Исследовательская работа Сравнительный анализ химических способов устранения накипи в домашних условиях

Международный Фестиваль «Звезды Нового Века» - 2014
Естественные науки (от 11 до 13 лет)
Исследовательская работа
Сравнительный анализ химических способов
устранения накипи в домашних условиях
Автор:
Батаногов Никита, 12 лет
Ученик 6»Б» класса
МБОУ Июльская СОШ
Воткинского района
Удмуртской республики
Руководитель:
Загребина Анастасия Павловна,
учитель химии
МБОУ Июльской СОШ
Воткинского района
Удмуртской республики
С. Июльское
2013г
СОДЕРЖАНИЕ
Ведение
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3
1. Накипь
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4
1.1 Виды накипи .
.
.
.
.
.
.
.
4
2. Способы борьбы с накипью
.
.
.
.
.
.
7
3. Вред от накипи
.
.
.
.
.
.
.
9
Экспериментальная часть .
.
.
.
.
.
.
10
Результаты
.
.
.
.
.
.
.
.
.
11
Выводы
.
.
.
.
.
.
.
.
.
12
Заключение .
.
.
.
.
.
.
.
.
13
Список литературы .
.
.
.
.
.
.
.
14
Приложение .
.
.
.
.
.
.
.
15
.
.
2
ВВЕДЕНИЕ
Практически
образованием
каждый
из
нас
сталкивался
с
проблемами,
накипи. Достаточно привести примеры с
связанными
с
«зарастанием» ТЭНов
стиральных машин или водонагревателя. Образование капель известкового налета на
поверхности хромированных кранов и смесителей в ванной и кухне, появление белого
налета на посуде.
Актуальность. Промышленность предлагает потребителю ряд средств, которые
уменьшают жёсткость воды, а так же разрушают накипь. Некоторые из них аллергичны,
не так дешевы, качество и цена не соответствуют друг другу. Не все средства в
одинаковой степени рекламируют в средствах массовой информации. Продолжающаяся
агрессивная реклама в СМИ калгона, калгонита и других средств, умягчающих воду,
заставляют вновь поднимать вопросы: что это, почём и не будет ли хуже. Проблема
образования накипи знакома большинству населения, но не каждый знает, что именно
собой представляет накипь и почему она так пагубно влияет на нагревательный элемент
стиральной машины.
Цель: сравнить и
выявить эффективность химических средств, применяемых
обычно в быту для устранения накипи.
Задачи:

Изучить литературу по теме;

Провести химический эксперимент по выявлению эффективности
средства в устранении накипи.

Определить химическую сущность процесса разрушения накипи;
Гипотеза: Существуют средства для удаления накипи, которыми мы пользуемся в
домашних условиях, но эффективность этих средств различна.
Объект
исследования:
накипь,
полученная
со
стенок
электрического
водонагревательного бака.
Предмет исследования: Разрушение накипи под действием средств: лимонной
кислоты, уксуса (9%), картофельный сок, жидкость Антинакипин (ООО «Химбытсервис»,
«Антинакипь» (ЗАО «СХЗ», г. Ступино),
газированный напиток Sprite.
3
сода питьевая, щавелевая кислота,
Методы: работа с литературными источниками информации, эксперимент,
наблюдение анализ и обобщение полученных результатов.
4
Обзор литературы
1. НАКИПЬ
В природе чистая вода не встречается, так как, взаимодействуя с минералами, она
частично растворяет их. Поэтому в воде всегда присутствуют различные соли, которыми
придают ей неповторимый вкус. Самая чистая в природе — дождевая вода, но и она
содержит незначительные количества различных примесей, захваченных из воздуха.
Достаточно чиста и родниковая вода: ведь она фильтруется, проходя через различные
породы. В воде очень часто встречаются катионы кальция и магния, потому что эти
элементы одни из самых распространенных в земной коре.
Накипь – это твёрдые отложения, образующиеся на внутренних стенках труб
паровых котлов, водяных экономайзеров, пароперегревателей, испарителей и др.
теплообменных аппаратов, в которых происходит испарение или нагревание воды,
содержащей те или иные соли.[5] По химическому составу преимущественно встречается
накипь: карбонатная (углекислые соли кальция и магния — CaCO3, MgCO3), сульфатная
(CaSO4) и силикатная (кремнекислые соединения кальция, магния, железа, алюминия).
Теплопроводность накипи в десятки, а зачастую в сотни раз меньше теплопроводности
стали, из которой изготовляют теплообменники. Поэтому даже тончайший слой накипи
создаёт большое термическое сопротивление и может привести к такому перегреву труб
паровых котлов и пароперегревателей, что в них образуются отдулины и свищи, часто
вызывающие разрыв труб. Образование накипи предупреждают химической обработкой
воды, поступающей в котлы и теплообменники. Удаляют накипь механическим и
химическим способами. Пример накипи — твёрдые отложения внутри чайников,
самоваров.[7]
Состав накипи отражает так называемую временную (карбонатную) жесткость
воды, которая отличается от ее исходного состава. Накипь, часто окрашенная, на стенках
чайника содержит, соединения Са, Мg, Fе и образуется при разложении растворимых
гидрокарбонатов; кальций и магний осаждаются в виде карбонатов, а железо в результате
реакций гидролиза и окисления образует гидроксиды. В зависимости от содержания в
воде ионов железа, вода может быть от светложелтого до бурого цвета. В кипяченой воде
остаются такие соли, как СаСl2, МgCl2 и т. П [2]
1.1 Виды накипи
Отложения по химическому составу классифицируют на четыре группы:
5
1. щелочноземельные;
2. сложные силикатные;
3. железные;
4. медные.
В первую группу входят карбонатные, сульфатные, силикатные, фосфатные накипи
с преобладанием до 90% по массе CaCО3, CaSО4, CaSiO3, 5CaO ⋅ 5SiO2 ⋅ H2O, Ca3(PO4)2,
Mg(OH)2.
Карбонатная
накипь –
CaCО3 откладывается
обычно
в
форме
плотных
кристаллических отложений на тех поверхностях нагрева или охлаждения, где
отсутствует кипение воды, а среда – нещелочная (водяные экономайзеры, конденсаторы
турбин, водоподогреватели, питательные трубопроводы, тепловые сети). В условиях
кипения щелочной воды CaCО3 выпадает в виде шлама.[8]
Сульфатная накипь CaSО4 – характеризуется высокой твердостью и большой
плотностью.
Силикатная накипь CaSiO3 – образует твердую, прочную накипь.
Во вторую группу входят сложные силикатные накипи, имеющие разнообразный
минералогический состав – обусловлено способностью кремниевой кислоты образовывать
накипи не только с катионами кальция и магния, но и с катионами алюминия, железа,
натрия и др. В химическом составе накипей второй группы содержится: 40–50%
кремниевой кислоты; 25–30% оксидов железа, меди, алюминия; 5–10% оксида натрия; 1–
3% щелочноземельных металлов (% по массе). Накипи второй группы характеризуются
разнообразием структур – от пористых и комковых отложений до твердых и плотных
образований, ровным слоем покрывающих металлическую поверхность.
В третью группу входят: железофосфатные накипи – NaFePO4, Fe3(PO4)2;
железоокисные накипи, состоящие в основном из окислов железа Fe3O4 70–90% и 5–8%
Cu (по массе).
Железофосфатные накипи образуются при повышении содержания фосфатов и
железа в котловой воде и при низкой щелочности воды. Эти накипи откладываются на
внутренних
поверхностях
парообразующих
труб.
Железофосфатные
накипи
характеризуются как рыхлые накипи.
Железокислые
накипи образуются
в
зонах,
характеризующихся
высокими
тепловыми нагрузками. Эти накипи откладываются на поверхности труб сплошным
слоем, либо отдельными чешуйками, сцементированными друг с другом.
Четвертая группа – медная накипь. Содержит 70–90% металлической меди – Cu.
Медная накипь образуется при повышении содержаний соединений меди в питательной
6
воде на участках парогенерирующих труб с высокой тепловой нагрузкой ≥ 840 тыс
кдж/м2ч, а также в местах глубокого упаривания котловой воды. Эта накипь
откладывается в виде слоистых образований. Верхний слой, омываемой котловой водой,
содержит наибольшее количество металлической меди (70–90% по массе), последующие
слои по мере приближения к поверхности содержат все меньшее количество меди (10–
25%) при одновременном возрастании окислов железа, кремниевой кислоты, фосфатов
кальция и других компонентов.[8]
7
2. СПОСОБЫ БОРЬБЫ С НАКИПЬЮ
Образование накипи предупреждают химической обработкой воды, поступающей в
котлы и теплообменники. Сущность метода химической очистки заключается в том, что
при контакте кислоты с карбонатом кальция, мы имеем химическую реакцию, в
результате которой трудно растворимый карбонат кальция разлагается на составляющие,
которые не образуют накипь.
Поиск способов очистки показал, что наиболее эффективной является химическая
очистка. Поэтому становится актуальным поиск создания химического раствора для
промывки теплоэнергетического оборудования. [9]
Недостатком химической обработки воды является необходимость подбора воднохимического режима и постоянного контроля за составом исходной воды. Также при
использовании данного метода возможно образование отходов, требующих утилизации.
Преимущества:

Дёшево.

Может не только не допустить образование накипи, но и удалить ту, которая была.
Химическую очистку, возможно, применять, не разбирая полностью котел или
теплообменник. Но при этом существует опасность, что слишком длительное
воздействие кислоты может повредить металл котла, а более короткое воздействие
недостаточно очистит поверхности.
Физические способы удаления накипи: механический и ультразвуковой.
Ультразвуковая технология выделяется в этом ряду тем, что обеспечивает
одновременное
воздействие
на
образование
накипи
несколькими
различными
механизмами. Так, при озвучивании воды ультразвуком достаточной интенсивности
происходит разрушение, раскалывание образующихся в нагреваемой воде кристаллов
солей жесткости. В результате значительная часть кристаллов не достигает размеров,
требуемых для осаждения, и процесс формирования накипи на теплообменной
поверхности замедляется.
Следующим механизмом воздействия ультразвуковой технологии на образование
накипи служит отталкивание от теплообменной поверхности кристаллов солей и
замедление их осаждение.
Изгибные колебания теплообменной поверхности разрушают так же уже
сформированный
слой
накипи.
Это
разрушение
8
сопровождается
отслоением
и
откалыванием кусочков накипи. При значительной толщине слоя образованной ранее
накипи относительно диаметра водопроводящих каналов существует опасность их
засорения и закупорки. Поэтому одним из основных требований успешного применения
ультразвуковой
технологии
является
предварительная
очистка
теплообменных
поверхностей от сформированного до установки ультразвуковых устройств слоя
накипных отложений.
То есть, наблюдаются два эффекта от ультразвуковой обработки воды:

препятствование образованию накипи и

разрушение уже сформированного слоя накипи.
Схожее действие наблюдается и при воздействии
магнитные преобразователи
воды. Вода проходит через магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами.
Вызванный специальным расположением магнитов резонанс приводит частицы воды к
тесному взаимодействию с частицами примесей. При этом не происходит образования
труднорастворимых карбонатов кальция и магния на поверхности нагревательного
элемента.
Вредные вещества остаются в толще воды и выносятся вместе с ней в дренаж.
Более того, ионы кальция из уже выпавшей накипи начинают отрываться и
присоединяться к образованному веществу. Со временем старая накипь разрыхляется и
полностью вымывается с поверхности нагревательных элементов.
При механической очистке существует опасность повредить защитный слой
металла или даже само оборудование, поскольку для очистки котел или теплообменник
требуется разобрать полностью или частично. Без сомнения это весьма затратный метод,
т. к. часто стоимость простоя оборудования намного выше стоимости очистки.
Технологический способ
Интенсивность образования накипи на нагревательном элементе напрямую зависит
от степени нагрева воды, т.е. чем выше температура воды, тем больше образуется накипи
на тэне. Этот факт учитывают производители стиральных машин, создавая новые
программы стирки, при которых загрязнения очищаются в слегка подогретой воде (4050градусов). Эти разработки вводятся и успешно используются не только для борьбы с
накипью, но и с целью энергосбережения.
Долговечность нагревательного элемента во многом зависит и от нагрузки, которой
подвергается аппарат. [9]
9
3. ВРЕД ОТ НАКИПИ
Накипь значительно ухудшает теплопроводность металла. Из-за дополнительной
теплоизоляции электронагреватель увеличивает свою температуру до установления
нового равновесия вырабатываемого тепла и его отдачи сквозь слой накипи. Поскольку
при повышении температуры сопротивление проводника увеличивается, его мощность
снижается. Следовательно, время на нагрев воды увеличивается — как за счёт замедления
теплопередачи на начальном этапе, так и за счёт постоянного снижения мощности в
рабочем режиме. Количество потреблённой электроэнергии для нагрева одинакового
количества воды до одинаковой температуры при этом почти не меняется (меняется
потребляемая мощность и время нагрева).
Теплопроводность накипи в десятки, а зачастую и в сотни раз, меньше
теплопроводности стали, из которой изготавливают теплообменники. Поэтому даже
тончайший слой накипи создаёт большое термическое сопротивление и может привести к
такому перегреву труб паровых котлов и пароперегревателей, что в них образуются
свищи, часто вызывающие разрыв труб.[1]
Самая главная опасность накипи кроется в том, что она является вредной, и даже
опасной для нашего здоровья. В водопроводной воде обнаружено повышенное
содержание солей жёсткости. Что не может не повлиять на здоровье человека. Мы часто
слышим о том, что большой процент людей ложиться в больницу, а некоторые и умирают
по причине большого содержания камней в почках. Но далеко не каждый из нас
догадывается о том, что большое содержание солей в водопроводной воде и её постоянное
применение, как в обычном виде, так и во время приготовления блюд, постоянно
подвергают организм тяжёлым стрессам. По причине того, что современный ритм жизни
всё чаще и чаще предъявляет повышенные требования , то иммунная система не всегда
может полноценно исполнять свои функции. [6]
Попадая в организм, накипь скапливается в почках, где начинают образовываться
камни. Несмотря на то, что данное предположение не подтверждено учеными, тем не
менее, стоит принять его во внимание. Тем более что врачи советуют пить очищенную
воду. Поэтому, прежде чем кипятить воду, очистите ее от излишних солей. Поможет Вам
проточный фильтр или фильтр-кувшин. Только после этой процедуры жидкость можно
кипятить. [6]
10
ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Реактивы: дистиллированная вода, лимонная кислота, щавелевая кислота,
газированный
напиток
«спрайт»,
картофельный
сок,
питьевая
сода,
средство
«Антинакипь», средство «Антинакипин», уксусная кислота (9%).
Оборудование: пробирки, электрическая плитка, мерная ложка;
Ход работы: Подготовили растворы согласно инструкции:
В девять пробирок засыпаем собранную и измельченную накипь 1 глазную
лопаточку с водонагревательного ТЭНа.
Мы выбрали 5 способов широко представленные в средствах массовой
информации и для сравнения взяли два средства промышленного производства. В девятой
пробирке накипь залита дистиллированной водой (контроль)
В пробирку №1 заливаем «Антинакипь» по инструкции.В пробирку №5
В пробирку №2 заливаем раствор лимонной кислоты, приготовленный по
следующему методу: На 1 литр горячей воды добавляем 1 пакетик (50грамм) лимонной
кислоты. Дать постоять 2 часа.
В пробирку №3. К накипи приливаем воды и столового уксуса в объеме
2:1
соответственно.
В пробирку №4 Заливаем накипь напитком «Спрайт», 5-6 мл. Этот газированный
напиток, не имеет красителей и содержит слабые кислоты.
В пробирке №5 На 1 литр воды и добавить 2, 5 мл средства по инструкции, ждать
1,5-2 часа.
Картофелину
натерли
на
терке
и
профильтровали
отжатый
сок
через
фильтровальную бумагу. Полученную жидкость добавили в пробирку №6 к содержащейся
в ней накипи.
В пробирку №7 залили раствор, приготовленный из расчета 1 литр кипятка (вода
дистиллированная) и 3 ст. л. соды питьевой (NaHCO3). Когда вода остынет, примерно
через полчаса снова вскипятить воду. Потом эту воду вылить, и залить горячую воду с
добавленной в нее уксусной эссенцией (1-2 ч. л.). Дать постоять 2 часа.
В пробирку №8 заливаем раствор щавелевой кислоты, приготовленный по
следующему методу: На 1 литр горячей воды добавляем 1 ст.л. щавелевой кислоты.
Дать постоять 2 часа.
В пробирке №9 (контроль) накипь залита дистиллированной водой.
11
12
РЕЗУЛЬТАТЫ
Взятая нами накипь, содержащаяся водонагревательном ТЭНе (Приложение 1.
Рис.1 и рис.2), имеет цвет от белого до грязно-оранжевого, что связано с присутствием в
составе накипи ржавчины.
Очевидно, что
помимо образования накипи в ТЭНе,
протекали и коррозионные процессы.
В ходе эксперимента можно отметить, что начинает активно идти химическая
реакция, (в виде выделения пузырьков газа), в пробирках где к накипи добавляли уксус,
уксус и соду, средство «Антинакипь»; по общему уравнению, которое можно представить
в виде следующей схемы: HR + CaCO3 → CaR (растворимая соль) + CO2↑+H2O
HR + MgCO3 → MgR (растворимая соль) + CO2↑+H2O;
Значительно медленнее протекает реакция с лимонной и щавелевой кислотой;
Практически не происходила реакция в растворе с картофельным соком; В
растворе газированного напитка спрайт можно увидеть активное выделение газа, но это
возможно распад , содержащейся в напитке угольной кислоты, выражается уравнением
реакции: Н2СО3 →Н2О + СО2↑. Однако, со временем мы визуально отмечаем
уменьшение количества накипи;
Количественно определить остаток накипи нельзя в условиях нашей лаборатории,
т.к. масса очень мала и нет возможности достоверно точно определить массу остатка,
через 2 ч. эксперимента.
Следует отметить, что взятая нами накипь была довольно
застарелой, что существенно снижает скорость ее разрушения. В источниках литературы
упоминается, что при возникновении накипи необходимо сразу её удалять, в запущенных
случаях ее устранение усложняется.
Количество остатка накипи спустя 2 ч.
отфильтровали и высушили, визуально сравнивая с контрольным опытом. Подробнее с
результатом можно ознакомиться в Приложении 1 Рис3. Количество выраженно в
процентах относительно контроля количество, которого взято за 100%.
Для сравнения провели воздействия Антинакипь (ЗАО «СХЗ», г. Ступино, Россия)
при комнатной температуре(+180С) и при кипячении (+1000С).
Пробирка, которая
кипятилась, через 15 минут от накипи остались лишь следы.
Все методы относятся к химическим способам, физические методы, такие как
абразивная чистка) не применялись, в связи с заявленной темой и целью работы.
13
ВЫВОДЫ
Исходя из полученных результатов, можно сделать следующие выводы:
1. Лучшим средством по удалению накипи является уксусная кислота, а также средство
Антинакипь (ЗАО «СХЗ», г. Ступино);
2. Недостатком уксусной кислоты является неприятный запах, после ее применения,
необходимо для его устранения еще раз промыть, залить водой и прокипятить до
исчезновения запаха;
3. На втором месте по результативности уксус, средство «Антинакипин» (ООО
«Химбытсервис»);
4. По своей природе все средства являются кислотами или содержат в составе кислоты,
то химическую сущность всех средств можно выразить в виде общей формулы: HR +
CaCO3 → CaR (растворимая соль) + CO2↑+H2O
5. Нагревание увеличивает скорость разрушения накипи;
14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Накипь проявляется не только в виде плавающего осадка на поверхности чая или
кофе. Главным образом мы можем её обнаружить на стенках чайника, либо же на
нагревательных элементах (спирали). Такие образования оказывают негативное влияние
сразу по двум пунктам. Во-первых – страдает сам материал, из которых изготовлены
бытовые приборы, либо нагревательные элементы. Агрессивные свойства солей
оказывают
разрушающее
действие.
Вследствие
этого,
происходит
постепенная
деформация поверхностей, что в конечном итоге приводит к их полному выходу из строя.
Второе негативное влияние накипи на электрочайники заключается в том, что накипь
создаёт определённый слой между водой и нагревательным элементом. Этот слой
замедляет нагрев воды. Чем он толще, тем больше времени необходимо для кипячения
воды в чайнике. Моя гипотеза , выдвинутая вначале работы подтвердилась, нашлось
очень много способов для удаления накипи, но к сожалению не все они достаточно
эффективны и порой не всегда оправдано их частое применение.
Исходя из выводов эксперимента, можно дать следующие рекомендации
обывателю:
 Для электрических чайников желательно, после нескольких раз кипячения воды,
просто притирать мягкой тряпочкой нагревательный элемент и стенки. Это
профилактическая мера, которая избавит вас от необходимости применять другие
средства.
 не рекомендуется использовать механические способы очистки чайника от накипи.
Можно повредить нагревательный элемент или стенки чайника, и он выйдет из
строя. Наиболее эффективны химические способы очистки чайника.
 Слишком частое применение «Химических» способов может негативно сказаться
на резиновых прокладках в приборе и разрушать некоторые металлы в составе
электроприбора;
 Для стиральных машин не рекомендуется частая стирка при высоких температурах;
 В стиральную машину добавляют различные смягчители воды, которые приведут
снижению ее жесткости и как следствие, уменьшение образования накипи.
15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ахманов М. Вода, которую мы пьем.
1.
Качество питьевой воды и ее очистка с помощью бытовых фильтров. СПб.:
«Невский проспект», 2002, 192 с.
2. Габриелян О.С. Учебник химии 9 класс М.: ДРОФА, 2010г.
3. Савина Л.А. Я познаю мир. Химия. М.: АСТ, 2007г.
4. Спенглер О.А.Слово о воде. М.: Гидрометеоиздат, 1980,
5. Химический энциклопедический словарь М. Советская энциклопедия, 1983г., 792с.
6.
Шорыгина Т.А. Беседы о воде в природе: Методические рекомендации М.:ТЦ
Сфера, 2010г, 96с.
7. http://atoll.by/o-vode-nakip-v-vode.xhtml
8. http://www.rosteplo.ru/
9. http://xn--80adicssrjfil7h.xn--p1ai/nakip-prichiny-i-sposoby-ustraneniya
10. http://dobro-est.com/stati/moy-dom/nakip-kak-ochistit-chaynik-utyug-stiralnuyumashinu-i-druguyu-tehniku-ot-nakipi-sredstva-ot-nakipi.html
Иллюстрации:
Фото из личного архива;
Графики автора;
16
ПРИЛОЖЕНИЕ
17
Приложение 1
Рис. 1 ТЭН от водонагревателя, с которого
снималась накипь;
Рис. 2 Вся накипь, снятая с
водонагревательного ТЭНа
Рис. 3 Средства используемые нами как антинакипины
18
Рис.4. Диаграмма, изменения количества накипи, после воздействия средств от накипи;
Рис.5 Электрический чайник до обработки
антинакипином (лимонная кислота)
Рис.6 Электрический чайник после
обработки антинакипином (лимонная
кислота)
19