закачиваемых в глубокие водоносные горизонты

Попутные и другие виды сточных вод перед их утилизацией в глубокие водоносные горизонты должны отвечать определённым, весьма жёстким требованиям. Это касается и величины их рН. В зависимости от конкретных геологических условий щелочные сбросовые воды могут изменить фильтрационные свойства водопоглощающего пласта вплоть до его полной кольматации.

В связи с этим, перед закачкой необходимо определить величину рН сбросовой воды и по мере надобности, в той или иной мере повысить их кислотность, т.е. уменьшить величину рН. Это осуществляется, как правило, при помощи раствора соляной кислоты.

На месторождение кислота доставляется в виде достаточно концентрированного раствора. Непосредственно измерить рН данного раствора невозможно (Понятие рН применимо только для разбавленных растворов). Предварительно его необходимо разбавить в несколько раз пресной водой и уже после этого смешивать, таким способом подготовленный раствор, со сточными водами с известной величиной рН.

Существуют справочные таблицы, связывающие молярную, процентную, массовую концентрации раствора НСl, его плотность друг с другом. Также существуют подобные таблицы для разных температур.

 

Задача 628

Величина рН сбросовой воды 8, 52. Её объём, предназначенный для утилизации, 150 м³. Какой объём 20% соляной кислоты при 15⁰С необходимо добавить к этому объёму сбросовой воды, чтобы снизить её величину рН до 5, 50? Пусть после разбавления рН раствора кислоты составила 1, 16. Задача не имеет строгого решения.

Решение.

Плотность 20% раствора HCl равна 1, 0997 г/см³, а концентрация чуть менее 6, 037 моль/л. (см. соответствующие таблицы). Имеем ввиду, что величиной рН = 1 обладает раствор кислоты с концентрацией 0, 1 моль/л, величиной рН = 2 – с 0, 01 моль/л и т.д.

Следовательно, чтобы из 6, 037 молярного раствора приготовить 0, 1 М раствор, его следует разбавить примерно в 60 раз. Поскольку вода, используемая для разбавления, в большинстве случаев, не является по величине рН нейтральной (рН ≠ 7), при помощи рН-метра необходимо уточнить величину рН получившегося раствора кислоты. Пусть рН этого раствора составляет 1, 16, как сказано в условии задачи.

После этих предварительных расчётов, решение данной задачи, по существу, сводится к решению задач, рассмотренных выше в разделе «Кислотно-основные свойства среды. Понятие величины рН …».

1). Сколько молей ионов Н⁺ содержалось в 150 м³ воды, подлежащей захоронению?

Поскольку рН = 8, 52, [Н⁺] = 10^{-8, 52} моль/л. Всего в 150 м³ воды Н⁺ содержалось

10^{-8, 52} моль/л ∙ 1, 5 ∙ 10⁵ л = 4, 53 ∙ 10^-4 моль.

2). Сколько молей ионов Н⁺ должно содержаться в 150 м³ воды при величине рН 5, 50?

10^{-5, 50} ∙ 1, 5 ∙ 10⁵ = 4, 74 ∙ 10^-1 моль.

3). Таким образом, с раствором кислоты должно быть привнесено:

4, 74 ∙ 10^-1 – 4, 53 ∙ 10^-4 ≈ 4, 74 ∙ 10^-1 моль

4). Величина рН приготовленного предварительно раствора кислоты равна 1, т.е. [Н⁺] = 0, 1 моль/л. Следовательно, 4, 74 ∙ 10^-1 моль ионов Н⁺ содержатся в:

4, 74 ∙ 10^-1 моль: 0, 1 моль/л = 4, 74 л.

Выводы и практические рекомендации.

К 150 м³ сбросовой воды нужно добавить всего около 5 л разбавленной в 60 раз 20% соляной кислоты, чтобы снизить величину рН сбросовой воды с 8, 52 до 5, 50.

На практике кислоту необходимо предварительно разбавить до рН более 1.

При добавлении раствора кислоты к сбросовой воде, наверняка произойдут некоторые химические реакции, например, разложение карбонатов и гидрокарбонатов. На это потребуется дополнительное количество кислоты, которое заранее, опять же ориентировочно, можно рассчитать. Во всяком случае, почти наверняка, 5 л разбавленной кислоты будет недостаточно для нужного подкисления 150 куб.м сбросовой воды.

Почти всегда природные, в том числе и попутные воды содержат в своём составе вещества, реагирующие с кислотами, в первую очередь, гидрокарбонатные и, в меньшей степени, карбонатные соли. На их разложение также потребуется кислота.

Пусть рассмотренная нами сбросовая вода содержит гидрокарбонаты в концентрации 300 мг/л.

Рассчитаем количество молей Н⁺, необходимое для разложения этого количества гидрокарбонатов.

Схема химического процесса следующая:

НСО₃^- + Н⁺ → Н₂СО₃ → СО₂↑ + Н₂О

Видно, что на взаимодействие 61 мг НСО₃^- расходуется 1 мг Н⁺. 1 мг Н⁺ соответствует 10^-3 молям. Отсюда, если в 150 куб.м воды содержится

1, 5 ∙ 10⁵ л ∙ 300 мг/л = 4, 5 ∙ 10⁷ мг или 737, 7 молей. Следовательно, такое же количество молей ионов водорода потребуется для «нейтрализации» этого количества гидрокарбонатов.

В каком же объёме 0, 1 молярного раствора кислоты содержится такое количество молей ионов водорода?

В 1 л 0, 1 М. раствора НСl - 0, 1 моль Н⁺

В Х л 0, 1 М. раствора НСl - 737, 7 моль Н⁺

Х = 7377 л или к 150 куб.м сбросовой воды при такой концентрации в ней гидрокарбонатов, следует добавить более 7 куб.м 0, 1 М кислоты. Несоизмеримо больше, чем если бы вода не содержала гидрокарбонатов вовсе.

Данные расчёты весьма ориентировочны. На практике, после всех произведённых действий следует уточнить полученное значение рН подкисленной воды при помощи рН-метра, и ввести нужные исправления и уточнения.

 

Плотность и концентрация растворов соляной кислоты (15⁰С)

 

Плотность НCl, г/см3	Конц. р-ра, моль/дм3	Содержание HCl	Плотность HCl, г/см3	Конц. р-ра, моль/дм3	Содержание HCl
%	г/дм3	%	г/дм3
1, 000	0, 044	0, 16	1, 6	1, 105	6, 355	20, 97	231, 7
1, 005	0, 317	1, 15	11, 6	1, 110	6, 673	21, 92	243, 3
1, 010	0, 593	2, 14	21, 6	1, 115	6, 995	22, 86	255, 1
1, 015	0, 868	3, 12	31, 7	1, 120	7, 317	23, 82	266, 8
1, 020	1, 155	4, 13	42, 1	1, 125	7, 649	24, 78	278, 9
1, 025	1, 446	5, 14	52, 7	1, 130	7, 981	25, 75	291, 0
1, 030	1, 737	6, 15	63, 3	1, 135	8, 314	26, 70	303, 2
1, 035	2, 032	7, 16	74, 1	1, 140	8, 648	27, 66	315, 4
1, 040	2, 328	8, 16	84, 9	1, 145	8, 987	28, 61	327, 7
1, 045	2, 628	9, 17	95, 8	1, 150	9, 327	29, 57	340, 1
1, 050	2, 929	10, 17	106, 8	1, 155	9, 679	30, 55	352, 9
1, 055	3, 237	11, 18	118, 0	1, 160	10, 03	31, 52	365, 6
1, 060	3, 544	12, 19	129, 2	1, 165	10, 38	32, 49	378, 5
1, 065	3, 851	13, 19	140, 4	1, 170	10, 74	33, 46	391, 5
1, 070	4, 158	14, 17	151, 6	1, 175	11, 09	34, 42	404, 4
1, 075	4, 471	15, 16	163, 0	1, 180	11, 45	35, 38	417, 5
1, 080	4, 784	16, 15	174, 4	1, 185	11, 80	36, 31	430, 3
1, 085	5, 099	17, 13	185, 9	1, 190	12, 15	37, 23	443, 1
1, 090	5, 414	18, 11	197, 4	1, 195	12, 51	38, 17	456, 2
1, 095	5, 725	19, 06	208, 8	1, 200	12, 87	39, 11	469, 3
1, 100	6, 037	20, 01	220, 1

 

Поправки к плотности соляной кислоты

 

В таблице даны поправки к плотности HCl, измеренной при разных температурах, для приведения к плотности при 15⁰С. Поправка прибавляется при температуре выше 15⁰ и вычитается при температуре ниже 15⁰.

Плотность HCl, г/см3	1, 000 – - 1, 040	1, 041 – - 1, 0, 85	1, 086 – - 1, 120	1, 121 – - 1, 155	1, 156 – - 1, 1200
Поправка на 10 С ±	0, 0002	0, 0003	0, 0004	0, 0005	0, 0006

^*Справочник химика. Государственное научно-техническое издательство химической литературы. Л., - М. 1952. С.373 (табл. 204, 205) и С.320 (табл. 13)

 

Плотность и % концентрация раствора соляной кислоты при 15⁰С

%	Плотность, г/см3	%	Плотность, г/см3	%	Плотность, г/см3	%	Плотность, г/см3
	1, 0042		1, 0392		1, 0792		1, 1418
	1, 0093		1, 0492		1, 0894		1, 1625
	1, 0193		1, 0591		1, 0997		1, 1833
	1, 0293		1, 0691		1, 1209		1, 1941