Жесткость воды и способы ее устранения

Вода в нашей жизни

Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15/2009

§ 12. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И СПОСОБЫ Ее УСТРАНЕНИЯ

Цель. Расширить и углубить представления учащихся о реакциях обмена, используя сведения о способах устранения жесткости воды. Воспитывать бережное отношение к водным ресурсам.

Форма занятия. Беседа, рассказ. Демонстрационный эксперимент.

Оборудование и реактивы. Прибор для получения газов, стеклянная трубка, пробирки, пробиркодержатель; известковая вода, растворы хлорида кальция, соляной кислоты, карбоната натрия, кусочки мрамора.

Виды жесткости воды.

Способы устранения жесткости воды.

Понятие о жесткости воды

Абсолютно чистой воды в природе не существует. Она всегда содержит различные примеси как в растворенном, так и во взвешенном состоянии, от их концентрации и природы зависит пригодность воды для бытовых и промышленных нужд. Для питьевой воды установлены строгие стандарты по содержанию элементов, цвету, вкусу и др. Так, рН – показатель кислотности или щелочности среды – может находиться в пределах от 6,5 до 9,5.

Определенные требования предъявляются к воде, используемой в промышленности. Например, она не должна портить продукцию, вызывать коррозию металлических деталей и механизмов, засорять насосы и трубы. В настоящее время все больше предприятий стремятся создать замкнутые циклы (очистка – производство – очистка – производство и т.д.).

Вода, в которой растворены соли кальция и магния, обладает особым свойством – жесткостью. Известно, что она образует плотные слои накипи (в основном карбонат и сульфат кальция и карбонат магния) на стенках паровых котлов, кипятильников, чайников. Солевой нарост имеет плохую теплопроводность, поэтому вызывает местный перегрев стенок котла и коррозию корпуса. Случайное отделение части накипи от раскаленной стенки может вызвать быстрое испарение воды и даже взрыв котла.

В жесткой воде плохо растворяются некоторые пищевые продукты, хуже развариваются овощи, снижается качество приготовленной пищи. При стирке белья в такой воде увеличивается расход моющих средств. На ткани осаждаются кальциево-магниевые соли высших карбоновых кислот, входящих в состав мыла. Ими пропитываются нити, изделия теряют былую мягкость. Поэтому для стирки мылом в жесткой воде требуется предварительное умягчение воды – устранение жесткости. Синтетические моющие средства обеспечивают более эффективный и экономичный процесс стирки даже в морской воде, т.к. они не образуют нерастворимых солей кальция и магния.

Технологи на фармацевтических и пищевых фабриках особенно тщательно контролируют качество воды. При проведении количественных анализов принято выражать жесткость воды в миллимоль эквивалентах ионов кальция и магния, содержащихся в 1 л воды:

1 ммоль экв/л Са 2+ соответствует 20,04 мг/л;

1 ммоль экв/л Mg 2+ соответствует 12,16 мг/л.

В аналитической практике пользуются и другими способами выражения концентрации, например молярной (моль/л). По этому показателю жесткости воды ее подразделяют на три группы:

– мягкая вода, имеющая жесткость до 2 ммоль экв/л;

– среднежесткая – от 2 до 10 ммоль экв/л;

– жесткая – более 10 ммоль экв/л;

(ммоль – миллимоль, тысячная доля моль).

Виды жесткости воды

Разные соли кальция и магния обусловливают разную жесткость воды (см. схему).

Способы устранения жесткости

Во многих сферах деятельности человека нужна вода с определенным содержанием растворенных в ней солей. На водоочистительных предприятиях используют различные методы очистки воды и ее умягчения.

Устранение жесткости, или умягчение, воды заключается в удалении ионов кальция и магния, которое осуществляется тремя методами: термическим, химическим и физико-химическим.

1. Термический метод – кипячение воды.

При кипячении воды происходит разложение гидрокарбонатов кальция и магния с образованием углекислого газа и карбонатов этих металлов, которые выпадают в осадок:

Сa(HCO3)2 СaCO3 + СО2 + H2O,

Mg(HCO3)2 MgCO3•H2O + СО2.

Таким образом, в результате кипячения воды устраняется жесткость, обусловленная присутствием именно гидрокарбонатов. Это так называемая устранимая (временная) жесткость.

Благодаря этому методу мы легко можем приготовить душистый чай или вкусный компот. Витамины и другие полезные соединения мягкой водой лучше извлекаются из натуральных или засушенных фруктов. Многие хозяйки об этом знают и для приготовления компотов, лечебных настоев пользуются предварительно прокипяченной водой, ее аккуратно сливают, не взмучивая карбонатный осадок.

Для некоторых химических целей требуется достаточно полная очистка воды от солей, которые создают жесткость. Для ее устранения используют химические реагенты, такие, как карбонат натрия, гидроксид кальция, ортофосфат натрия.

а) Известково-содовый метод основан на обработке воды гашеной известью, при этом устраняется временная жесткость, а также связываются ионы Fe 2+ .

При добавлении соды происходит устранение постоянной жесткости:

Учащимся предлагается самостоятельно дописать схемы реакций.

Использование соды при стирке позволяет экономить моющие средства, а отсутствие хлопьевидных осадков улучшает качество ручной и машинной стирки, особенно легко удаляются пятна различных видов технических загрязнений.

б) Фосфатный метод базируется на образовании нерастворимых ортофосфатов кальция и магния, выпадающих в осадок:

3CaSO4 + 2Na3PO4 = 3Na2SO4 + Ca3(PO4)2,

Реагенты, составляющие основу химического метода умягчения воды, входят в состав средств, предотвращающих образование накипи на стиральных машинах-автоматах. Антинакипины значительно продлевают срок службы дорогостоящей техники, экономят энергию за счет увеличения теплоотдачи нагревательных элементов и улучшают качество стирки, усиливая действие стирального порошка.

Учащимся можно предложить роль экспертов, которые оценивают состав реагентов – антинакипинов, указываемый на упаковках. При внимательном прочтении можно убедиться, что сода, фосфаты и полифосфаты натрия входят в качестве основных реагентов, предотвращающих образование накипи.

3. Физико-химический метод.

Он основан на использовании ионообменных смол – ионитов. Они представляют собой твердые полиэлектролиты, у которых ионы одного знака заряда закреплены на твердой матрице, а противоионы способны переходить в раствор.

Иониты, используемые в ионообменных установках, достаточно компактны и применяются в большинстве современных фильтров для очистки и умягчения воды, ими оснащены, например, пищеблоки морских лайнеров, подводных лодок.

Способность к ионному обмену проявляется у ряда природных алюмосиликатов. Например, при взбалтывании воды с небольшим количеством глины между ними происходит обмен ионами. Данный эффект используется в лечебных целях, глиняные аппликации эффективны в профилактике заболеваний кожи, в ней восстанавливается водно-электролитный баланс.

Широкое применение находят синтетические ионообменники, они включают и полимерные материалы. В зависимости от того, какие ионы переходят в раствор с поверхности, различают катиониты и аниониты.

Катиониты содержат ионы Na + или Н + – это сульфоугли или алюмосиликаты. Аниониты включают подвижные гидроксид-ионы, это так называемые искусственные смолы.

Умягчение воды в промышленных ионообменниках производится фильтрованием через слой катионита толщиной 2–4 м, его поверхность достаточно велика, т.к. полимерная основа состоит из маленьких гранул диаметром 0,5–1,5 мм. В порах этих частичек остаются ионы кальция, вместо них в воду поступают ионы натрия, и вода становится мягкой.

Катионит периодически регенерируют, промывая его концентрированным раствором хлорида натрия, при этом кальций вынужден покидать ранее занятые «позиции» в ионообменнике, его место занимают ионы натрия. Так обновляют адсорбент в фильтре для воды «Гейзер». Для Н + -катионитов промывку ведут раствором соляной кислоты, аниониты регенерируют раствором гидроксида натрия.

Демонстрационный эксперимент заключается в получении жесткой воды (учитель пропускает углекислый газ через раствор известковой воды до растворения получившегося осадка), и устранении ее жесткости при нагревании или добавлении раствора соды. Аналогично демонстрируется устранение постоянной жесткости воды, содержащей растворы хлорида кальция.

Вопросы для беседы и закрепления материала

1. Какими ионами обусловлена жесткость воды и в каких единицах она измеряется?

2. Назовите виды жесткости воды.

3. Почему необходимо устранять жесткость воды?

4. Как влияют соли, придающие воде жесткость, на организм человека?

5. Как понизить жесткость природной воды в быту?

6. Какие способы устранения жесткости воды вы знаете? Подтвердите ответ уравнениями химических реакций.

7. Почему мыло плохо мылится в жесткой воде?

Устранение жесткости воды, временной и постоянной: способы и методы

Что такое жесткость и почему из-за нее образуется накипь?

Необходимо дать несколько тематических определений, чтобы квалифицированно рассматривать актуальные предложения рынка:

  • Основой накипи являются соли магния и кальция. В растворенном виде они не заметны.
  • Наличие таких примесей обозначают уровнем временной жесткости. Этот параметр указывают в мг-экв/ на литр.
  • Одна единица жесткости примерно соответствует концентрации 20 мг/л для кальциевых и 12 мг/л – магниевых соединений.
  • Особенно активен процесс образования накипи при температуре от +75°С до +100°С. По этой причине становится понятной особая важность вопросов устранение жесткости воды в котельном оборудовании. Значимая интенсивность трансформации постоянной и карбонатной жесткости начинается от уровня +40°С.
  • В справочниках применяют несколько градаций, от мягкой до чрезмерно жесткой воды (2 и более 12 мг-экв/л соответственно). Но в специализированных профильных стандартах используют более строгие требования (до 0,1 мг-экв/л).
  • Пористая накипь образует эффективный изоляционный слой. Его теплопроводность в 25-30 раз меньше по сравнению с аналогом из стали. При увеличении толщины таких образований от 1 до 12 мм расход топлива возрастает на 10-60%.
Читайте также:  Что делать, если скучно дома

Внимательное изучение этих данных позволяет сделать несколько важных заключений. Они пригодятся для формулировки требований к параметрам оборудования:

  • Временную и постоянную жесткость воды нельзя определить точно простыми методами. Она способна изменятся при ливнях, паводках, в засушливую пору года. Если техника для защиты от накипи способна автоматически регулировать свою работу, это будет удобно для пользователей.
  • Так как накипь образуется уже при незначительном повышении температуры, следует предотвратить соответствующие процессы во всех частях отопительной системы. При годится также защита посудомоечных и стиральных машин, иной техники, оснащенной встроенными нагревательными элементами.
  • Существенное увеличение расходов на топливо является достаточным основанием для увеличения объема финансирования проекта устранения жесткости воды.
  • Значительное нарушение теплообмена способно создать локальный перегрев вплоть до разрушения соответствующей части котла.

К приведенным критериям надо добавить необходимость выполнения санитарных и гигиенических норм. В любом случае пригодятся: рациональные эксплуатационные расходы, длительный срок службы, надежные гарантии производителя.

Технологии устранения жесткости воды на промышленных предприятиях

Перед изучением соответствующих способов и методов устранения жесткости воды на промышленных предприятиях необходимо отметить, что проблемы водоподготовки решают в комплексе. Нельзя рассматривать исключительно умягчение без учета механических, органических и химических примесей.

Оборудование этой категории рассчитано на большую производительность. Чтобы удалить из большого объема воды взвеси, выпадающие в осадок примеси – используют специальные емкости. Для ускорения процессов очистки применяют принудительную аэрацию.

Повышают эффективность таких операций, добавляя озон. Этот газ является мощным окислителем. В частности, он стимулирует преобразование соединений железа в нерастворимую форму. Его применение уничтожает вирусы и бактерии, иные болезнетворные микроорганизмы, опасные соединения органического происхождения. Достаточно продолжительное воздействие озоном устраняет неприятные привкусы и запахи.

На следующем этапе происходит снижение жесткости воды, т.к. в жидкость добавляют специально подготовленные смеси, содержащие динатрийфосфат, каустическую соду, целлюлозные щелоки. Эти соединения образуют вокруг микрокристаллов солей жесткости оболочки. После такой трансформации они не способны соединятся в крупные образования.

Ниже отмечены некоторые особенности установок водоподготовки и устранения жесткости воды на крупных промышленных предприятиях:

  • Накопительную емкость оснащают датчиками уровня и насосами, поэтому ее наполнение и подача жидкости далее в систему осуществляется автоматически.
  • Озон – это ядовитый газ. Его применяют с точным дозированием, соблюдая правила техники безопасности.
  • Состав смесей, предотвращающих образование накипи, подбирают с учетом результатов лабораторных анализов. Так, например, при высоком коэффициенте окисляемости – коллоиды органического типа не используют. На 1-2 мг-экв/л одного м. куб. воды добавляют 20-40 г кальцинированной соды.
  • Если жидкость берут одновременно из нескольких емкостей, дозировку устанавливают с учетом средневзвешенных параметров.
  • Используют дополнительные добавки для предотвращения образование пены в теплообменнике, блокирования разрушительных процессов коррозии.
  • Накопленные в системе загрязнения удаляют регламентными промывками под высоким давлением. Эту процедуру выполняют 2-3 раза за одну рабочую смену.

Что надо учитывать при оснащении жилых помещений?

Желательно использовать источник, в котором нет лишних примесей. На первый взгляд, такую задачу проще решить городским жителям. Муниципальные службы должны поддерживать параметры, соответствующие действующим нормам СанПиН. Однако их ответственность распространяется только на магистральные коммуникации. Ржавые трубы в здании, квартире – это проблема самих жильцов.

Достаточно сложным является разрешение спорных ситуаций. При авариях в трубопровод может попасть сильно загрязненная вода. Но это может произойти ночью, во время отсутствия хозяев дома. Доказать в суде факт нарушения обязательств обслуживающей организацией будет очень сложно.

В санитарных нормах приведено ограничение – не более 7 мг-экв/л. Эта граница установлена по среднестатистическому порогу чувствительности человеческих органов. Но для техники такая концентрация губительна. При высокой температуре рост накипи может превысить 1-1,5 мм за 30 дней. Через несколько месяцев отопительное оборудование будет выведено из строя.

Владелец загородного участка или промышленного предприятия имеет больше потенциальных методов устранения жесткости содой или, например, химическим способом. Внимательный анализ поможет выбрать из этого списка оптимальный вариант.

Открытые водоемы отличаются большим количеством загрязнений биологического происхождения. Как правило, по их периметру устанавливается природоохранная зона, поэтому придется прокладывать достаточно длинную трассу. В некоторых случаях это будет сделать невозможно.

Колодец вырыть не слишком трудно собственными силами. Такое решение уменьшает финансовые затраты, но не позволяет гарантировать отличный результат. Даже при размещении такого сооружения на пригорке сложно обеспечить качественную фильтрацию. Если же жесткость воды и способы ее устранения для Вас сложны или не подходят, то просто используйте фильтры. Благо, в интернете можно найти рефераты по химии на эту тему. Технологии интенсивного земледелия, промышленные предприятия и автодороги активно загрязняют окружающую среду. Чтобы не совершать ошибок, следует получить профессиональную консультацию в местных экологических, санитарных, архитектурных организациях. Там сообщат о реальной возможности применения данного источника питьевой воды.

Следующий ионитный способ устранения жесткости воды – бурение скважины небольшой глубины (15-25 метров) «на песок». Специфическое название обозначает способ фильтрации. Он выполняется, как и в случае с колодцем, поверхностными слоями. Аналогичными будут ограничения, связанные с относительно высоким уровнем примесей.

Самый лучший результат можно получить с помощью артезианской скважины (глубина – до 200 м). Сюда не проникают загрязнения с поверхности, а значит и устранение жесткости воды может не понадобится. Но именно тут часто залегают известняковые породы, из которых вода вымывает соли магния и кальция.

Какие способы и методы устранения жесткости воды применяют в быту?

Для точного соблюдения правил эксплуатации промышленного оборудования используют не только средства автоматизации, но и специально подготовленный персонал. Опытные сотрудники регулярно проверяют состав загрязнений, корректируют технологические процессы, осуществляют оперативный контроль. В домашних условиях подобные способы устранения временной жесткости воды невозможны. Чтобы оптимизировать затраты и обеспечить высокое качество очистки применяют иные методы.

В городских квартирах, коттеджах и быту первый уровень защиты создают с применением механических фильтров. Ионообменные устройства задерживают песок, ил, ржавчину, другие крупные твердые частицы.

Далее – решают задачи по устранению уровня постоянно жесткости:

  • Набор оборудования с ионообменными смолами применяют для централизованной защиты всего объекта недвижимости.
  • Аналогичные функции выполняют приборы электромагнитной подготовки.
  • Чтобы предотвратить образование накипи только в технике с нагревательными элементами, перед ней монтируют ионообменные фильтры с полифосфатными наполнителями.

Заключительным методом мы обеспечиваем финишное устранение временной жесткости для приготовления пищи. Здесь применяют комплекты из нескольких картриджей. При наличии свободного места – применяют установку обратного осмоса.

Дополнительные рекомендации для выбора подходящего оборудования

Параметры проекта устранения постоянной жесткости воды уточняют с учетом характеристик конкретного объекта недвижимости. В стандартных квартирах нет места для размещения крупных ионообменных агрегатов. Надо не забывать, что при регенерации они издают шум, поэтому пригодится хорошая изоляция технического помещения. Вместо такого комплекта можно использовать современный прибор серии АкваЩит. Достаточно правильно выбрать модель с подходящей дальностью действия. Зная про жесткость воды и способы ее устранения можно сделать правильный выбор.

Применять озон в бытовых условиях надо очень аккуратно. Необходимо помнить об опасности для здоровья большой концентрации этого газа. Так же, с повышенным вниманием, применяют ультразвуковые технологии. Соответствующее излучение высокой мощности способно повредить сварные соединения.

Следует помнить о том, что полифосфатные соединения надо исключить из питьевой воды. Эти вещества способны провоцировать раздражение слизистых оболочек, кожных покровов. Такие фильтры устанавливают перед котлами, которые работают исключительно в составе систем отопления.

Жесткость воды и способы ее устранения

Виды жесткости. Способы умягчения воды

Читайте также:  Как считать отпускные

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:

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

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

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+ + 2HCO3 2- + 2Ca 2+ + 4OH – = Mg(OH)2↓ + 2CaCO3↓ + 2 H2O

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:

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:

Применяются и другие способы устранения жесткости воды, среди которых один из наиболее современных основан на применении катионитовкатионитный 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 2m 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+ + Na2R = 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.

Жесткость воды и ее устранение

Реферат по химии

Тема: “Жесткость воды”

Исполнитель работы: Грабин Павел.

2. Определение жесткости воды. 3

3. Методы устранения жесткости 4

4. Список литературы 6

В пещерах спелеологи встречаются с красивейшими известковыми образованьями – свешивающимися со сводов сталактитами и растущими вверх сталагмитами. С точки зрения химии, возникновение этих удивительных творений природы – это жесткость подземных вод. Понятие жесткости воды мы встречаем не только в спелеологии и в геологии, а, вообще, повсеместно – в химии, техники и даже в быту. И поэтому это понятие очень важно для определения качества воды.

Определение жесткости воды

Жёсткость воды – свойство воды (не мылиться, давать накипь в паровых котлах), связанное с содержанием растворимых в ней соединений кальция и магния, это параметр, показывающий содержание катионов кальция, магния в воде.

Жесткость – это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение. Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях и пр., чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Такой тонкий слой на греющей поверхности вовсе не безобиден, так как продолжительность нагревания через слой накипи, обладающей малой теплопроводностью, постепенно возрастает, дно прогорает все быстрее и быстрее – ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться так, что дно сосуда не выдержит и даст течь. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы

Жесткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает еще и моющие свойства мыла. Катионы Ca 2+ и Mg 2+ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая вода плохо мылится

Существует два типа жесткости: временная и постоянная. Обусловлено это различие типом анионов, которые присутствуют в растворе в качестве противовеса кальцию и магнию.

Временная жесткость связана с присутствием в воде наряду с катионами Ca 2+ , Mg 2+ и Fe 2+ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO3 – ).

Постоянная жесткость (или некарбонатная) возникает, если в растворе присутствуют сульфатные, хлоридные, нитратные и другие анионы, соли кальция и магния которых хорошо растворимы и так просто не удаляются. Общая жесткость определяется как суммарное содержание всех солей кальция и магния в растворе.

В разных странах существуют свои нормы жесткости для воды. У нас в стране вода классифицируется по жесткости таким образом:

– Мягкая вода с жесткостью менее 3,0 мг-экв/л,

– Средней жесткости – 3,0-6,0 мг-экв/л

– Жесткая – более 6,0 мг-экв/мл.

Методы устранения жесткости.

Чтобы избавиться от временной жесткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.

С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO3 неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)3, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.

Читайте также:  Сонник: к чему снятся котята

С постоянной жесткостью бороться труднее. Один из вариантов: вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лед превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жесткость, остаются в не замершей воде.

Еде один способ – перегонка, то есть, испарение воды с последующие ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются, а вода испаряется.

Но такие методы, как замораживание и перегонка пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность же имеет дело с тоннами. Поэтому используют другие методы. Наиболее широко используется катионообменный способ, основанный на применении специальных реагентов – катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия.

С последствием жесткости воды – накипью, с точки зрения химии можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.

В качестве средства для удаления накипи применяются также адипиновая кислота и малеиновый ангидрид, которые добавляются в воду. Эти вещества слабее сульфаминовой кислоты, поэтому для снятия накипи необходимо так же кипячение.

1. Шпаусус З. Путешествие в мир химии – М.: Просвещение, 1967. – 431с.

2. Харлампович Г.Д. и др. Многоликая химия. – М.: Просвещение, 1992.-159 с.

3. Хомченко Г.П. Учебник химии –М.: Новая волна, 1996. – 304с.

Жесткость воды и способы ее устранения

§ 68. Жесткость воды и способы ее устранения

Вода, прежде чем попасть в колодец или водопроводную сеть, просачивается сквозь почву и насыщается в ней растворимыми солями.

Природные воды содержат сульфаты и бикарбонаты кальция и магния, т.е. катионы Са 2+ и Мg 2+ , анионы SO4 2- и НСО3 – . Вода, в которой содержание ионов Са 2+ и Mg 2+ незначительно, называется мягкой, вода с повышенным содержанием их – жесткой.

При кипячении жесткой воды бикарбонаты разлагаются, образуя нерастворимые карбонаты, например:

Карбонаты осаждаются, и жесткость воды уменьшается. Жесткость, вызываемая содержанием в воде бикарбонатов кальция и магния, называется карбонатной или временной. Жесткость, обусловленная присутствием прочих солей кальция и магния и сохраняющаяся после кипячения воды, называется некарбонатной или постоянной.

Широко известно, что в жесткой воде мыло плохо мылится. Изучим это явление на опыте, взяв в качестве искусственной жесткой воды, например, раствор гипса. Нальем в бюретку разбавленный раствор мыла и будем приливать его понемногу, порция за порцией, к жесткой воде, сильно встряхивая после каждого приливания стакан с жесткой водой. Первые порции мыла будут затрачиваться на образование хлопьевидного осадка, и пены при встряхивании получаться не будет. Только после того, как прекратится образование осадка, появится пена.

Мыла – это натриевые (иногда калиевые) соли органических кислот, и их состав можно условно выразить формулой NaR или KR, где R – кислотный остаток. Анионы R – образуют с катионами кальция и магния нерастворимые соли CaR2 и MgR2. На образование этих нерастворимых солей и расходуется бесполезно мыло. Таким образом, при помощи мыльного раствора мы можем оценить общую жесткость воды, общее содержание в ней ионов кальция и магния.

Для хозяйственно-бытовых нужд требуется вода С незначительной жесткостью. При кипячении жесткой воды образуется накипь. В жесткой воде плохо развариваются мясо, овощи, крупа. При стирке тканей жесткой водой образующиеся нерастворимые соединения осаждаются на поверхности нитей и постепенно разрушают волокна.

При питании паровых котлов жесткой водой образуется накипь. Накипь затрудняет нагревание воды, вызывает увеличение расхода топлива, ускоряет изнашивание стенок котла (рис. 57).


Рис. 57. Разрез трубы водяного отопления. Просвет почти забит накипью

Для понижения жесткости воды применяют различные методы. Перед направлением в паровой котел воду предварительно нагревают, чем устраняют временную жесткость. Для питания котлов высокого давления в настоящее время часто применяют перегнанную (дистиллированную) воду. Для понижения жесткости воды используют химические методы, приводящие к переводу ионов кальция и магния в состав нерастворимых солей, обычно в карбонаты.

Карбонатную жесткость устраняют добавлением известкового молока:

Некарбонатная жесткость устраняется добавкой соды:

Природную воду, содержащую ионы кальция Са 2+ и магния Mg 2+ , можно смягчить, освободить от этих ионов, заменив их, например, ионами натрия, при помощи ионообмена. Для этого воду на станциях водоочистки пропускают через ионнообменную колонку с катионитом, содержащим подвижные ионы Na + . Ионы кальция и магния удержатся в катионите, а в воду перейдет из катионита эквивалентное количество безвредных ионов натрия:

Методы устранения жесткости воды.

1.Термический метод. Связан с нагревом воды, снижает только временную (карбонатную) жесткость. В промышленности его используют лишь при наличии дешевых источников тепла (на ТЭЦ, например).

Основан на смещении углекислотного равновесия при нагревании воды в сторону образования карбоната кальция:

Са(НСО3)2СаСО3↓ + СО2↑+ Н2О

Растворимость газов падает при повышении температуры, при кипячении воды из нее устраняется углекислый газ.

В качестве реагентов используют известь, кальцинированную соду, гидроксиды натрия и бария, ортофосфат натрия. Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости. Кальцинированную соду применяют, если карбонатная жесткость немного больше некарбонатной. Фосфатирование применяют для доумягчения воды до значений 0,02-0,03 мг-экв/л.

3. Термохимический метод. Умягчение осуществляют с применением извести и соды или едкого натра и соды при температуре воды более 100° С (до 165° С). Термохимический метод умягчения применяется в основном при подготовке воды для питания котлов. Только в этом случае утилизируется почти все тепло, затраченное на подогрев воды.

4.Умягчение воды диализом (метод нанофильтрации) основан на разделении растворенных веществ с различными молекулярными массами под действием разных скоростей диффузии через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Растворенные вещества (соли жесткости) диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора, растворитель (вода) диффундирует в обратном направлении. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро- и ацетатцеллюлозными пленочными мембранами. Достаточно дорогой способ умягчения воды, требует предварительной очистки воды. При диализе происходит удаление из воды всех солей, в том числе необходимых человеку микроэлементов.

5. Магнитный метод.Механизм воздействия магнитного поля на воду окончательно не выяснен. Существующие гипотезы объясняют влияние магнитного поля на деформацию ионов, их сближение и образование центров кристаллизации; воздействие на коллоидные примеси в воде; влияние на структуру воды. Сущность метода заключается в том, что при воздействии магнитного поля накипь образуется не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки легко удаляются. Метод эффективен при обработке кальциево-карбонатных вод.

6. Метод ионного обмена основан на обмене между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита. В качестве ионитов могут использоваться неорганические и органические материалы, способные к обмену ионов и практически нерастворимые в воде. К неорганическим природным ионитам относят цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, гидрослюды (глауконит). Органические природные иониты – это гуминовые кислоты почв и углей. К органическим искусственным ионитам относят ионообменные смолы с развитой поверхностью. Синтетические ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами.

Иониты имеют плохо связанные с основной структурой материала подвижные, способные к обмену катионы (H + илиNa + ) или анионы (OH ) и прочно связанные между собой высокомолекулярные ионыR. В процессе ионообменного умягчения воды происходит замена ионовH + ,Na + илиOH на ионы жесткости:

Применяя совместное HNa-катионирование, можно получить остаточную жесткость в пределах 0,05-0,005 мг∙экв/л.

7.Метод перегонки – испарение воды с последующие ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются, а вода испаряется.

8.Криогенный метод– вымораживание льда. Вода постепенно замораживается, когда остается примерно 10 % жидкости от первоначального количества, незамерзшая вода сливается, а лед оттаивается и превращается обратно в воду. Все соли, которые образуют жесткость, остаются в незамерзшей воде.

Методы замораживания и перегонка пригодны только для смягчения небольшого количества воды.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...