Для умягчения воды может быть применен метод. Специальные методы для улучшения качества воды

Под умягчением воды подразумевается процесс удаления из нее катионов жесткости, т.е. Са и Мg. Умягчение воды осуществляется следующими методами:

1) термическое умягчение, основанное на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживанием;

2) реагентное, в котором находящиеся в воде ионы жесткости, связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения;

3) ионным обменом, основанным на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы натрия или водорода на катионы кальция и магния;

4) диализ;

5) комбинированный, представляющий различные сочетания перечисленных методов.

Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями.

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 нагревании воды в сторону образования карбоната кальция

Са(НСО 3) 2 → СаСО 3 ↓+СО 2 + Н 2 О

Равновесие смещается за счет понижения растворимости СО 2 , вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить СО 2 и тем самым значительно снизить карбонатную жесткость. Кроме того, снижается жесткость, определяемая сульфатом кальция. Однако, полностью удалить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция все же растворим в воде (18 мг/л). Применяется для этого метода – термоумягчитель. Время пребывания воды в нем 30-45 минут.

Реагентные методы умягчения.

Основаны на обработке воды реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения Мg(ОН) 2 , СаСО 3 , Са 3 (РО 4) 2 и другие, с последующим их отделением в осветлителях. В качестве реагентов используется известь, кальцинированная сода, гидроксиды натрия, бария и другие вещества.

Умягчение воды известкованием применяют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде суспензии в предварительно подогретую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ОН - и Са +2 ионами, что приводит к связыванию растворимого в воде СО 2 с образованием СО 3 -2 и переходу НСО 3 в СО 2 .

СО 2 + 2 ОН - →СО 3 -2 + Н 2 О; НСО3 - +ОН - → СО 3 –2 + Н 2 О

Повышение в обрабатываемой воде концентрации СО 3 –2 и присутствие в ней ионовСа +2 с учетом введенных с известью, приводит к осаждению СаСО 3

Са +2 + СО 3 –2 → СаСО 3 ↓.

Для ускорения процесса одновременно с известкованием применяют коагулирование.

Дозу извести определяют по формуле:

Д и = 28([СО 2 ] /22 +2 Ж к - [ Са +2 ]/20 +Д к /е к + 0.5)

Д к – доза коагулянта, е –эквивалентная масса активного вещества коагулянта,

Выражение Д к /е к – берут со знаком -, если коагулянт вводится ранее извести и +, если совместно или после.

Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом, добавлением избытка реагента - осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимся осадком.

Фосфатирование применяют для доумягчения воды. Остаточная жесткость снижается до 0.02-0.03 мг*экв /л. Фосфатированием достигается также большая стабильность воды, снижение ее коррозионного действия на металлические трубопроводы и предупреждаются отложения карбонатов на внутренней поверхности стенок труб. В качестве фосфатирующего реагента используется гексаметафосфат натрия, триполифосфат натрия. Фосфатный метод умягчения при использовании тринатрийфосфата является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса описывается уравнением:

3Са(НСО 3) 2 /3 Мg(НСО 3) 2 + 2 Nа 3 РО 4 = Са 3 (РО 4) 2 / Мg 3 (РО 4) 2 +6 NаНСО 3 .

Фосфатное умягчение осуществляется при подогреве воды до 105 –150 0 С. Образующиеся осадки Са 3 (РО 4) 2 и Мg 3 (РО 4) 2 хорошо адсорбируют их умягченной воды коллоиды и кремниевую кислоту, поэтому этот метод применяется для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления.

Умягчение воды диализом.

Диализ – метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированные и разбавленные растворы. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро - и ацетатцеллюлозными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы.

Магнитная обработка воды.

В настоящее время для борьбы с накипеобразованием и инкрустацией успешно применяют магнитную обработку воды. Ее суть заключается в действии магнитного поля на ионы солей, растворимых в воде. Под влиянием магнитного поля происходит поляризация и деформация ионов, сопровождающееся уменьшением их гидратации, повышающей вероятность их сближения и образование центров кристаллизации. Сущность метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий, накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки удаляют при продувке.

Умягчение воды катионированием.

Сущность ионного обмена заключается в способности ионитов поглощать из воды положительные и отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. Процесс водообработки методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов – называют катионированием.

Катиониты в воде разбухают, увеличиваются в объеме. Энергия вхождения в катионит различных катионов по величине их динамической активности может быть охарактеризована следующим рядом:

Nа < NН 4+ < К + < Мg +2 < Са +2 < Аl +3

Е р = (Q* Ж и)/(а *h к), где Ж и – жесткость воды; Q – количество умягченной воды, м 3 ;

а – площадь катионитового фильтра, м 2 ; h к – высота слоя катионита, м.

Длительность работы фильтра определяется по формуле:

Т к = Е р * h к /V к *Ж и. где V к – скорость фильтрования воды.

В технике подготовки воды применяют органические катиониты. Они содержат функциональные химические активные группы, Н + которых способны замещаться другими катионами: четвертичные амины NН 3 ОН, сульфогруппы НSО 3 , карбоксильные группы СООН. Группа НSО 3 обладает сильнокислотными, а СООН – слабокислотными свойствами. В зависимости от содержания функциональных групп катиониты делят на слабокислотные и сильнокислотные. Сильнокислотные обменивают катионы в щелочной, нейтральной и кислой среде, слабокислотные – только в щелочной среде. Качество катионитов характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей обменной емкостью. Фракционный состав характеризует эксплуатационные свойства катионита. Рабочая обменная емкость зависит от вида извлекаемых катионов, соотношения солей в умягченной воде, рН, высоты слоя катионита, объема фильтра, режима эксплуатации, удельного расхода регенерирующего реагента.

Натрийкатионирование.

Этот метод применяется для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ н/б 8 мг/л и цветности н/б 30 0 .Жесткость воды снижается при одноступенчатом катионировании до 0.05 –0.1, при двухступенчатом – до 0.01 мг*экв /л. Процесс натрийкатионирования описывается следующими уравнениями:

2 Nа[К] + Са(НСО 3) 2 / Мg(НСО 3) 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 +2 NаНСО 3

2 Nа[К] + СаСl 2 / Мg Сl 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 + 2 NаСl, где [К] – нерастворимая матрица полимера.

После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать.

Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах состоит из следующих операций:

Фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допустимой жесткости в фильтрате;

Взрыхление слоя катионита восходящим потоком воды;

Спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерационного раствора;

Регенерация катионита посредством фильтрования соответствующего раствора;

Отмывка катионита.

Выбор метода диктуется требованиями, предъявляемыми к умягченной воде, Свойствами исходной воды и технико-экономическими соображениями. Регенерация осуществляется 5% раствором хлористого натрия в количестве 1.2 м 3 раствора на 1 м 3 смолы, затем остаточное количество в виде 8% раствора. Процесс регенерации описывается следующей реакцией:

Са[К] 2 / Мg[К] 2 + 2 NаСl↔2 Nа[К] + СаСl 2 / Мg Сl 2

Хлористый натрий применяется из-за его доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получают при этом хорошо растворимые соли СаСl 2 и МgСl 2 , легко удаляемые с регенерационным раствором и водой.

Водород-натрийкатионитовое умягчение воды.

Обработка воды Н-катионированием основана на фильтрации ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов водород.

2 Н[К] + Са(НСО 3) 2 / Мg(НСО 3) 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 +2Н 2 О +СО 2

2 Н[К] + NаСl↔2 Nа[К] + НСl; 2 Н[К] +Nа 2 SО 4 ↔2 Nа[К] +Н 2 SО 4

При Н-катионировании воды значительно снижается ее рН из –за кислот, образующихся в фильтрате. Выделяющийся при Н-катионировании СО2 можно удалить дегазацией и в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию SО 4 -2 и Сl - в исходной воде. Из приведенных реакций видно, что щелочность воды в процессе ионного обмена не изменяется. Следовательно, пропорционально смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со щелочным фильтратом после Nа – катионитовых фильтров можно получить умягченную воду с различной щелочностью. В этом заключается сущность и преимущества Н- Nа – катионирования. Применяют параллельное, последовательное и смешанное Н- Nа – катионирования. При параллельном – 1 часть воды идет через Nа – катионитовый фильтр, другая – через Н-катионитовый. Образующиеся воды смешивают в таких пропорциях, чтобы щелочность не превышала 0.4 мг*экв/л. При последовательном – часть воды пропускают через Н-катионитовый, затем смешивают с остальной водой и подают на Nа – катионитовый фильтр. Это позволяет полнее использовать обменную емкость Н-катионита и снизить расход кислоты на регенерацию. Смешанное катионирование осуществляется в одном фильтре, загруженном вверху - Н-катионитом, внизу - Nа – катионитом.

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

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) → MgC0 3 + С0 2 + Н 2 0,

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

MgC0 3 +H 2 0 → Mg (0H) 2 +C0 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 (P0 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. FeS0 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 (FeS0 4 или FeCl 3 в пересчете на безводные продукты), мг/л; е к - эквивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв (для FeS0 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.

Многие слышали об умягчении жесткой воды и стараются обязательно заказать себе для водоподготовки умягчитель.Так ли это важно и нужно?

Физиологическая норма жесткости указана в СанПиНе 2.1.4.1116-02 на бутылированную воду и составляет от 1,5 до 3,5 ммоль/л. Для бытовой техники требуется еще более мягкая воды, чтобы не образовывалась накипь.

Различают два вида жёсткости:
Карбонатная (временная) - называют потому, что она устраняется кипячением.
Некарбонатную (постоянную) - называют потому, что при кипячении жёсткость не устраняется, но при выпаривании на стенках сосуда образуется в виде накипи светло-белый малорастворимый осадок типа сульфата кальция или магния.Соли MgCl2, CaCl2, MgSO4, содержащиеся в воде с постоянной жёсткостью, вызывают коррозию стальных конструкций и ускоряют износ водонагревательного и отопительного оборудования.При использовании для водона-гревательного оборудования и отопительной техники жёсткой воды образуется накипь из карбонатов кальция и магния, гипса и других солей.Образование накипи затрудняет нагревание воды, вызывает увеличение расхода электричества и топлива.

В жёсткой воде плохо развариваются мясо, овощи, крупа, плохо заваривается чай. При стирке тканей (как и при мытье головы) образующиеся нерастворимые соединения осаждаются на поверхности нитей и постепенно разрушают волокна.

Умягчение воды - процесс удаления из неё катионов жёсткости, т.е. кальция и магния.

Термический метод основан на нагревании воды до температуры выше точки кипения, её дистилляцией или вымораживанием с целью устранения карбоната кальция и карбоната магния. Вследствие применения указанного метода остаточная жёсткость воды составляет не более 0,7 ммоль/л. Поэтому термический метод применяется для технических нужд, в частности при использовании вод,идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами.

При умягчении воды реагентными методами используют реагенты, образующие при взаимодействии с кальцием и магнием малорастворимые соединения с последующим их отделением в осветителях, тонкослойных отстойниках и осветительных фильтрах. В качестве реагентов-осадителей используют известь, кальцинированную соду, гидрооксиды натрия и бария и другие вещества. Выбор реагентов зависит от качества исходной воды и условий её дальнейшего применения. При применении реагентных методов остаточная жёсткость воды составит до 0,7 мг/л. В соответствии с рекомендациями «Строительных норм и правил» (СН и П) реагентные методы в основном используются для умягчения поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды.

Умягчение воды основанное на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану , разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Умягчение воды методом диализа осуществляется в мембранных аппаратах с нитро- и ацетатцеллюлозными плёночными мембранами. В результате применения данного метода остаточная жёсткость воды составит до 0,01 мг/л и ниже. Отрицательной стороной метода диализа является высокая себестоимость мембранных аппаратов.

Магнитная обработка воды - распространена для борьбы с образованием накипи. Сущность метода состоит в том, что при пересечение водой магнитных силовых линий образователи накипи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки (шлам) удаляют при продувке.

Наибольшее практическое применение получил ионообменный метод умягчения воды. Сущность ионообменного метода заключается в способности ионообменных материалов (ионитов) поглощать из воды положительные или отрица-тельные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. В зависимости от состава существуют минеральные и органические катиониты, которые, в свою очередь, разделяются на вещества естественного и искусственного происхождения. В технологии подготовки воды широко применяют органические катиониты искусственного происхождения, так называемые ионообменные смолы. Качество ионообменных смол характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей ёмкостью и др.В установках умягчения воды использует ионообменные смолы, основанные на применении катионита в Na-форме и анионита в Cl-форме, т.е. использует метод натрий - хлор-ионирования. Указанный метод состоит из следующих стадий: натрий-катионирования и хлор-катионирования. На стадии натрий-катионирования происходит замещение ионов кальция и магния, придающих воде жёсткость, на ионы натрия.

В результате обрабатываемая вода умягчается, а кальций и магний образуют нерастворимый полимер. При пропуске натрий-катионированной воды через хлор-аноион протекают реакции обмена анионов, содержащихся в Na- катионированной воде, на ионы хлора и щёлочность обрабатываемой воды снижается. Для восстановления свойств ионообменной смолы (регенерации) используется раствор поваренной соли. Таким образом, достигается глубокое умягчение воды (до 0,03 … 0,05 ммоль/л). При применении метода натрий - хлор-ионирования расходуется только один реагент - поваренная соль, не требуется антикоррозийной защиты оборудования, трубопроводов и специальной арматуры, уменьшается количество оборудования, упрощается контроль работы и эксплуатации водоумягчительной установки. В результате повышается надёжность и уменьшается стоимость установки для умягчения воды. Только пить постоянно такую умягченную

Проблема жесткой воды знакома как городским жителям, так и тем, кто проживает за городом и пользуется водой из скважины или колодца.

Практически вся вода из водопровода имеет в своем составе соли магния и кальция. Именно они отвечает за такой показатель, как жесткость. Чем выше их концентрация, тем жестче жидкость.

Переизбыток солей не только вреден для организма, но и опасен для сантехники, бытовых приборов, труб. Зарастание солями поверхностей изнутри снижает теплоотдачу, приводит к быстрой поломке техники.

По степени жесткости воду делят на:

• мягкую,
• среднюю,
• жесткую,
• сверхжесткую.

Мягкую можно получить только из скважины большой глубины, средняя бежит из наших кранов, а последние две встречаются практически повсеместно и доставляют немало хлопот.

Жесткая вода:

• приводит к отложению камней в суставах и почках,
• вынуждает использовать больше порошка и моющих средств,
• приводит к поломкам различных элементов оборудования, запорной арматуры.

Справиться с проблемой помогут фильтры умягчители . Они заменяют ионы магния и кальция на безопасные ионы натрия.

Современные системы умягчения воды помогут решить проблему эффективно и быстро.

Существует несколько способов сделать воду мягче. Самый простой — кипячение, но полностью избавиться от солей это не поможет.

Раньше в воду добавляли кальцинированную соду или известь, сегодня применяют ортофосфат натрия. Но данный способ требует наличия большого резервуара, постоянного пополнения реагента, утилизацию отходов, а для использования в домашних условиях это совсем неудобно.



Гораздо практичнее и эффективнее ионообменные фильтры, которые могут снизить концентрацию солей до 0,01 мг/л.

Еще один популярный вид фильтров — электромагнитный. В основе его действия – это электромагнитные волны, которые заставляют кристаллы соли изменить свою форму, и жидкость становится мягче.

Качественный фильтр умягчения воды для дачи должен отвечать следующим требованиям:

• иметь возможность технологической промывки, чтобы не допускать быстрого засорения ячеек фильтра (обычно данному требованию соответствуют магистральные фильтры грубой очистки),
• не содержать полифосфаты и другие реагенты (специалисты не рекомендуют использовать реагентные методы для получения питьевой воды),
• работать бесперебойно без контроля с вашей стороны,
• иметь экономный расход электроэнергии.

Последним двум требованиям соответствуют электромагнитные фильтры, уверенно набирающие популярность в России.

Но прежде чем принять решение об установке того или иного оборудования, рекомендуется провести анализ жидкости и обратиться к специалистам, которые подберут оптимальный фильтр умягчения для коттеджа исходя из ваших потребностей и особенностей дома и источника.