung von Umweltverschmutzung. Inhalt: Beziehung zwischen der Gesamtlaugezahl, der Karbonathärte und dem pH-Wert auf der Website Rotor Douding (Autoren: Sun Jianjun, Mao Yufeng). Geräte zur Online-Überwachung von Härte, Laugezahl und pH-Wert: Härte: PACON 5000; Laugezahl: PACON 5500; pH-Wert: innoCon 6800P