Свободная углекислота

Свободная углекислота в воде - это растворённый диоксид углерода $CO_2$, находящийся в состоянии подвижного равновесия с ионами угольной кислоты. Её присутствие определяет агрессивные свойства воды по отношению к бетону и металлам, а также напрямую влияет на водородный показатель (pH).

По нашему опыту, именно избыток свободной углекислоты часто становится скрытой причиной быстрого износа инженерных коммуникаций в частных домах Московской области и промышленных объектах, вызывая точечную язвенную коррозию труб.

Химическая природа, формы нахождения и влияние на оборудование

Углекислый газ присутствует в природных водах практически повсеместно. Он попадает туда в результате биохимического распада органических веществ, дыхания водных организмов, а также из атмосферы и при фильтрации через почвенные горизонты. Чтобы понять суть проблемы, важно различать формы углекислоты:

• Свободная - растворённый газ $CO_2$ и недиссоциированная кислота $H_2CO_3$.
• Связанная - находится в виде бикарбонатных $HCO_3^-$ и карбонатных $CO_3^$ ионов.
• Агрессивная - часть свободной углекислоты, необходимая для удержания кальция и магния в растворённом состоянии, но присутствующая в избытке сверх равновесной концентрации.

Именно агрессивная форма представляет наибольшую угрозу для инженерных систем. Эксперты отмечают, что вода с высокой концентрацией $CO_2$ (обычно при низком pH) способна растворять карбонат кальция, что приводит к разрушению бетонных конструкций (выщелачивание) и коррозии стали.

Определение свободной углекислоты: зачем это нужно

Главная цель анализа на $CO_2$ - оценка коррозионной активности среды. Если углекислота свободная в воде содержится в количестве, превышающем равновесное, она начинает активно вступать в реакцию с защитными пленками на поверхности металла или бетона.

Согласно статистике нашей лаборатории, в скважинах с глубиной более 30 - 40 метров (особенно в песчаных горизонтах Ленинградской и Московской областей) концентрация свободной углекислоты может достигать 30 - 100 мг/дм³, что требует обязательной коррекции перед подачей потребителю.

Методика выполнения измерений содержания свободной углекислоты

Точное определение свободной углекислоты возможно только в лабораторных условиях или непосредственно на месте отбора пробы, так как газ летуч и его концентрация меняется при контакте с воздухом.

Методика выполнения измерений содержания свободной углекислоты в пробах питьевых и природных вод регламентируется ГОСТ 4011-72 (и актуализированными методическими указаниями). Основной метод - титриметрический (алкалиметрический).

Процесс анализа (упрощенно для понимания):

1. В пробу воды добавляют индикатор фенолфталеин.
2. Проводят титрование раствором едкого натра $NaOH$ или карбоната натрия $Na_2CO_3$.
3. Реакция идёт до появления слабо-розовой окраски, что свидетельствует о нейтрализации всей свободной углекислоты.
4. Расчет ведется по формуле, учитывающей объем пробы и концентрацию реактива.

Важно: анализ должен проводиться максимально оперативно после отбора пробы, чтобы избежать дегазации.

Влияние на организм и органолептические свойства

Хотя углекислый газ сам по себе не является токсикантом класса опасности (как, например, ионы цинка или фенолы), его избыток меняет вкус воды, делая его «щиплющим» или кисловатым.

По данным медицинских исследований, свободная углекислота в воде - это фактор, косвенно влияющий на здоровье через изменение минерального состава. Вода, насыщенная $CO_2$, способна вымывать полезные минералы из организма или, наоборот, растворять тяжелые металлы из трубопроводов, доставляя их в кран потребителя.

ПДК свободной углекислоты в воде и нормирование

В действующих нормативах СанПиН 1.2.3685-21 строгого численного значения ПДК свободной углекислоты в воде для питьевых нужд централизованного водоснабжения не установлено, так как этот показатель является технологическим. Однако существуют строгие требования к стабильности воды и водородному показателю (pH).

Ниже приведена таблица с рекомендуемыми параметрами для предотвращения коррозии и обеспечения качества:

Анализ показал, что для котельного оборудования требования жестче: содержание агрессивной углекислоты не допускается вовсе, так как при нагревании процессы коррозии ускоряются в геометрической прогрессии. Углекислота - главный драйвер коррозии в системах водоснабжения. Нормирование ведется косвенно через pH и индексы стабильности (Ланжелье, Ризнера).

Способы удаления и коррекции состава воды

Исходя из нашей практики в компании Экодар, выбор метода удаления (декарбонизации) зависит от исходной концентрации газа, производительности системы и финансовых возможностей. Существует два основных пути: физический и химический.

1. Аэрация (физический метод). Наиболее распространенный и экологичный способ. Вода насыщается кислородом воздуха в аэрационных колоннах (например, компрессорного типа), что приводит к вытеснению (отдувке) растворенных газов, включая $CO_2$, сероводород и метан.

• Преимущества: отсутствие реагентов, попутное окисление железа.
• Применение: эффективно при высоких концентрациях $CO_2$.

2. Фильтрование через активные загрузки (химический метод). Воду пропускают через фильтры-корректоры pH, загруженные мелом, мраморной крошкой или полуобожженным доломитом (например, материалы на основе $CaCO_3$ или $MgO$).

Химическая реакция процесса: $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

Свободная углекислота расходуется на растворение карбоната кальция, превращаясь в гидрокарбонаты, что повышает щелочность и pH воды, делая её стабильной и неагрессивной.

3. Дозирование реагентов. В промышленных масштабах применяют дозирование щелочных реагентов (гидроксида натрия $NaOH$ или кальцинированной соды $Na_2CO_3$). Это позволяет точно связать углекислоту свободную в воде в безопасные соединения.

Для бытовых систем оптимальна аэрация или осадочные фильтры с кальцитом. Для промышленности - реагентная обработка.

Свободная углекислота - это скрытый враг трубопроводов и сантехники. Её наличие нельзя игнорировать даже при прозрачности и отсутствии запаха у воды. Если вы заметили зеленые подтеки на кранах (признак коррозии меди) или рыжую воду, первое действие - развернутый химический анализ.

Инженеры Экодар рекомендуют проектировать систему водоподготовки только на основании свежих лабораторных данных. Мы подбираем оборудование (от аэрационных колонн до промышленных систем), которое не только удалит избыток $CO_2$, но и сбалансирует солевой состав, продлевая жизнь вашей технике на долгие годы.