Химия воды в бассейне и баланс воды: pH, щёлочность и LSI

В таблице ниже приведены параметры, входящие в эксплуатационную спецификацию проекта бассейна, и диапазоны, которые можно проверить по источникам. Для параметров, числовой диапазон которых в текстах источников не приведён, таблица диапазон не выдумывает; она указывает, в какую сторону его ограничить в спецификации.

Значения читаются как эквивалент мг/л CaCO3; в отрасли бассейнов ppm CaCO3 и мг/л CaCO3 обозначают одну и ту же величину, а делением на 50 она переводится в мг-экв/л. Кальциевая жёсткость входит в расчёт LSI не как концентрация иона, а как эквивалент CaCO3, равный 2,5 концентрации иона.

Два понятия, которые чаще всего путают на объектах: pH и общая щёлочность. pH представляет собой логарифмическую шкалу, показывающую текущую концентрацию ионов водорода в воде. Общая щёлочность измеряет, насколько pH воды устоит при добавлении кислоты, то есть буферную ёмкость; по определению источника это 'способность воды сопротивляться подкислению', и её не следует путать с основностью. В воде бассейна эту ёмкость обеспечивают гидрокарбонат- и карбонат-ионы.

Практическое следствие: в бассейне со щёлочностью 40 мг/л pH в течение дня может подскочить с 7,2 до 7,9; в бассейне, принимающем ту же нагрузку при щёлочности 100 мг/л, pH сдвигается на несколько сотых. Если оператор каждый день поправляет pH кислотой и на следующий день снова находит его повышенным, проблема не в pH, а в щёлочности. Статья о щёлочности подчёркивает, что добавление и удаление углекислого газа не меняет щёлочность, но меняет pH; устройства, выдувающие CO2, такие как водопады, повышают pH, оставляя щёлочность неизменной. Поэтому среди химии для бассейна гидрокарбонат натрия продают отдельно как 'повыситель щёлочности', а карбонат натрия как 'повыситель pH'.

Для расчёта LSI сначала находят pHs. В формуле источника четыре фактора: A = (log10[TDS] - 1) / 10; B = -13,12 x log10(°C + 273) + 34,55; C = log10[Ca, мг/л CaCO3] - 0,4; D = log10[щёлочность, мг/л CaCO3]. Затем pHs = (9,3 + A + B) - (C + D) и LSI = измеренный pH - pHs. Источник приводит фактор B, равный 2,09 при 25 °C и 1,09 при 82 °C; таблица показывает промежуточные значения при температурах бассейна и остальные факторы для типичной воды бассейна.

Пример расчёта: для воды бассейна при 28 °C, TDS 1 000 мг/л, кальциевой жёсткости 250 мг/л, щёлочности 100 мг/л и измеренном pH 7,4 получаем pHs = (9,3 + 0,20 + 2,03) - (2,00 + 2,00) = 7,53; LSI = 7,4 - 7,53 = -0,13. Источник указывает, что значения между -0,5 и +0,5 не показывают выраженного растворяющего или осаждающего поведения; такая вода считается сбалансированной. Если в том же бассейне pH поднимется до 7,8, щёлочность до 150 мг/л, жёсткость до 400 мг/л, температура до 30 °C и TDS до 1 500 мг/л, то pHs = (9,3 + 0,22 + 1,99) - (2,20 + 2,18) = 7,13 и LSI = +0,67: вода образует отложения, известь накапливается в теплообменнике и швах. Напротив, сочетание pH 7,0, щёлочности 60 мг/л, жёсткости 150 мг/л, 26 °C и TDS 800 мг/л даёт pHs = 8,01 и LSI = -1,01: вода коррозионная, она растворяет кальций из штукатурки бетонного бассейна.

Три примера показывают, что баланс складывается из сочетания; в проекте бассейна с подогревом нагрев воды с 28 °C до 34 °C повышает LSI примерно на 0,1 без добавления реагентов.

В какой бы форме хлор ни вносили в воду, в итоге образуется хлорноватистая кислота (HOCl), которая в воде частично диссоциирует в гипохлорит-ион (OCl-): HOCl <=> H+ + OCl-. Значение pKa диссоциации 7,53; при pH 7,53 половина хлора находится в форме HOCl, половина в форме OCl-. Источник указывает, что при нейтральном pH состав составляет примерно 75 процентов HOCl и 25 процентов гипохлорита, а в щелочном растворе остаётся фактически только OCl-. Для воды бассейна это означает: свободный хлор, измеренный при pH 7,2, содержит заметно больше HOCl, чем то же измерение при pH 7,8. Тестовый набор в обоих случаях показывает одну и ту же цифру; разницу показывает pH.

Выбор химии для бассейна влияет на этот баланс с двух сторон. Гипохлориты натрия и кальция при растворении толкают pH вверх, а таблетки трихлора и дихлора кислые и тянут pH и щёлочность вниз. В бассейне на трихлоре требуется регулярный повыситель щёлочности, в бассейне на гипохлорите регулярное дозирование кислоты; выбор дезинфектанта определяет и сторону баланса.

Поскольку параметры связаны между собой, порядок корректировки меняет результат: сначала общая щёлочность, затем pH, затем кальциевая жёсткость. pH, отрегулированный без коррекции щёлочности, дрейфует при отсутствии буфера; LSI, рассчитанный без коррекции жёсткости, даёт неверный целевой pH. Циануровая кислота и TDS относятся к параметрам, которые не регулируют, а контролируют: они только растут, и единственный способ коррекции: замена воды. Этот порядок образует каркас программы, по которой ведётся обслуживание бассейна, и он же применяется как порядок столбцов в журнале измерений воды бассейна.

Индекс насыщения был разработан Уилфредом Ланжелье в 1936 году, чтобы предсказывать, образуется ли в сетях питьевого водоснабжения защитная плёнка карбоната кальция на трубах. Вода со слабо положительным индексом оставляет на внутренней поверхности трубы тонкий известковый слой и изолирует металл от воды; вода с отрицательным индексом этот слой растворяет. Та же логика была перенесена в строительство бассейна, потому что и в бассейне есть поверхности, которые нужно защищать: штукатурка и швы на цементной основе, раствор под керамикой, лестницы и форсунки из нержавеющей стали, теплообменник нагревателя.

Адаптация к строительству бассейна вносит два отличия. Первое касается температуры: водопроводная вода имеет около 10-15 °C, а вода в бассейне 26-34 °C, и фактор B несёт эту разницу. Второе касается TDS: вода в бассейне накапливает растворённые вещества из-за испарения и добавления реагентов, поэтому фактор A следует пересчитывать каждый сезон. Статья Swimming pool sanitation отмечает, что pH бассейна в подходе LSI держат в диапазоне 7,2-7,8, а в альтернативном подходе, называемом индексом Гамильтона, в диапазоне 7,8-8,2; разница в том, чему отдаётся приоритет: доле HOCl хлора или склонности к отложениям. Проект бассейна должен указать в спецификации, какой индекс берётся за основу.