Жесткость воды и методы ее устранения

Жесткость воды и методы ее устранения
Содержание в природной воде солей кальция и магния оценивают
понятием “жесткость”. При этом различают жесткость временную и
постоянную.
Временная (карбонатная) жесткость обусловлена присутствием в воде
гидрокарбонатов кальция, магния – Ca(HCO3), Mg(HCO3)2. Временной она
называется потому, что может быть устранена простым кипячением воды;
гидрокарбонаты при этом разрушаются, и нерастворимые продукты их
распада оседают на стенках сосуда в виде накипи. По цвету накипи можно
оценить содержание ионов железа в потребляемой воде. Если ионы железа
присутствуют – осадок приобретает бурый цвет, при их отсутствии накипь
имеет белый цвет.
Постоянная
(некарбонатная)
жесткость
воды
обусловлена
присутствием в ней других растворимых солей кальция и магния, чаще всего
их хлоридов и сульфатов. Из них особое значение имеет малорастворимый
сульфат кальция – CaSO4, который оседает в виде очень плотной накипи
(CaSO4∙1,5 2H2O – гипс).
Количественная оценка жесткости воды – это миллимолярная
концентрация эквивалента ионов магния и (или) кальция (или
соответствующих их солей) в воде.
Расчет жесткости можно провести по формуле:
Ж
m
э
103
103 миллимоль / л
М V
V
э
В ВА
(1)
H 2O
где миллимоль/л в дальнейшем обозначается как ммоль/л, (в
литературе раньше обозначалось мг-экв/л);
mв-ва – масса ионов Mg2+, Ca2+ или их солей, г;
МЭ – молярная масса эквивалента ионов Mg2+, Ca2+ или их солей,
г/моль;
эквивалентное количество ионов или солей, моль;
Э
V – объем воды, содержащей соли жесткости, л;
103 – пересчетный коэффициент, миллимоль/моль.
Сумма временной и постоянной жесткости определяет общую жесткость.
Жобщ. = Жвр. + Жпост.
(2)
По жесткости (ммоль/л) воду разделяют на:
очень мягкую
0-1,5;
средней жесткости
3-4,5;
довольно жесткую
4,5-6,5;
жесткую
6,5-11;
очень жесткую
> 11.
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
1
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 привести к взрыву котла.
Так как паросиловое хозяйство существует при многих
промышленных предприятиях и на транспорте, вопрос о жесткости воды
практически весьма важен.
Жесткая
вода
оказывается
непригодной
для
проведения
технологических процессов ряда отраслей промышленности. Пользование ею
затрудняет стирку белья, мытье волос и другие операции, связанные с
потреблением мыла. Обусловлено это нерастворимостью солей Са2+ и
Mg2+ и входящих в состав мыла органических кислот, из-за чего, с одной
стороны, загрязняются отмываемые предметы, с другой – непроизводительно
расходуется мыло.
Жесткость отдельных естественных вод колеблется в широких
пределах. Для открытых водоемов она часто зависит от времени года и даже
погоды. Наиболее “мягкой” природной водой является атмосферная (снег,
дождь), почти не содержащая растворенных солей. Жесткую воду
предварительно умягчают, то есть уменьшают концентрацию солей
жесткости. Известны различные способы уменьшения жесткости воды, или
умягчения (термические, реагентные и ионного обмена).
При решении задач, связанных с жесткостью воды, необходимо
представлять химическую реакцию, лежащую в основе определения
жесткости или ее устранения. Пользуясь уравнением (1), можно определить
устраняемую жесткость.
Для расчета массы реагентов в процессе устранения жесткости наиболее
удобно пользоваться законом эквивалентов:
mMe 2
M Э ( Me 2
)
mосадителя
М Э ( осадителя )
Э
Ж VH 2O 10
3
(3)
mМе2+ - масса ионов Са2+ и Mg2+, г;
МЭ(Ме2+)- эквивалентная масса соответствующих ионов, г/моль;
mосадителя – масса реагента, используемого в качестве осадителя, г;
МЭ(осадителя) – его эквивалентная масса, г/моль;
– эквивалентное количество, моль.
Э
Поскольку в реагентных методах часто реагенты применяются в виде
растворов с известной концентрацией, то для расчета их количества часто
используют закон эквивалентов для растворов:
где
Сн.солей жестикости) VH O = Cн.(осадителя) V р-ра(осадителя)
(4)
Ж 10-3 VH O = Cн.(осадителя) V р-ра(осадителя) ,
(5)
2
2
где Cн. - нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента),
моль/л.
2
Примеры решения типовых задач
Пример I. Жесткость некоторого образца воды обусловлена
присутствием только гидрокарбоната кальция. При кипячении 200 мл воды в
осадок выпало 3 мг карбоната кальция. Чему равна временная жесткость
воды?
Решение.
Уравнение реакции:
Дано
Ca(HCO3)2 = CaCO3 +CO2 + H2O
V H O =200мл
Согласно формуле (1)
m CaCO =3мг
m CaCO
Ж= –––––––––––––– 103
Ж=?
Mэ(CaCO ) V H O
M CaCO
Mэ(CaCO )= ––––––
3 10-3 103
2
Ж= –––––––––––– = 0,3 ммоль/л
50 0,2
2
3
3
3
3
2
3
Пример 2. При титровании 100 мл воды было израсходовано 7,5 мл
раствора трилона Б, концентрацией 0,05 моль эквивалента/л. Определить
жесткость воды.
Решение. Уравнение реакции записывается схематически:
Me2+
NaOOH2C—N—CH2COOH
OOCH2C—N—CH2COONa
|
/
|
CH2
/
CH2
+
|
→ Me
|
+ 2Н+
CH2
\
CH2
|
\
|
NaOOH2C—N—CH2COOH
OOCH2C—N—CH2COONa
Дано
Используем закон эквивалентов для растворов (5)
V H O =100 мл
Сн(Тр.Б) VТр.Б
Ж = ––––––––––––––– 103
VHO
2
VТр.Б = 7,5 мл
2
Сн.Тр.Б = 0,05моль/л
0,05 7,5
Ж = –––––––––––––– 103 = 3,75 ммоль/л
100
3
Пример 3. Прямоточный паровой котел производительностью 400 т пара в
час питается водой с временной жесткостью 1 ммоль/л. Определить массу
накипи, оседающей в котле в течение 1 часа, принимая состав выпадающего
осадка в виде CaCO3
Решение.
Дано
m (пар) =400т
Ca(НCO3)2
CаСO3 + CO2 + H2O
H2O
Жвр = 1 ммоль/л
= 1 час
mH O
VH O= ––––––
2
2
H2O
кг/м3
V H O =400 м3
В соответствии с уравнениями (1) и (3)
m CaCO = MЭ(CaCO ) V Ж 10-3
m CaCO = 50г/моль 400 м3 1000 л/м3 1 ммоль/л 10-3 =
= 20000г = 20 кг
H2O
2
3
3
3
4