Жесткость воды и ее умягчение. Основные методы умягчения воды. Термическое умягчение воды

Виды жесткости. Способы умягчения воды

Катионы Ca 2+ обусловливают кальциевую жесткость, а катионы Mg 2+ - магниевую жесткость. Общая жесткость складывается из кальциевой и магниевой, т.е. из суммарной концентрации в воде катионов Ca 2+ и Mg 2+ .

Под умягчением воды понимают либо устранение, либо уменьшение ее жесткости. Главным образом оно заключается в полном или частичном удалении из нее катионов Ca 2+ , Mg 2+ и Fe 2+ . Существует три основных способа умягчения воды: термическая обработка, химическая обработка, ионный обмен.

1. Термическая обработка

Суть способа заключается в предварительном нагревании воды до 70-80 ° С или ее кипячении. При этом катионы Ca 2+ , Mg 2+ осаждаются в виде малорастворимых соединений.

По отношению к процессам умягчения воды различают жесткость карбонатную и некарбонатную .

Карбонатной называют жесткость, вызванную присутствием в воде гидрокарбонатов кальция Ca (HCO 3 ) 2 и магния Mg (HCO 3 ) 2 . При кипячении гидрокарбонаты разрушаются, а образующиеся малорастворимые карбонаты выпадают в осадок, и общая жесткость воды уменьшается на величину карбонатной жесткости. Поэтому карбонатную жесткость также называют временной .

При кипячении катионы кальция осаждаются в виде карбоната кальция :

Ca 2+ + 2HCO 3 2- = CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2 ,

а катионы магния - в виде основного карбоната или в виде гидроксида магния (при рН>10.3):

2Mg 2+ + 2HCO 3 - + 2OH - = (MgOH) 2 CO 3 ↓ + H 2 O + CO 2

гидроксид-ионы OH - образуются за счет взаимодействия ионов HCO 3 - с водой:

HCO 3 - + H 2 O ↔ H 2 CO 3 + OH -

Остальная часть жесткости, сохраняющаяся после кипячения воды, называется некарбонатной . Она определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот: сульфатов, хлоридов, нитратов . При кипячении эти соли не удаляются, поэтому некарбонатную жесткость также называют постоянной .

2. Химическая обработка.

Умягчение воды также может быть достигнуто обработкой различными химическими веществами. Так, карбонатную жесткость можно устранить добавлением гашеной извести

Ca 2+ + 2 HCO 3 - + Ca 2+ + 2 OH - = 2 CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O

Mg 2+ + 2HCO 3 2- + 2Ca 2+ + 4OH - = Mg(OH) 2 ↓ + 2CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O

При одновременном добавлении извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жесткости (известково-содовый способ ). Карбонатная жесткость при этом устраняется известью, а некарбонатная - содой:

Ca 2+ + CO 3 2-+ = CaCO 3 ↓;

Mg 2+ + CO 3 2-+ = MgCO 3

MgCO 3 + Ca 2+ + 2 OH - = Mg (OH ) 2 ↓ + CaCO 3 ↓

Эффективным средством для умягчения воды служит полифосфат натрия Na 5 P 3 O 10 . В этом случае связывание ионов Ca 2+ и Mg 2+ осуществляется за счет образования хорошо растворимых в воде хелатных комплексных соединений:

P 3 O 10 5- + Ca 2+ = 3-

P 3 O 10 5- + Mg 2+ = 3-

3. Ионный обмен

Применяются и другие способы устранения жесткости воды, среди которых один из наиболее современных основан на применении катионитов - катионитный способ . Имеются твердые вещества, которые содержат в своем составе подвижные ионы, способные обмениваться на ионы внешней среды. Они получили название ионитов .

Иониты делятся на две группы. Одни из них обменивают свои катионы на катионы среды и называются катионитами , другие обменивают свои анионы и называются анионитами . Иониты не растворяются в растворах солей, кислот и щелочей.

Из неорганических ионитов наибольшее значение имеют цеолиты - алюмосиликаты сложного состава, имеющие кристаллическое строение. Например, алюмосиликат состава Na 2 O ∙ Al 2 O 3 ∙4 SiO 2 ∙ m H 2 O имеет пространственную решетку, образованную атомами Al , Si и O . Решетка пронизана полостями, в которых размещаются молекулы воды и ионы Na + . Последние, обладая определенной свободой перемещения, замещаются на ионы Ca 2+ и Mg 2+ при пропускании воды через слой зерен (гранул) цеолита.

Более совершенны ионообменные смолы , получаемые на основе синтетических полимеров. Они обладают одновременно высокими эксплуатационно-техническими характеристиками и разнообразными физико-химическими свойствами.

Для устранения жесткости воды применяют катиониты . Их состав условно можно выразить общей формулой Na 2 R , где Na + - весьма подвижный катион, а R 2- - частица катионита, несущая отрицательный заряд.

Если пропускать воду через слои катионита, то ионы натрия будут обмениваться на ионы кальция и магния:

Ca 2+ + Na 2 R = 2Na + + CaR;

Mg 2+ + Na 2 R = 2 Na + + MgR

Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, жесткость при этом устраняется.

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит перестает работать - утрачивает способность умягчать воду. Однако любой ионит легко подвергается регенерации. Для этого через катионит пропускают концентрированный раствор NaCl (Na 2 SO 4 ) или HCl (H 2 SO 4 ). При этом ионы Ca 2+ и Mg 2+ выходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na + или H + .

4. Физические методы устранения жесткости

Для умягчения воды применяются также методы, основанные на физических явлениях.

Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обуславливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.

Магнитно-ионизационный метод также использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля. Для увеличения в воде количества ионов ее предварительно облучают ионизирующим излучением.

Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворенных веществ и их объединение в более крупные частицы, которые выпадают в осадок.

Ультразвуковая обработка воды также приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка.

Е.А. Нуднoва, И.Н. Аржaнова

Основные методы умягчения воды

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

Термический метод умягчения воды

Реагентные методы умягчения воды

Технологические схемы и конструктивные элементы установок реагентного умягчения воды

Термохимический метод умягчения воды

Умягчение воды диализом

Магнитная обработка воды

Литература

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

Под умягчением воды подразумевается процесс удаления из нее катионов жесткости, т.е. кальция и магния. В соответствии с ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" жесткость воды не должна превышать 7 мг-экв/л. Отдельные виды производств к технологической воде предъявляют требования глубокого ее умягчения, т.е. до 0,05.0,01 мг-экв/л. Обычно используемые водоисточники имеют жесткость, отвечающую нормам хозяйственно-питьевых вод, и в умягчении не нуждаются. Умягчение воды производят в основном при ее подготовке для технических целей. Так, жесткость воды для питания барабанных котлов не должна превышать 0,005 мг-экв/л. Умягчение воды осуществляют методами: термическим, основанным на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживании; реагентными, при которых находящиеся в воде ионы Ca (II ) и Mg (II ) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения; ионного обмена, основанного на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы Na (I ) или Н (1) на ионы Са (II) и Mg (II ), содержащиеся в воде диализа; комбинированным, представляющим собой различные сочетания перечисленных методов.

Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями. В соответствии с рекомендациями СНиПа при умягчении подземных вод следует применять ионообменные методы; при умягчении поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды, - известковый или известково-содовый метод, а при глубоком умягчении воды - последующее катионирование. Основные характеристики и условия применения методов умягчения воды приведены в табл. 20.1.

умягчение вода диализ термический

Для получения воды для хозяйственно-питьевых нужд обычно умягчают лишь ее некоторую часть с последующим смешением с исходной водой, при этом количество умягчаемой воды Q y определяют по формуле

где Ж о. и. - общая жесткость исходной воды, мг-экв/л; Ж 0. с. - общая жесткость воды, поступающей в сеть, мг-экв/л; Ж 0. у. - жесткость умягченной воды, мг-экв/л.

Методы умягчення воды

Термический метод умягчения воды

Термический метод умягчения воды целесообразно применять при использовании карбонатных вод, идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами умягчения воды. Он основан на смещении углекислотного равновесия при ее нагревании в сторону образования карбоната кальция, что описывается реакцией

Са (НС0 3) 2 - > СаСО 3 + С0 2 + Н 2 0.

Равновесие смещается за счет понижения растворимости оксида углерода (IV), вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить оксид углерода (IV) и тем самым значительно снизить карбонатную кальциевую жесткость. Однако, полностью устранить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция хотя и незначительно (13 мг/л при температуре 18°С), но все же растворим в воде.

При наличии в воде гидрокарбоната магния процесс его осаждения происходит следующим образом: вначале образуется сравнительно хорошо растворимый (110 мг/л при температуре 18° С) карбонат магния

Mg (НСО 3) → MgC 0 3 + С0 2 + Н 2 0,

который при продолжительном кипячении гидролизуется, в результате чего выпадает осадок малорастворимого (8,4 мг/л). гидроксида магния

MgC 0 3 +H 2 0 → Mg (0H ) 2 +C 0 2 .

Следовательно, при кипячении воды жесткость, обусловливаемая гидрокарбонатами кальция и магния, снижается. При кипячении воды снижается также жесткость, определяемая сульфатом кальция, растворимость которого падает до 0,65 г/л.

На рис. 1 показан термоумягчитель конструкции Копьева, отличающийся относительной простотой устройства и надежностью работы. Предварительно подогретая в аппарате обрабатываемая вода поступает через эжектор на розетку пленочного подогревателя и разбрызгивается над вертикально размещенными трубами, и по ним стекает вниз навстречу горячему пару. Затем совместно с продувочной водой от котлов она по центрально подающей трубе через дырчатое днище поступает в осветлитель со взвешенным осадком.

Выделяющиеся при этом из воды углекислота и кислород вместе с избытком пара сбрасываются в атмосферу. Образующиеся в процессе нагревания воды соли кальция и магния задерживаются во взвешенном слое. Пройдя через взвешенный слой, умягченная вода поступает в сборник и отводится за пределы аппарата.

Время пребывания воды в термоумягчителе составляет 30.45 мин, скорость ее восходящего движения во взвешенном слое 7.10 м/ч, а в отверстиях ложного дна 0,1.0,25 м/с.

Рис. 1. Термоумягчитель конструкции Копьева.

15 - сброс дренажной воды; 12 - центральная подающая труба; 13 - ложные перфорированные днища; 11 - взвешенный слой; 14 - сброс шлама; 9 - сборник умягченной воды; 1, 10 - подача исходной и отвод умягченной воды; 2 - продувка котлов; 3 - эжектор; 4 - выпар; 5 - пленочный подогреватель; 6 - сброс пара; 7 - кольцевой перфорированный трубопровод отвода воды к эжектору; 8 - наклонные сепарирующие перегородки

Реагентные методы умягчения воды

Умягчение воды реагентными методами основано на обработке ее реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения: Mg (OH ) 2 , СаС0 3 , Са 3 (Р0 4) 2 , Mg 3 (P 0 4) 2 и другие с последующим их отделением в осветлителях, тонкослойных отстойниках и осветлительных фильтрах. В качестве реагентов используют известь, кальцинированную соду, гидроксиды натрия и бария и другие вещества.

Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарботаной жесткости, а также в случае, когда не требуется удалять из воды соли некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде раствора или суспензии (молока) в предварительно подогретую обрабатываемую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ионами ОН - и Са 2+ , что приводит к связыванию растворенного в воде свободного оксида углерода (IV) с образованием карбонатных ионов и переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные:

С0 2 + 20Н - → СО 3 + Н 2 0,НСО 3 - + ОН - → СО 3 - + Н 2 О.

Повышение в обрабатываемой воде концентрации ионов С0 3 2 - и присутствие в ней ионов Са 2+ с учетом введенных с известью приводит к повышению произведения растворимости и осаждению малорастворимого карбоната кальция:

Са 2+ + С0 3 - → СаС0 3 .

При избытке извести в осадок выпадает и гидроксид магния

Mg 2+ + 20Н - → Mg (ОН) 2

Для ускорения удаления дисперсных и коллоидных примесей и снижения щелочности воды одновременно с известкованием применяют коагуляцию этих примесей сульфатом железа (II) т.е. FeS 0 4 *7 Н 2 0. Остаточная жесткость умягченной воды при декарбонизации может быть получена на 0,4.0,8 мг-экв/л больше некарбонатной жесткости, а щелочность 0,8.1,2 мг-экв/л. Доза извести определяется соотношением концентрации в воде ионов кальция и карбонатной жесткости: а) при соотношении [Са 2+ ] /20<Ж к,

б) при соотношении [Са 2+ ] /20 > Ж к,

где [СО 2 ] - концентрация в воде свободного оксида углерода (IV), мг/л; [Са 2+ ] - концентрация ионов кальция, мг/л; Ж к - карбонатная жесткость воды, мг-экв/л; Д к - доза коагулянта (FeS 0 4 или FeCl 3 в пересчете на безводные продукты), мг/л; е к - эквивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв (для FeS 0 4 е к = 76, для FeCl 3 е к = 54); 0,5 и 0,3 - избыток извести для обеспечения большей полноты реакции, мг-экв/л.

Выражение Д к /е к берут со знаком минус, если коагулянт вводится раньше извести, и со знаком плюс, если совместно или после.

При отсутствии экспериментальных данных дозу коагулянта находят из выражения

Д к = 3 (С) 1/3 , (20.4)

где С - количество взвеси, образующейся при умягчении воды (в пересчете на сухое вещество), мг/л.

В свою очередь, С определяют, используя зависимость

Известково-содовый метод умягчения воды описывается следующими основными реакциями:

По этому методу остаточная жесткость может быть доведена до 0,5.1, а щелочность с 7 до 0,8.1,2 мг-экв/л.

Дозы извести Д и и соды Д с (в пересчете на Na 2 C 0 3), мг/л, определяют по формулам

(20.7)

где - содержание в воде магния, мг/л; Ж н. к. - некарбонатная жесткость воды, мг-экв/л.

При известково-содовом методе умягчения воды образующиеся карбонат кальция и гидроксид магния могут пересыщать растворы и долго оставаться в коллоидно-дисперсном состоянии. Их переход в грубодисперсный шлам длителен, особенно при низких температурах и наличии в воде органических примесей, которые действуют как защитные коллоиды. При большом их количестве жесткость воды при реагентном умягчении воды может снижаться всего на 15.20%. В подобных случаях перед умягчением или в процессе его из воды удаляют органические примеси окислителями и коагулянтами. При известково-содовом методе часто процесс проводят в две стадии. Первоначально из воды удаляют органические примеси и значительную часть карбонатной жесткости, используя соли алюминия или железа с известью, проводя процесс при оптимальных условиях коагуляции. После этого вводят соду и остальную часть извести и доумягчают воду. При удалении органических примесей одновременно с умягчением воды в качестве коагулянтов применяют только соли железа, поскольку при высоком значении рН воды, необходимом для удаления магниевой жесткости, соли алюминия не образуют сорбционно-активного гидроксида. Дозу коагулянта при отсутствии экспериментальных данных рассчитывают по формуле (20.4). Количество взвеси определяют по формуле

где Ж о - общая жесткость воды, мг-экв/л.

Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом, добавлением избытка реагента-осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимися осадками. При подогреве воды уменьшается растворимость СаСО 3 и Mg (OH ) 2 и более полно протекают реакции умягчения.

Одной из труднорешаемых проблем на сегодня является плохая вода. Массовое ее использование подразумевает обязательное использование воды хорошего качества, но в реалиях, на кухнях и в ванных применятся вода совсем иного качества. Централизованная система очистки воды поставляет на предприятия и для частного использования, воду с высоким порогом жесткости.

Что делать с известковостью?

Итак, есть исходные данные. В дом, в квартиру поступает вода низкого качества. Тут же потребитель может возразить, что некачественной воды быть не может. Ее допустили согласно ГОСТам и СанПинам к использованию, и значит какая-то там жесткость, является чуть ли не мифом. Да при работе с такой водой образовывается вредный налет. Но его вполне можно устранить своими силами, путем обычных чисток. На предприятиях не эффективные оборачиваются в большие статьи расходов и там эта логика не работает.

При этом жесткость, как превышение определенной нормы по содержанию кальция и магния в воде, точнее их солей, может быть разной. И вред от такой воды тоже будет разниться. Разделение по видам известковости представлено в таблице.

Все, что свыше показателя семерки может приносить вред и не малый. Способы умягчения воды на такие случаи как раз и разрабатывались.

К основным негативным последствиям жесткости относятся:

• Резкий рост расходов топлива и моющих средств и самой воды;
• Образование блокирующей тепло, накипи;
• Поломки оборудования;
• Негативное влияние на качество стирки

Можно ли спутать работу жесткости с другими примесями? На начальных стадиях, пока накипи еще нет или она очень тонкая, можно. Пока плотный осадок не образуется, известковость можно принять за изобилие хлорки в воде.

На крупных промышленных предприятиях, где производят питьевую воду или работают с водой постоянно, жесткость проявляет себя сразу. Есть правила, которые нельзя нарушать. Т.к. слой накипи в котле не должен превышать каких-то полмиллиметра. Откуда такие ограничения? Все это напрямую связано с особенностями известковости, как материала.

Когда она оседает на поверхность, то передача тепла в воду практически прекращается. Известь работает как эффективный блокиратор. И чем она плотнее, тем хуже передача тепла. Когда накипь достигает состояния гипса, передача тепла прекращается практически полностью. Правда, нагревательный элемент в этом случае перегорит раньше. Аспект в том, что энергия из металла никуда не уходит, она продолжает его накалять до тех времен, пока он не видоизменится. То есть либо не взорвется, либо не расплавится. В отраслях, с таких последствий и начинали долгий путь поисков подходящих способов умягчения воды.

Избежать всего этого букета можно, как известно, путем постоянных чисток и промывок, или же путем разработки и монтажа очистной системы. Первый вариант решения проблемы до сих пор применяют, но только там, где пока нет возможности установить прогрессивное умягчающее оборудование, или хотя бы просто умягчающее оборудование.

Чистки поверхностей обладают большой популярностью у населения. Точнее, даже у тех слоев, кто ими собственно не занимается, но считает, что они явно дешевле двух умягчающих приборов в квартиру. Но любая чистка оставит после себя следы. И щетка, и кислота отчищают вместе с накипью и поверхности. Из-за этого оборудование будет служить меньше, а чистки в дальнейшем только участятся.

Причем на предприятии, такие чистки выглядят как профилактические и капитальные. Последние проводятся не чаще двух раз за все время работы оборудования. Такая капитальная чистка подразумевает полную разборку оборудования. Особо загрязненные поверхности замачивают в кислотных растворах, там разрыхляются старые остатки и только потом производят механическую очистку. Причем этап замачивания может длиться несколько часов. Такие разборки означают простои и влекут за собой упущенную выгоду. С применением умягчающих установок, капитальные чистки уходят в прошлое. Даже при сильно жесткой воде, достаточно прополоскать систему обратным протоком воды, чтобы вынести легкие взвеси, в которые превращаются соли жесткости.

Способы умягчения жесткой воды – инструкция по применению

Чтобы не тратить огромные средства на очистки, не закупать постоянно растворы для умягчения воды или устранения накипи, были созданы различные эффективные и не эффективные способы умягчения жесткой воды. Их задача по-разному, но избавить воду от излишков солей жесткости. Если их устранить, то накипные отложения в воде образовываться не будут.

Сделать все это можно с помощью двух направлений. Можно воду умягчать, путем добавления в нее каких-то специальных, умягчающих средств, можно воду облучать. По этому принципу и все умягчающие установки сегодня делятся. Хочешь получить мягкую воду, создай какое-то новое вещество, которое не осядет на поверхности и легко отфильтруется, или же воздействуй на воду, какой-то естественной силой.

Реагентные умягчители в общем делятся на два вида. Это дезинфекторы, сильно схожие с дезинфекторами для обеззараживания, и катионные умягчители. Первые работают по простейшему принципу – добавляем в воду умягчитель, она становится мягче.

Вторые работают на обменном процессе. Заполняют обменный картридж катионной смолой. Следует рассмотреть , при чем весьма эффективный. В ней большое количество натрия. При контакте с солями жесткости, натрий и соли меняются местами. Потребителю поступает уже умягченная вода. Но вот картридж достаточно быстро придет в негодность. Натрий весь вымоется, и его нужно будет менять. В промышленных производственных процессах картриджи восстанавливают с помощью промывки сильно соляным раствором. При личном потреблении и производстве питьевой воды картридж меняют.

Когда его восстанавливают, образуются очень вредные отходы, которые мало того, что нужно почистить, нужно еще и разрешение получить, на то, чтобы их слить в атмосферу. Да и сами картриджи со временем придется менять. Такое умягчение при первичных малых вложениях, в дальнейшем оказывается недешевым. Но гарантирует хорошее качество непосредственно умягчения. Да и для повышения качества умягчения, можно воду прогнать через установку еще раз.

Дезинфектор подразумевает простое впрыскивание в воду специальных веществ, умягчающих воду. Такой прибор врезается в трубу. Есть у него блок управления, где задается частота, время и оббьем подачи умягчающих средств. Здесь же постоянно измеряют электропроводимость воды, с целью понять жесткая вода или нет. Контроль идет постоянно. Так влияние человеческого фактора снижается и значительно.

Вторая группа эффективных способов умягчения жесткой воды относится к безреагентным . Яркие представители от магнита до электрических импульсов. Больше всего сегодня применяют электромагниты. Маленькие, безпроблемные гарантируют не только мягкую воду в системе. С их помощью можно избавиться от старых накипных следов в любом месте системы, совершенно не разбирая установки. Причем работать прибор будет экономно, всего каких-то пять киловатт в месяц электроэнергии. Сменных картриджей нет, следить за состоянием и обновлением не нужно. Правда качество питьевой воды такой прибор не дает, но для обслуживания всей воды в квартире или в котельной, например, просто незаменим.

Ограничения в его работе некоторые все же есть. Он не работает с водой без движения и не дает питьевого качества. Его эффект не держится долгое время.

Еще одна группа эффективных способов умягчения жесткой воды относится к тонкой очистке. Такие приборы устраняют из воды почти все примеси органического характера. К ним относится ультрафильтрация, обратный осмос, нанофильтрация. Основной удар в таких системах принимает на себя мембрана. Она самая дорогая в приборе и самая восприимчивая. Без подготовки воду через нее пропускать нельзя. Отсюда и дороговизна . Правда, такие устройства часто слишком много убирают из воды, что так же ограничивает, но не сильно их применение.

Практически все знают, что вода, используемая нами в процессе жизнедеятельности, характеризуется так называемой «жесткостью». Под этим понятием подразумевают степень ее насыщения катионами магния и кальция. Умягчение воды позволяет значительно улучшить ее качество.

В «жесткой» воде долго развариваются продукты, практически не «мылятся» некоторые моющие средства, порошок и мыло, а на водопроводных трубах и в чайниках образуется характерный налет (накипь), состоящий из минеральных отложений. Помимо этого, такая вода может вызывать отложение солей в человеческом организме или у домашних животных.

Умягчение воды осуществляют для очистки от присутствующих в ней солей жесткости. Любая водопроводная вода, помимо очистки от примесей и бактерий, проходит процедуру удаления солей магния и кальция. Умягчение воды может осуществляться различными методами. Выбор того или другого из них определяют в основном по виду и величине а также в соответствии с технико-экономической целесообразностью.

Оно может происходить термическим (основан на подогреве воды), реагентным (основан на связывании ионов магния и кальция определенными реагентами с последующей фильтрацией нерастворимых соединений) или комбинированным методом (сочетает в себе несколько способов обработки воды). Очень широко распространен и способ ионного обмена, при котором происходит фильтрация воды через определенные специальные материалы. При таком способе обработки происходит обмен ионов водорода и натрия, входящих в состав этих фильтров, на ионы магния и кальция. Для фильтрации воды используют различные материалы. Некоторые из них имеют естественное происхождение, но чаще всего используются разные синтетические смолы. Среди ультрасовременных методов умягчения воды следует особо выделить нанофильтрацию.

Подаваемая централизованными водопроводами, не должна иметь жесткость больше 7 мг-экв/куб.дм. Только по согласованию с санэпидемслужбой допускается подача воды с жесткостью до 10 мг-экв/куб.дм.

Умягчение воды в коттедже может производиться с помощью реагентного метода, при котором в качестве реагентов используются сода и известь. Известкование проводится тогда, когда необходимо произвести снижение щелочности и Сода с известью умягчает воду, в которой магний и кальций содержатся вместе с анионами сильных кислот. Но не стоит забывать о том, что такая обработка имеет свои неблагоприятные последствия. Умягчение воды в домашних условиях содово-известковым методом приводит к пресыщению жидкости и повышению ее рН.

Среди самых простых методов следует отметить в течение часа с последующим ее отстаиванием для выпадения осадка, смягчение различными щелочами (поташ, пищевая сода, нашатырный спирт), умягчение миндальными отрубями, полученными в результате измельчения семян сладкого миндаля. Воду, предназначенную для бытовых нужд, можно смягчить обычным рассолом или Для профессиональной обработки воды в домашних условиях используются специальные умягчители, напоминающие своим внешним видом баллон или урну, которые можно с легкостью разместить на кухне.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение «Юго-Западный государственный университет»

Кафедра общей и неорганической химии

УТВЕРЖДАЮ Первый проректор – проректор по учебной работе

Е.А. Кудряшов «___»____________2012 г.

ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЁ УМЯГЧЕНИЯ

Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ""Химия"" для студентов нехимических специальностей

УДК 546 Составители: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи

Рецензент Кандидат химических наук, доцент В. С. Мальцева

Жёсткость воды и методы её умягчения: Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ""Химия"" для студентов нехимических специальностей / Юго-Зап. гос. ун-т; Сост.: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи Курск, 2012. 18с.

Излагаются методические материалы по оценке жёсткости воды и методам её умягчения, представлены лабораторная работа по данной теме и индивидуальные задания для студентов.

Предназначены для студентов нехимических специальностей.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

1. Жёсткость воды и причины её образования. Единицы измерения жёсткости.

2. Виды жёсткости: временная, постоянная, общая, карбонатная и некарбонатная. Какими ионами они обусловлены?

3. Влияние жёсткости на рН воды.

4. Негативные последствия использования жёсткой воды в промышленности.

5. Основные методы умягчения промышленных вод. Чем руководствуются при их выборе?

6. Термический метод умягчения воды. Его достоинства и недостатки.

7. Реагентные методы, используемые для умягчения воды. Какие химические процессы происходят при умягчении воды методом: а) известкования; б) фосфатирования; в) содовым; г) добавлением гидроксида натрия?

8. Умягчение воды ионнообменным методом.

9. Ионообменная емкость катионита и анионита. В каких единицах она выражается? От каких факторов зависит?

10. Почему для регенерации катионита его промывают раствором хлористого натрия, а затем водой? Можно ли регенерировать катионит, промывая его раствором хлористого магния?

Библиографический список

1. Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высш. шк., 2007 г.

2. Задачи и упражнения по общей химии/ Под ред. Н.В. Коровина. М.: Высш. шк., 2004 г.

3. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. М.: Интеграл-прес, 2002 г.

4. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк.,

Природная вода является сложной многокомпонентной системой, в которой содержатся в растворенном виде различные органические и неорганические соединения.

1) Главнейшие ионы.

Катионы: Na+ , Ca2+ , Mg2+ , K+ (реже Fe2+ , Fe3+ , Mn2+ ); Анионы: HCO3 - , SO4 2- , Cl- , CO3 2- (реже HSiO3 - , SO3 2- , S2 O3 2- ).

2) Растворенные газы.

В воде чаще всего растворены: углекислый газ, кислород, азот, сероводород, метан и др.

3) Биогенные вещества.

К биогенным веществам относятся те соединения, которые возникают в связи с жизнедеятельностью организмов. В их состав входят различные формы азота (аммиачный, нитритный, нитратный), фосфора, кремния, железа.

4) Микроэлементы.

К ним относятся элементы, которые содержатся в воде в количествах меньших 10-3 %.

5) Органические вещества.

Это могут быть различного рода растительные и животные организмы, микроорганизмы и продукты их взаимодействия с окружающей средой.

Природные воды сильно различаются по общему содержанию растворенных солей и по относительному содержанию различных ионов. Это различие может существенно влиять на свойства воды и,

следовательно, на применение ее в различных областях. Специфические свойства воде придают ионы Ca2+ и Mg2+ ,

присутствие которых определяют жесткость воды .

Жесткость воды – один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод,

который характеризуется содержанием числа миллимолей эквивалентов ионов Са2+ и Мg2+ в 1 л воды. Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию в воде 20,04 мг/л Са2+ или 12,16мг/л Mg2+ , что соответствует значению эквивалентной массы этих ионов.

Эти ионы появляются в природных водах в результате

взаимодействия с известняками или в результате растворения гипса. CaCO3 + H2 O + CO2 = Ca2+ + 2HCO3 -

Жёсткость природных вод колеблется в широких пределах. Вода, жёсткость которой менее 4 мэкв/л ионов Са2+ и Мg2+ , характеризуется как мягкая, от 4 до 8 – умеренно жёсткая , от 8 до 12

– жёсткая и более 12 мэкв/л – очень жёсткая .

Например, наиболее мягкой является вода атмосферных осадков (0,07-0,1мэкв/л), а жесткость океанской воды составляет 130 мэкв/л.

Различают несколько видов жёсткости: общую, временную, постоянную, карбонатную и некарбонатную.

Общей жёсткостью называется суммарная концентрация ионов Ca2+ , Mg2+ в воде, выраженная в мэкв/л.

Постоянная жёсткость - часть общей жёсткости, остающаяся после кипячения воды при атмосферном давлении в течение определённого времени.

Временная жёсткость – часть общей жёсткости, удаляющаяся кипячением воды при атмосферном давлении в течение определённого времени. Она равна разности между общей и постоянной жёсткостью.

Карбонатная жёсткость – часть общей жёсткости,

эквивалентная концентрации гидрокарбонатов кальция и магния. Некарбонатная жёсткость - часть общей жёсткости, равная

разности между общей и карбонатной жёсткостью.

Пример 1. В 5 м 3 воды содержится 250 г ионов кальция и 135 г ионов магния. Определить общую жесткость воды.

Решение . Найдем содержание ионов кальция и магния (в мг/л) в

250 1000 / 5 1000 = 50 (мг/л) ионов Са2+

и 135 1000 / 5 1000 = 27 (мг/л) ионов Mg 2+ .

1 мэкв жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л ионов. Са2+ или 12,16 мг/л ионов Мg2+ ; следовательно,

Ж = 50/20,04 + 27/12,16 = 4,715 (мэкв/л).

Ответ : вода умеренно жесткая.

Пример 2 . Вычислить карбонатную жёсткость воды, зная, что на титрование 100мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция,

потребовалось 6,25мл, 0,08 н раствора НС1. Привести уравнение соответствующей реакции.

Решение : Задачу решаем используя закон эквивалентов для растворов.

Вычислим нормальность раствора гидрокарбоната кальция: N1 = 6,25 0,08 ⁄ 100 = 0,005 н

Следовательно, в 1 л воды содержится 0,005 1000 = 5 мэкв гидрокарбоната кальция.

Ответ: Ж=5мэкв/л

Ионы Ca2+ и Mg2+ не представляют опасности, но значительное их содержание в воде приводит к перерасходу мыла, ухудшению вкуса продуктов и т.д. При нагревании и, особенно при испарении воды соли этих металлов образуют слой накипи, снижающий коэффициенты теплопередачи в охлаждающих и нагревающих системах, что является крайне нежелательным.

Использование природной воды в технике требует ее предварительной очистки. Процесс, приводящий к снижению жёсткости воды, называется умягчением воды .

Способы умягчения воды можно разделить на три основные группы:

1) термическое умягчение воды; 2) реагентные методы умягчения; 3) умягчение воды методом ионного обмена.

1. Термический способ умягчения воды

Временная или карбонатная жесткость , устраняется нагреванием воды до 70-80°С и последующей фильтрацией. При нагревании протекают реакции:

Са(НСОз)2 = СаСО3 + СО2 + H2 O

Mg(HCО3 )2 = MgCО3 + CO2 + H2 О

Однако полностью устранить карбонатную жёсткость термическим методом нельзя, т. к. СаСО3 , хотя и незначительно, но растворим в воде. Растворимость МgСО3 достаточно высока, поэтому гидрокарбонат магния сразу же взаимодействует с водой, т.е.

наблюдается процесс гидролиза и вместо МgСО3 , в осадок выпадает

Mg(ОН)2:

MgC03 + H2 О =Мg(ОН)2 + СO2

Термическое умягчение воды связано со значительными затратами, поэтому применяется лишь в том случае, когда вода должна подвергаться соответствующему нагреву.

2. Реагентное умягчение воды.

Реагентное умягчение воды состоит в том, что при введении в

воду специальных реагентов катионы кальция и магния, растворенные в ней, переходят в практически нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. В зависимости от используемых реагентов методы водоумягчения классифицируют на известковый, известково-содовый, щелочной, фосфатный и бариевый.

2.1.Известковый метод.

Данный метод используют для частичного устранения из воды карбонатной жесткости.

При введении в воду гашёной извести в виде известкового молока гидрокарбонат кальция соли осаждаются в виде карбонатов:

Са(НСОз)2 + Са(ОН)2 = 2СаСОз + 2Н2 О, Дальнейшее введение в воду извести приводит к гидролизу

магниевых солей и образованию малорастворимого гидроксида магния, который при рН≥ 10,2…10,3 выпадает в осадок:

Mg(HCO3 )2 + Ca(OH)2 = MgCО3 + СаСО3 + CO2 + 2H2 О MgCО3 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCO3 ,

Известкованием устраняют из воды и некарбонатную магниевую жесткость при условии, что рН воды будет не ниже 10,2 (при других значениях рН воды гидроксид магния не выпадает в осадок):

MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaSO4

MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCl2

Приведенные уравнения показывают, что магниевая жесткость устраняется, но значение общей жесткости остается неизменным, так как магниевая жесткость заменяется кальциевой, некарбонатной. Поэтому данный способ можно применять только для умягчения воды с большим значением карбонатной жесткости.

Устранение временной жесткости нейтрализацией гидрокарбонатов гашеной известью применяется крайне редко, т. к. а) мелкодисперсные осадки плохо осаждаются, и требуется укрупнение частиц; б) большое количество мелкодисперсных органических веществ препятствует образованию осадка.

2.2.Известково-содовый

Этот метод используют для одновременного понижения карбонатной и некарбонатной жесткости, когда не требуется глубокого умягчения воды.

Химизм процесса описывается реакциями: MgS04 + Na2 СОз = MgСОз↓ + Na2 SO4 CaCl2 + Na2 CO3 = СаСОз↓ + 2NaCl

(Уравнения реакций устранения карбонатной жесткости с помощью извести смотри выше в п.2.1.).

После добавления в воду реагентов происходит мгновенное образование коллоидных соединений СаСОз и Mg(OH)2 , однако их переход от коллоидного состояния в грубодисперсное, т.е. в то состояние, при котором они выпадают в осадок, занимает длительное время. Поэтому часто известково-содовый способ сочетают с термическим. Например, такое сочетание используют при умягчении воды, которая используется для питания котлов низкого давления, для подпитки теплосети и т.д.

Глубина умягчения воды при известково-содовом методе соответственно равна: без подогрева воды жесткость понижается до

1…2мэкв/л;

при подогреве воды до 80…90о С жесткость понижается до

0,2…0,4мэкв/л.

2.3. Щелочной метод.

Данный метод умягчения воды описывается следующими уравнениями химических реакций:

Ca(HCO3 )2 + 2NaOH = CaCO3 ↓ + Na2 CO3 + H2 O

Mg(HCO3 )2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + Na2 CO3 + H2 O + CO2

CaSO4 + Na2 CO3 = CaCO3 ↓ + Na2 SO4

CaCl2 + Na2 CO3 = CaCO3 ↓ + 2NaCl

CO2 +NaOH = Na2 CO3 + H2 O

MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + Na2 SO4

MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + 2NaCl

Из приведенных уравнений реакций следует:

1) гидроксид натрия (NaOH) в процессе умягчения воды расходуется на устранение карбонатной жесткости и нейтрализацию углекислого газа, растворенного в воде.

2) сода (Na 2 CO3 ), образующаяся при распаде гидрокарбонатов и нейтрализации углекислого газа, используется для удаления некарбонатной жесткости.

Глубина умягчения воды при щелочном методе такая же, как и при известково-содовом, т.е. значение остаточной жесткости практически около 1мэкв/л, а при подогреве умягчаемой воды –

0,2…0,4мэкв/л.

2.4.Фосфатный метод.

Данный метод умягчения воды является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса умягчения воды фосфатом натрия описывается следующими уравнениями реакций:

3CaS04 + 2Na3 P04 = Саз (РО4 )2 ↓ + Na2 SO4 3MgCl2 + 2Na3 PO4 = Mg3 (PO4 )2 ↓ + 6NaCl 3Ca(HCO3 )2 + 2Na3 PO4 = Ca3 (PO4 )2 ↓ + 6NaHCO3 3Mg(HCO3 )2 + 2Na3 PO4 = Mg3 (PO4 )2 ↓+ 6NaHCO3

Как видно из приведенных уравнений реакций, сущность метода заключается в образовании кальциевых и магниевых солей фосфорной кислоты, которые обладают малой растворимостью в воде и поэтому достаточно полно выпадают в осадок.

Фосфатное умягчение обычно осуществляют при подогреве воды до 105…1500 С, достигая уменьшения жесткости до 0,02...0,03мэкв/л. Из-за высокой стоимости фосфата натрия фосфатный метод обычно используют для доумягчения воды, предварительно умягченной известью и содой. Данный метод используется, например, для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления (588…980МПа).

2.5.Бариевый метод.

Умягчение воды основано на введении в нее гидроксида бария или алюмината бария и образовании практически нерастворимых соединений кальция и магния, а также сульфата бария. Химизм процесса описывается следующими уравнениями реакций:

CaSO4 + Ba(OH)2 = Ca(OH)2 ↓ + BaSO4 ↓

CaCl2 + BaAl2 O4 = BaCl2 + CaAl2 O4 ↓

Ca(HCO3 )2 + BaAl2 O4 = CaAl2 O4 ↓ + BaCO3 ↓ + H2 O + CO2

(Аналогичные уравнения реакций можно записать и для солей магния).

Бариевый метод умягчения воды очень дорогой, а бариевые соли ядовиты, поэтому его целесообразно применять при частичном обессоливании воды за счет извлечения сульфатов.

Пример 3. Жесткость воды равна 5,4 мэкв ионов кальция в 1 л воды. Какое количество фосфата натрия Na3 P04 необходимо взять, чтобы понизить жесткость 1 т воды практически до нуля.

Решение : Задачу решаем, используя формулу

Ж = m / Э V, (1)

где m – масса вещества, обусловливающего жёсткость воды, или применяемого для устранения жёсткости воды, г;

Э – эквивалентная масса этого вещества; г/моль; V – объём воды, л.

где n – количество ионов металла; В – валентность металла.

Э(Na3 PO4 ) = 164 / 3 =54,7 (г/моль)

Из уравнения (1) выразим массу

m = Ж Э V = 5,4 54,7 1000 = 295,38 (г) Ответ: m = 295,38г.

3. Методы ионного обмена

Катионитовый метод умягчения воды основан на способности некоторых практически нерастворимых в воде веществ, называемых катионитами , обменивать содержащиеся в них активные группы катионов (натрия, водорода и др.), на катионы кальция или магния, находящиеся в воде.

В настоящее время большое распространение получили ионообменные смолы, которые получают на основе синтетических полимеров. Ионнообменные смолы – это сетчатые, трёхмерные полимеры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие групы, способные к обмену ионов

Умягчаемую воду фильтруют через слой катионита, при этом катионы кальция и магния из воды переходят в катионит, а в воду