Жесткость воды. Жесткая вода
 Скачать 208 Kb.
|
УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫУстранение из воды солей жесткости, т. е. умягчение её, необходимо производить для питания котельных установок, причем жесткость воды для котлов среднего и низкого давления должна быть не более 0,3 мг-экв/л. Умягчать воду требуется также для таких производств, как текстильное, бумажное, химическое, где вода должна иметь жесткость не более 0,7 -1,0 мг-экв/л. Умягчение воды для хозяйственно-питьевых целей также целесообразно, особенно в случае, если она превышает 7мг-экв/л. Применяют следующие основные методы умягчения воды:
Часто методы умягчения применяют комбинированно. Например, часть солей жесткости удаляют реагентным способом, а оставшуюся часть с помощью катионного обмена. Из реагентных методов содово-известковый способ умягчения является наиболее распространенным. Сущность его сводится к получению вместо растворенных в воде солей Са Mg нерастворимых солей СаСО3 и Mg(OH)2, выпадающих в осадок. Оба реагента - соду Na2CO3 и известь Са(ОН)2 - вводят в умягчаемую воду одновременно или поочередно. Соли карбонатной, временной жесткости удаляют известью, не карбонатной, постоянной жесткости - содой. Химические реакции при удалении карбонатной жесткости протекают следующим образом: Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3 + 2Н2О Гидрат окиси магния Mg(OH)2 коагулирует и выпадает в осадок. Для устранения некарбонатной жесткости в умягчаемую воду вводят Na2CO3. Химические реакции при удалении некарбонатной жесткости следующие: Na2CO3 + CaSO4 = CaCO3 + Na2SO4; Na2CO3 + СаС12 = СаСО3 + 2NaCl. В результате реакции получается углекислый кальций, который выпадает в осадок. Реагенты, применяемые при обработке воды, вводят в воду в следующих местах: а) хлор (при предварительном хлорировании) - во всасывающие трубопроводы насосной станции первого подъема или в водоводы, подающие воду на станцию очистки; б) коагулянт - в трубопровод перед смесителем или в смеситель; в) известь для подщелачивания при коагулировании - одновременно с коагулянтом; г) активированный уголь для удаления запахов и привкусов в воде до 5 мг/л - перед фильтрами. При больших дозах уголь следует вводить на насосной станции первого подъема или одновременно с коагулянтом в смеситель водоочистной станции, но не ранее чем через 10 мин после введения хлора; д) хлор и аммиак для обеззараживания воды вводят до очистных сооружений и в фильтрованную воду. При наличии в воде фенолов аммиак следует вводить как при предварительном, так и при окончательном хлорировании. К специальным видам очистки и обработки воды относятся опреснение, обессоливание, обезжелезивание, удаление из воды растворенных газов и стабилизация. Глава 2. Жёсткость воды и методы её устранения 2.1 Определение жёсткости воды Природная вода обязательно содержит растворённые соли и газы (кислород, азот и др.). Присутствие в воде ионов Mg2+ и Са2+ и некоторых других, способных образовывать твёрдые осадки при взаимодействии с анионами жизненных органических кислот, входящих в состав различных мыл (например, со стеарат-ионом С17Н35СОО2-), обуславливает так называемую жёсткость воды. Во всех просмотренных нами научных источниках, понятие жёсткости воды обычно связано с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жёсткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жёсткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na+) таким свойством не обладают. В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жёсткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются:
На практике стронций, железо и марганец оказывают на жёсткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3+) и трёхвалентное железо (Fe3+) также влияют на жёсткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, "вклад" в жёсткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва2+). Чем выше концентрация указанных двухзарядовых катионов Mg2+ и Са2+ в воде, тем вода жёстче. Наличие в воде этих катионов приводит к тому, что при использовании, например при стирке, обычного мыла (но не синтетического моющего средства) часть его расходуется на образование с этими катионами нерастворимых в воде соединений так называемых жирных кислот (мыло представляет собой смесь натриевых и калиевых солей этих кислот): 2С17 Н35 СОО- + Са2+ = (С17Н 35СОО)2Саv 2С17Н 35 СОО- + Мg2+ = (С17Н 35СОО)2Mgv и пена образуется лишь после полного осаждения ионов. 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 жёсткость воды, общее содержание в ней ионов кальция и магния. Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других щёлочноземельных металлов, обуславливающих жёсткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворённого диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий. В маломинерализованных водах больше всего ионов кальция. С увеличением степени минерализации содержание ионов кальция быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния в минерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в солёных водах нескольких десятков граммов. В целом, жёсткость поверхностных вод, как правило, меньше жёсткости вод подземных. Жёсткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Жёсткость - это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение. Для тушения пожаров, полива огорода, уборки улиц и тротуаров жёсткость воды не имеет принципиального значения. Но в ряде случаев жёсткость воды может создать проблемы. При принятии ванны, мытье посуды, стирке, мытье машины жёсткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая. Это обуславливается некоторыми фактами: · При использовании мягкой воды расходуется в 2 раза меньше моющих средств; · Жёсткая вода, взаимодействуя с мылом, образует “мыльные шлаки”, которые не смываются водой и оставляют малосимпатичные разводы на посуде и поверхности сантехники; · Во многих промышленных процессах соли жёсткости могут вступить в химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты. Жёсткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях, чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Накипь является причиной 90% отказов водонагревательного оборудования. Поэтому к воде, подвергаемой нагреву в котлах, бойлерах и т.п. предъявляются на порядок более высокие требования по жесткости. Тонкий слой накипи 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 начнёт протекать. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы. Жёсткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает ещё и моющие свойства мыла. Катионы Ca2+ и Mg2+ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают плёнки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства. А при стирке тканей жёсткой водой образующиеся нерастворимые соединения осаждаются на поверхности нитей и постепенно разрушают волокна. Различают временную и постоянную жёсткость воды. Обусловлено это различие типом анионов, которые присутствуют в растворе в качестве противовеса кальцию и магнию. Временная жёсткость воды обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов, например, гидрокарбоната кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната: Ca(HCO3)2 = СаСО3 v+ СО2^+ Н2О, Mg(HCO3)2 = Мg2 (ОН) 2 СО3v + 3СО2^ + Н2О, и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной. Остальная часть жёсткости, сохранившаяся после кипячения воды, называется постоянной жёсткостью (или некарбонатная). Она обусловлена присутствием в ней сульфатов, хлоридов и других растворимых соединений кальция и магния, которые хорошо растворимы и так просто не удаляются. Также различают и общую жёсткость воды. Она определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жёсткости. Жёсткость воды измеряется в миллиграммах эквивалент на литр (м-экв/л). Обычно, жёсткой вода считается с жёсткостью 1 м-эвк/л и более. Классификация воды по жёсткости
Особенно большой жёсткостью отличается вода морей и океанов. Так, например, кальциевая жёсткость воды в Чёрном море составляет 12 мг-экв/л, магниевая - 53,5 мг-экв/л, а общая - 65,5 мг-экв/л. В океанах же средняя кальциевая жёсткость равняется 22,5 мг-экв/л, магниевая - 108 мг-экв/л, а общая - 130,5 мг-экв/л. 2.2 Методы устранения жёсткости воды Для избавления от временной жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната: Ca(HCO3)2 = СаСО3 v+ СО2^+ Н2О, Mg(HCO3)2 = Мg2 (ОН) 2 СО3v +3СО2^ + Н2О, и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной. 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. Умягчить жёсткую воду можно и обработкой воды различными химическими веществами. Так, временную (карбонатную) жёсткость можно устранить добавлением гашеной извести: Са2+ +2НСО-3 + Са2+ + 2ОН- = 2СаСО3v+ 2Н2О Mg2+ +2НСО-3 + Са2+ + 4ОН- = Mg(ОН) 2v+2СаСО3v+ 2Н2О. При одновременном добавление извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жёсткости (известково-содовый способ). Карбонатная жёсткость при этом устраняется известью (см. выше), а некарбонатная - содой: Са2+ + СО2-3 = СаСО3v Mg2+ + СО2-3 = Mg СО3 и далее Mg СО3 + Са2+ + 2ОН- = Mg(ОН) 2v+СаСО3v Вообще, с постоянной жёсткостью бороться труднее. Кипячение воды в данном случае не приводит к снижению её жёсткости. Для борьбы с постоянной жёсткостью воды используют такой метод, как вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лёд превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жёсткость, остаются в не замершей воде. Ещё один способ борьбы с постоянной жёсткостью - перегонка, т.е. испарение воды с последующей её конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, то они остаются, а вода испаряется. Также, чтобы избавиться от постоянной жёсткости, можно, например, к воде добавить соду: СаСl2 + Na2CO3 = CaCO3 v+ 2NaCl. Также известны методы обработки воды (магнитное и электромагнитное воздействие, добавление полифосфатов или других "антинакипинов"), позволяющие на время "связать" соли жёсткости, не давая им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи. Однако эти методы не нейтрализуют соли жёсткости химически и поэтому нашли ограниченное применение в водоподготовке технической воды. Единственным же экономически оправданным методом удаления из воды солей жёсткости является применение ионообменных смол. Пропуская воду через слой специального реагента - ионообменной смолы (ионита), ионы кальция, магния или железа переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят ионы Н+ или Na+, и вода умягчается, её жёсткость снижается. Но такие методы, как замораживание и перегонка, пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность имеет дело с тоннами. Поэтому для устранения жёсткости в данном случае принимается современный метод устранения - катионный. Этот способ основан на применении специальных реагентов - катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия. Катиониты - синтетические ионообменные смолы и алюмосиликаты. Их состав условно можно выразить общей формулой Na2R. Если пропускать воду через катиониты, то ионы Nа+ будут обмениваться на ионы Са2+ и Mg2+. Схематически эти процессы можно выразить уравнением: Ca2+ + Na2R = 2Na+ + CaR Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, а ионы натрия - из катионита в раствор, жёсткость при этом устраняется. Катиониты обычно регенерируют - выдерживают в растворе NaCl, при участии которого происходит обратный процесс: CaR + 2Na+ = Na2R+ Ca2+ Регенерированный катионит снова может быть использован для умягчения новых порций жесткой воды. С последствием жёсткости 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. Эффективным способом борьбы с высокой жёсткостью считается применение автоматических фильтров-умягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде "жёсткие" соли заменяются на "мягкие", которые не образуют твердых отложений. Автоматический умягчитель представляет собой пластиковый корпус (4) с управляющим блоком (1) и баком для приготовления и хранения регенерирующего раствора (2). Жёсткая вода, поступая в фильтр, проходит через слой засыпки из высококачественной ионообменной смолы (3). При этом происходит изменение химического состава растворённых солей за счёт замены ионов кальция и магния на ионы натрия, которыми насыщена смола. В момент, когда поглощающая способность смолы снижается до определенного уровня, блок управления автоматически начинает цикл регенерации. Периодичность регенерации определяется количеством воды, которое может пройти через умягчитель до его полного истощения, и рассчитывается с учётом множества факторов, таких как параметры смолы, качество воды, величины её расхода и т.д. Сигнал на начало регенерации в управляющий блок подается специальным расходомером. Непосредственно восстановление свойств ионообменной смолы осуществляется при подаче в фильтр водного раствора высокоочищенной поваренной соли (NaCl) за счёт обратного замещения накопленных в смоле ионов кальция и магния на ионы натрия. Затем все загрязнения вымываются из фильтра в дренаж. В зависимости от размеров умягчителя цикл регенерации/промывки может продолжаться до 2-3 часов. Во время регенерации разбор воды производить не рекомендуется, так как на выход будет поступать несмягченная вода. Именно по этой причине большинство одиночных систем (состоящих из одного фильтра с одним блоком управления) запрограммированы таким образом, чтобы регенерация производилась только в ночное время. Современные синтетические смолы чрезвычайно надежны и долговечны, позволяют работать на высоких скоростях потоков, благодаря чему находят применение в системах с высокой производительностью. Срок службы смолы может достигать 6 - 8 лет в зависимости от качества исходной воды (и, как следствие, от количества фильтроциклов). В настоящее время, благодаря большому разнообразию смол, фильтры-умягчители помимо своего основного назначения могут быть использованы также для удаления из воды железа и марганца, тяжелых металлов, органических соединений, а также селективного удаления нитратов, нитритов, сульфидов и т.п. 2.3 Значение жёсткости воды Как мы уже говорили, жёсткость воды определяется содержанием в воде растворенных солей кальция и магния, которые при нагревании выпадают в осадок, образуя налёт, всем хорошо известный как накипь. Сравнительно безобидная на стенках чайника накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин (недаром дорогие модели бытовой техники снабжены встроенными умягчителями). Накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин На бытовом же уровне жёсткость проявляет себя значительным (на 30-50%) перерасходом моющих средств при стирке белья и умывании, а также ухудшением потребительских свойств воды. При кипячении достаточно жёсткой воды на её поверхности образуется плёнка, а сама вода приобретает характерный привкус. При заваривании чая или кофе в такой воде может выпадать бурый осадок, теряется вкусовые качества чая. В жёсткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи невкусны. К тому же диетологами установлено, что в жёсткой воде хуже разваривается мясо. Связано это с тем, что соли жёсткости вступают в реакцию с животными белками, образуя нерастворимые соединения. Это приводит к снижению усвояемости белков. С точки зрения применения воды для питьевых нужд, её приемлемость по степени жёсткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жёсткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус. Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жёсткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жёсткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека. Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жёсткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень строгие требования к величине жёсткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л). К сожалению, далеко не всем известно также о неблагоприятном влиянии жёсткости на здоровье человека при умывании. Связано это с тем, что при взаимодействии солей жёсткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) может происходить образование нерастворимых "мыльных шлаков" в виде пены. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жёстких" волос хорошо известное многим). При этом разрушается естественная жировая плёнка, которой всегда покрыты здоровые волосы и нормальная кожа, забиваются поры, появляются сухость, шелушение, перхоть. Первым тревожным признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых людей раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой, является признаком того, что защитная жировая плёнка на коже цела и невредима. Именно она-то и скользит. В противном случае, приходится пользоваться лосьонами, умягчающими и увлажняющими кремами, необходимые для восстановление защиты. Недаром косметологи рекомендуют использовать для умывания очень мягкую дождевую или талую воду. Как мы уже говорили, «мыльные шлаки» в виде пены, высыхая, остаётся на сантехнике, белье и т.д. В результате, ткань становится грубой и неэластичной; она перестаёт пропускать воздух и влагу. Портится и внешний вид изделия: ткань приобретает серо-жёлтый оттенок, блекнут краски рисунка. Осевшие на ткани "известковые мыла" лишают её прочности. Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жёсткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную ёмкость (щёлочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жёсткостью воды и её коррозионной активностью Список используемой литературы 1. http://www.festival.1september.ru 2. http://www.docs.mytimes.ru 3. http://www.water.ru 4. http://www.bestwater.ru 5. http://www.alhimik.ru 6. Белянин В. Жизнь, молекула воды и золотая пропорция // Наука и жизнь. - 2004г. - № 10. - с. 2-9. 7. Бердоносов С.С., Менделеева Е.А. Химия. Новейший справочник. - М.: «Махаон», 2006г. 8. Кочергин Б.Н. Химический словарь школьника. - Минск: «Народная асвета», 1990г. 9. Потапов В.М., Хомченко Г.П. Химия. - М.: «Высшая школа», 1982г. 10. Ходаков Ю.В., Эпинтейн Д.А. Неорганическая химия, - М.: «Просвещение», 1982г.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||