Жёсткость воды и методы её умягчения

Методические указания к самостоятельной работе

по дисциплине ''Химия'' для студентов нехимических специальностей

КУРСК 2005

Составители: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи

УДК 546

Жёсткость воды и методы её умягчения : Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ''Химия'' для студентов нехимических специальностей / Курск. гос. техн. ун-т. Сост.:, И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи Курск, 2005. 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.

Библиогр.: 6 назв.

Рецензент канд. хим. наук, доцент кафедры химии В. С. Мальцева

ЛР № 020980 от 09. 12. 96. ПЛД № 50-25 от 01. 04. 97.

Подписано в печать . Формат 60х84 1 / 16. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 0,62. Уч.-изд. л. 0,67. Тираж 50 экз. Заказ .

Курский государственный технический университет.

Подразделение оперативной полиграфии Курского государственного технического университета.

Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 305040 Курск, ул. 50 лет Октября 94.

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?

Природная вода является сложной многокомпонентной системой, в которой содержатся в растворенном виде различные органические и неорганические соединения.

Содержащиеся в воде вещества условно можно разделить на пять групп :

1) Главнейшие ионы.

Катионы: Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ (реже Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺);

Анионы: HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, CO₃^2- (реже HSiO₃^-, SO₃^2-, S₂O₃^2-).

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 1л воды. Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию в воде 20,04мг/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 + H₂O + 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 130мэкв/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 м³ 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 воде:

250 × 1000 / 5 ×1000 = 50 (мг/л) ионов Са²⁺

и 135 × 1000 / 5 × 1000 = 27 (мг/л) ионов Mg²⁺.

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.

N₁•V₁ = N₂•V_2, (1)

где N₁ и N_{2 –} нормальность растворов 1 и 2, моль-экв/л

V₁ и V_{2 –} объём растворов 1 и 2, мл

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.