3. Жесткость воды и методы ее устранения.
В природе чистой воды не бывает: она всегда содержит растворимые, или суспензированные вещества: соли, газы, твердые частицы. Если она имеет некоторые из этих примесей, то она становится непригодна для применения в промышленности и в быту.
3.1 Понятие о жесткости воды. Виды жесткости.
Жесткость воды (13.3) – совокупность свойств, обусловленным содержанием в воде катионов кальция Ca2+, магния Mg2+ (и иногда катионов Fe2+).
В соответствии с этим различают:
Кальциевую жесткость (Ca2+)
Магниевую жесткость (Mg2+)
Общая жесткость воды определяется суммарной нормальной концентрацией (6.7) ионов кальция и магния.
где:
mi — масса вещества, обусловливающего жесткость воды или применяемого для устранения жесткости, мг;
Mэ — эквивалентная масса этого вещества г/моль·экв;
V — объем воды, л.
Общая жесткость воды складывается из временной (карбонатная) и постоянной (некарбонатная) жесткости воды.
Временная жесткость воды (13.4) – жесткость воды, которая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния.
Постоянная жесткость воды (13.5) – жесткость воды, которая вызвана присутствие в воде сульфатов, хлоридов, силикатов, фосфатов кальция и магния.
По значению жесткости (мекв/л) естественную воду различают:
Очень мягкая Ж1.5 |
Жесткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов не должна превышать 7мэкв/л
|
мягкая 1.5Ж4 |
|
средней жесткости 4Ж8 |
|
жесткая 8Ж12 |
Жесткость воды в Черном море, например, 65,5 мэкв/л |
очень жесткая Ж > 12 |
При работе парового котла на жесткой воде его нагреваемая поверхность покрывается накипью. Так как последняя плохо проводит тепло; прежде всего становится неэкономичной сама работа котла: уже слой накипи толщиной в 1 мм повышает расход топлива приблизительно на 5%. С другой стороны, изолированные от воды слоем накипи стенки котла могут нагреться до весьма высоких температур. При этом железо постепенно окисляется и стенки теряют прочность, что может повести к взрыву котла. Так как паросиловое хозяйство существует во многих промышленных предприятиях и на транспорте, вопрос о жесткости воды практически весьма важен.
Жесткая вода оказывается также непригодной для проведения технологических процессов ряда отраслей промышленности. Пользование такой водой затрудняет стирку белья, мытье волос и другие операции, связанные с потреблением мыла. Обусловлено это нерастворимостью солей двухвалентных металлов и входящих в состав мыла органических кислот, из–за чего, с одной стороны, загрязняются отмываемые предметы, с другой – непроизводительно расходуется мыло.
3.2 Методы устранения жесткости воды.
Жесткость воды может быть устранена:
Термическим методом;
Реагентным методом;
Методом ионного обмена;
Комбинированным методом.
Термический метод.
При умягчении воды термическим методом углекислотное равновесие смещено в сторону образования карбоната кальция:
Са(НСO3)2 →СаСO3+ СO2+ Н2O
Mg(HCO3)2 = MgCO3+ CO2+H2O
Кипячением можно полностью удалить СО2 , и тем самым значительно снизить карбонатную жесткость. Однако полностью устранить жесткость не удается, т.к карбонат кальция как и карбонат магния хотя и незначительно, но все же растворимы в воде и подвергаются гидролизу (8.3). Карбонатным методом устраняется частично и сульфатная жесткость (13.1), так как с повышением температуры растворимость CaSO4 уменьшается.
Реагентные методы (наиболее дорогие).
Известкование
Карбонатную жесткость воды можно устранить путем добавления гашеной извести (известкование):
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓+ 2Н2O
Mg(HCO3)2 + Са(ОН)2 = Mg(OH)2↓ + 2СаСО3↓+ 2Н2O
Этим же способом можно удалить и растворенную в воде углекислоту:
СO2 + Са(ОН)2 = СаСO3+ Н2O
Умягчение воды известкованием применяют при высокой карбонатной жесткости и низкой некарбонатной жесткости. Известь вводят в виде известкового молока в предварительно подогретую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ионами ОН- и Са2+, что приводит к связыванию растворенного в воде свободного оксида углерода (IV) с образованием карбонатных ионов, а также способствует переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные:
СO2 + 2OН-→ СО32-+ Н2O
НСO3- + ОН-→ СО32-+ Н2O
Повышение в обрабатываемой воде концентрации ионов СО32- и присутствие в ней ионов кальция с учетом введенных с известью приводит к осаждению малорастворимого карбоната кальция:
Са2+ + СО32-→ СаСO3↓
При избытке извести в осадок выпадает и гидроксид магния:
Mg2++ 2OH-→ Mg(OH)2↓
Известково-содовой метод
Сущность этого метода умягчения воды заключается в одновременном добавлении извести и соды. Этим способом можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жесткости. В этом случае карбонатная жесткость (13.4) устраняется при добавлении в обрабатываемую воду извести, а некарбонатная(13.5) - при добавлении соды:
Сa(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O
Mg(HCO3)2 + Са(ОН)2 = Mg(OH)2↓ + 2СаСО3↓+ 2Н2O
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl
Содово-натриевый метод применяют для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного больше некарбонатной. Если карбонатная жесткость приблизительно равна некарбонатной, то соду можно не добавлять, т.к. необходимое ее количество образуется в результате взаимодействия гидрокарбонатов с едким натром.
Метод фосфатирования
Этот метод применяют для доумягчения воды. После реагентного умягчения известково-содовым методом неизбежно наличие остаточной жесткости (около 2мг-экв/л), которую фосфатным доумягчением можно снизить до 0,02-0,03мг-экв/л. К тому же, фосфатированием достигается большая стабильность воды, снижение ее коррозионного действия на металлические трубопроводы. Фосфатный метод умягчения воды при использовании тринатрийфосфата (фосфорной кислоты) является наиболее эффективным реагентным методом:
3Сa(HCO3)2 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3
3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 = Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3
3CaSO4 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4
Баритовый метод.
Реакции с соединениями бария:
Сa(HCO3)2 + Ва(OH)2 = CaCO3 + BaCO3 + H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ва(OH)2 = Mg(OH)2 + 2BaCO3 + H2O
CaSO4 + Ва(OH)2 = Ca(OH)2 + BaSO4
MgSO4 + Ва(OH)2 = Mg(OH)2 + BaSO4
CaSO4 + BaCO3 = BaSO4 + CaCO3
Методы ионного обмена.
Сущность методов ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов (ионитов) поглощать из воды (раствора электролита) положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита.
Иониты (13.6) — электролиты, в которых один поливалентный ион является нерастворимым, а ионы противоположного знака меняются на ионы окружающего раствора. Материалы, которые обменивают катионы называются катионитами, а которые обменивают анионы – анионитами.
К ионообменным материалам (ионитам) относятся различные ионообменные смолы, сульфоуголь и т. д. в зависимости от того, какие ионы обмениваются.
Для устранения твердости воды используют катиониты, которые обменивают ионы Na+ и H+ на ионы Ca2+ и Mg2+, которые находятся в воде. Эти катионы называются смягчающими, так как соединения, которые образуются, не выпадают в осадок при кипячении, т.е. не дают накипь. Для устранения жесткости воды используют катиониты – синтетические ионообменные смолы и алюмосиликаты, например Na2[Al2Si2O8· n2O].
Схематично реакцию можно записать так:
2[Kat]Na+CaSO4↔[Kat]2Ca+Na2SO4
Если весь Na в катионите заместится на Ca, то катионит перестанет смягчать воду, но его можно легко регенерировать, выдержав в растворе хлорида натрия. Тогда происходит обратный процесс.
Щелочной метод.
Сa(HCO3)2 + 2NaOH = CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 4NaOH = Mg(OH)2 + 2Na2CO3 + 2H2O
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4