Жесткость h2o и способы ее устранения

В природе чистая H₂O никогда не встречается. Она всегда содержит растворенные в себе вещества.

Под жесткостью H₂O понимают совокупность ее свойств, обусловленных содержанием в ней катионов Са²⁺ и Мg²⁺. Если концентрация таких катионов велика, то воду называют жесткой, если мала – мягкой. При стирке белья жесткая H₂O ухудшает качество тканей и требует повышенной затраты мыла, которое расходуется на связывание катионов Са²⁺ и Mg²⁺:

2C₁₇H₃₅COONa + Ca²⁺ = (C₁₇H₃₅COO)₂Ca↓ + 2Na⁺

2C₁₇H₃₅COONa + Mg²⁺ = (C₁₇H₃₅COO)₂Mg↓ + 2Na⁺

В жесткой H₂O с трудом развариваются пищевые продукты, плохо заваривается чай, теряется его вкус. Жесткая H₂O непригодна для использования в паровых котлах, т.к. растворённые в ней соли при кипячении образуют на стенках котлов слой накипи, который плохо проводит тепло. Это вызывает перерасход топлива, преждевременный износ котлов. В связи с этим повышенная жесткость H₂O часто является нежелательной и от нее стараются избавиться.

Катионы Са²⁺ обуславливают кальциевую жесткость, а катионы Mg²⁺ – магниевую жесткость H₂O. Общая жёсткость складывается из кальциевой и магниевой, т.е. из суммарной концентрации в воде катионов Mg²⁺ и Са²⁺ и измеряется в моль-экв/л (1 ммоль-экв/л соответствует 20,04 мг/л катионов Ca²⁺ или 12,16 мг/л катионов Mg²⁺). Вода, в которой общее содержание катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ не превышает 2 ммоль-экв/л, называется мягкой, а вода, в которой общее содержание этих ионов больше 10 ммоль-экв/л – жесткой. Различают также карбонатную и некарбонатную жесткость. Карбонатная жесткость вызвана наличием в H₂O растворимых гидрокарбонатов Са(НСО₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Она легко устраняется кипячением, поэтому иначе ее называют временной жесткостью:

Са(НСО₃)₂ CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

Получившийся кальций-карбонат в данных условиях (t ≈ 100^оС) не разлагается.

Mg(НСО₃)₂ Mg(OH)₂↓ + 2CO₂↑

Продукты данной реакции обусловлены гидролизом солей магния при кипячении.

Устранить временную жесткость можно также добавлением в воду гашеной извести Са(ОН)₂. Этот метод называется известковым:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃↓ + 2H₂O

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

Некарбонатная жесткость H₂O обусловлена наличием в ней других растворимых солей кальция и магния (главным образом сульфатов, хлоридов). От неё избавиться сложнее и поэтому её называют постоянной жёсткостью. От постоянной кальциевой жёсткости можно избавиться добавлением в воду соды Na₂CO₃:

СаСl₂ + Na₂СО₃ = СаСО₃↓ + 2NaCl

Так как МgСО₃, в отличие от CaСО₃, растворим лучше, то, чтобы полностью убрать ионы Mg²⁺ из воды, используют кроме cоды еще и известь:

МgCl₂ + Na₂CO₃ = MgCО₃ + 2NaCl

MgCO₃ + Ca(OH)₂ = Mg(OH)₂ + CaCO₃

Этот метод называется комбинированным или известково-содовым. С его помощью устраняется полная жёсткость H₂O (постоянная и временная).

В последнее время широкое распространение для удаления общей жёсткости H₂O находит метод с применением ионитов – специальных веществ, имеющих полимерную структуру и способных обмениваться катионами и анионами с внешней средой. В их роли часто выступают ионо-обменные смолы, алюмосиликаты.

Если ионит обменивается катионами, то он называется катионитом и состав его можно упрощенно изобразить так: Na₂R, где R^2- – высокомолекулярная частица, несущая отрицательный заряд, Na⁺ – подвижный ион.

Если пропустить H₂O через слой катионита, то ионы Na⁺ будут обмениваться на ионы Са²⁺ и Mg²⁺, которые будут жестко удерживаться ионообменником. Схематически эти процессы можно изобразить так:

Ca²⁺ + Na₂R = CaR + 2Na⁺

Mg²⁺ + Na₂R = MgR + 2Na⁺

После замещения в катионите всех ионов Na⁺ его регенерируют, т.е. восстанавливают ему первоначальные свойства, заместив теперь уже ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ на Na⁺, а затем вновь используют для устранения жёсткости.