Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 16 Апреля 2011 в 12:46, реферат

Краткое описание

Роль воды в жизни и быту человека, в промышленности и сельском хозяйстве трудно переоценить. Об этом достаточно подробно сказано в статье [1]. Здесь мы остановимся на понятии «жесткость воды» - оно широко используется и в быту, и в промышленности.

Содержимое работы - 1 файл

химия таня.doc

— 283.50 Кб (Скачать файл)

Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы. 

Роль воды в  жизни и быту человека, в промышленности и сельском хозяйстве трудно переоценить. Об этом достаточно подробно сказано  в статье [1]. Здесь мы остановимся  на понятии «жесткость воды» - оно широко используется и в быту, и в промышленности. 

   1. Источники водоснабжения

   Вода  — самый распространенный в  природе жидкий минерал. Благодаря  своей уникальной растворяющей  способности она отражает минеральный  состав места рождения, источника  рождения и путь, который пришлось пройти до потребителя.

   

   Вода  в открытых морях и океанах,  куда стекаются все ручьи и  реки, из-за необозримых занимаемых  ею площадей, постоянного перемешивания  волнами и течениями в разных  точках Земного шара не сильно  отличается по составу. За счет минеральных веществ, растворенных во всем ее объеме, и интенсивного испарения морской воде присуща высокая жесткость, впрочем, как и высокое общее солесодержание. Однако этого нельзя сказать о воде ручьев, рек и озер. Состав воды в этих водных источниках чрезвычайно отличается по составу, а жесткость определяется наличием пород, содержащих известняк, с которыми воде пришлось встретиться на своем пути.

   

   Например, воды Риу-Негру (Черной реки) —  крупнейшего притока Амазонки — отличаются исключительной мягкостью и малым содержанием минеральных солей. Это объясняется тем, что в русле реки почти полностью отсутствует известняк, а в воде — растворимые соли. Жесткость воды Риу-Негру составляет порядка 1-20 dH, что соответствует 0,3-0,7 мг-кэкв/л (см. табл. 1). Река течет по болотистым лесам, в нее падают листва и деревья, которые перегнивают в воде. За счет этого в воде содержится большое количество гуминовых кислот и углекислоты, что придает ей высокую кислотность и темно-бурый цвет, который и дал реке название Черная. В ней отсутствуют почти все известные ядовитые вещества (аммоний, нитриты и нитраты). Кроме того, малое содержание минеральных солей снижает электропроводность воды и соответственно приводит к низкому осмотическому давлению. А это затрудняет жизнь растениям и водным организмам.

   

   Можно  привести и другие примеры:  жесткость воды в озере Таньганьика  (Экваториальная Африка) достигает  70-110 мг/л (2,5-3,9 мг-кэкв/л), что свидетельствует  о наличии известняка в залегающих на близлежащих территориях породах.

   

   Вернемся  в наши широты. Вспомните, какое  обилие минеральных вод рождают  недра России. Состав воды в  минеральных источниках настолько  различается, что каждому из  них присваивают собственное  имя или номер.

   

   Напрашивается  вывод: солесодержание, жесткость  — совершенно естественное свойство  воды или, как в последние  годы модно говорить, натуральное  и экологически чистое состояние.  Вопрос совсем не в жесткости  воды, а в том, для каких целей  она используется. В зависимости от этого состав воды целесообразно приводить в соответствие с научно установленными нормами для соответствующего технологического процесса или потребителя. Например, завод по приготовлению питьевой воды в городе Афины штата Огайо сначала чистит исходную воду с жесткостью 300 мг/л методом ионного обмена практически до нуля, а затем смешивает поток очищенной воды с потоком исходной так, чтобы получить питьевую воду с жесткостью 140-150 мг/л (в пересчете на кальций 7-7,5 мг-кэкв/л). Это соответствует принятым в США нормам по содержанию солей жесткости в питьевой воде. По российским нормам на питьевую воду предельно-допустимая концентрация (ПДК) солей жесткости не должна превышать 7 мг-кэкв/л. Таким образом, по принятой во всем мире классификации (см. табл. 1) питьевую воду следует отнести к «жесткой».

   

   Здравый  смысл подсказывает, что в качестве  источника водоснабжения лучше  всего использовать не реку, не  озеро, не колодец, где состав  воды меняется в зависимости  от времени года и непредсказуемого прорыва загрязнений, а обычную воду из магистрального водопровода.

   

   Вода  в городской сети, по крайней  мере, должна фильтроваться, очищаться,  приводиться в соответствие санитарным  нормам, ну и конечно находиться  под постоянным контролем специальных служб городского водоканала.

   

   

   2. Жесткость воды

   Так исторически  сложилось, что техника не всегда  строго следовала терминологии, принятой в базовых, фундаментальных  науках — математике, физике и  химии. Инициативные инженеры, прокладывая новые пути в технике, одновременно сочиняли термины, образовавшие специфичный язык отдельных отраслей (по сути жаргон). Со временем от частого употребления жаргон переродился в профессиональный язык. Так было во всем мире. И странный термин в «прикладной» химии воды — «жесткость» появился именно таким образом. Жесткость воды никак не связана ни с ее механическими свойствами, ни с сопротивлением материалов.

   

   2.1. Виды жесткости воды

   Под жесткостью  воды понимают [2] совокупность свойств  воды, обусловленную наличием в ней катионов Ca2+ и Mg2+. Сумму концентраций этих ионов называют общей жесткостью.

   

   Любители  разведения рыб вынуждены заливать  в аквариумы воду той жесткости,  которая соответствует естественной  среде обитания их питомцев. Однако в быту, промышленности, коммунальном хозяйстве жесткая вода приводит к образованию отложений на поверхности котлов, бойлеров, трубопроводов, технологических аппаратов. В жесткой воде не мылится мыло, что увеличивает его расход. Таким образом, борьба с жесткостью — умягчение воды и деминерализация — имеет целью снижение эксплуатационных затрат: на чистку от накипи технологического оборудования, на энергозатраты для производства пара и горячей воды. Кроме того, жесткость воды влияет на качество стирки и продолжительность работы бытовых приборов, в которых используется вода.

   

   Различают  общую жесткость (ОЖ), карбонатную  (временную) жесткость (КЖ) и некарбонатную  (постоянную) жесткость (ПЖ). Если  понятие общей жесткости характеризует  суммарную концентрацию ионов Ca2+ и Mg2+, КЖ — концентрацию карбонатов и гидрокар-бонатов (бикарбонатов), то ПЖ — концентрацию ионов кальция и магния, не эквивалентных карбонатной жесткости. Таким образом,

   

   ОЖ=КЖ + ПЖ. (1)

   

   Карбонатная  жесткость создается солями угольной кислоты: карбонатами и гидрокарбонатами. Временной она называется потому, что соли угольной кислоты разлагаются с образованием летучего углекислого газа. Скорость разложения растет с ростом температуры. Карбонат кальция разлагается при 825°С, образуя углекислоту и окись кальция — обожженную известь. Гидрокарбонат кальция, растворимость которого довольно высока, при кипячении водного раствора выделяет углекислый газ и переходит в карбонат кальция. Кипячение воды может привести к снижению карбонатной жесткости, если гидрокарбонат кальция, выделяя СО2, перейдет в карбонат, а последний кристаллизуется и выпадет в осадок или сядет в виде накипи на стенки емкости, в которой вели кипячение.

   

   Некарбонатная  жесткость определяется наличием в воде солей кальция, магния и всех остальных кислот, кроме угольной: сульфатами, хлоридами, силикатами, нитратами, фосфатами и т.д. Как следует из определения, постоянная жесткость кипячением не убирается. Впрочем, это не совсем точно, т.к. сульфаты и фосфаты кальция в определенных условиях также могут кристаллизоваться, образуя отложения на стенках промышленных аппаратов в виде ангидрита, гипса, полуводного сульфата кальция, гидросиликата и гидроаппатита. Но это проблема большой энергетики и химической промышленности. При использовании воды в коммунальном хозяйстве, быту, малой энергетике из-за относительно высокой растворимости, например, сульфата кальция и, как правило, невысокой концентрации их в исходной воде с такой проблемой приходится сталкиваться относительно редко. Впрочем, о сульфате кальция, как о причине отложений на ионообменной смоле и на внутренней поверхности установки по умягчению воды, нам еще придется вспомнить в разделе 5.4.4. «Слабокислый катионит».

   

   2.2. Способы выражения жесткости

   Как следует  из вышеизложенного, классификация  воды по видам жесткости достаточно  условна и носит скорее качественный, чем количественный характер.

   

   В разных  странах приняты различные способы  выражения концентраций и, как  следствие, различны границы качественной классификации воды по жесткости.

   

   В странах  СНГ концентрацию солей жесткости  в воде выражают в милли-грамм-кэквивалентах  в литре, мг+экв/л. Хотя концентрацию  других солей — в мг/л. В  Германии жесткость воды выражают  в градусах жесткости: dH, реже в dGH. 1 dH = 10 мг/л СаО. В США жесткость воды пересчитывают в СаСО3 и выражают в «частях на миллион», ppm. 1 мг+экв/л Са2+ = 2,8 dH СаО = = 50 ppm СаСО3.

   

   В табл. 1 мы приводим качественную классификацию  воды по степени жесткости и соответствующие ей границы концентраций солей жесткости, принятые в разных странах.

   

   3. Кратко об ионном  равновесии 

   В 1887 г.  шведский физикохимик, нобелевский  лауреат Сванте Аррениус ввел  в арсенал науки о растворах  представление об электролитической диссоциации. Растворенное в воде вещество в результате взаимодействия с молекулами воды способно распадаться на ионы — электрически заряженные частицы. Этот процесс называют диссоциацией. В результате образуется раствор электролита. Способность диссоциировать у разных веществ совершенно разная. Сильные электролиты диссоциируют полностью, т.е. их молекулы с высокой скоростью полностью распадаются на ионы. К таким веществам относятся соли сильных кислот, например, серной Н2SO4 и соляной HCl, и сильных оснований, например, гидроксида натрия NaOH и гидроксида KOH. Есть вещества, которые очень слабо диссоциируют, т.е. с низкой скоростью. Типичными представителями таких веществ являются соли слабых кислот, например, угольной H2CO3 и сероводородной H2S, и слабых оснований, например, гидроксида кальция Са(ОН)2 и гидроксида магния Mg(ОН)2.

   

   Важным  положением науки о диссоциации  является наличие одновременно  протекающего обратного процесса  — ассоциации ионов в молекулы. Химическая кинетика установила, что скорость любого процесса определяется концентрацией участвующих в нем компонентов. Чем выше концентрация хотя бы одного участника процесса, тем выше и скорость самого процесса.

   

   Из этого  следует, что процесс ассоциации  несколько запаздывает по сравнению с процессом диссоциации — ведь в растворе сначала должен появиться «строительный материал» ассоциации. Когда вещество (для многокомпонентных растворов — вещества) растворится полностью и диссоциирует с присущей ему полнотой, и заработает процесс ассоциации, то в растворе установится динамическое равновесие: какое-то число молекул распадется на ионы, какое-то число ионов соединится в молекулы. Количественной характеристикой баланса диссоциация/ассоциация при установившемся равновесии в растворе электролита принята константа процесса, под которой понимают соотношение скоростей реакций диссоциации и ассоциации. Если скорость диссоциации низкая, а скорость ассоциации высокая, константа диссоциации будет выражаться числом меньше единицы.

   

   3.1. Диссоциация воды и рН

   Дистиллированная  вода диссоциирует на ионы  по следующей схеме 

   

   H2O±2H+ + ОН-. (2)

   

   Знак  ± указывает на то, что как  диссоциация молекул воды на  ионы, так и ассоциация образовавшихся  ионов в молекулу воды протекает одновременно. Поскольку концентрация протонов (положительно заряженных ионов) и гидроксильных ионов (отрицательных ионов) одинакова, вода в целом электронейтральна. Скорость ассоциации ионов, образующихся в правой части уравнения (2), настолько высока по сравнению со скоростью диссоциации молекул, что в дистиллированной воде присутствует всего лишь10-7 = 0,0000001 моль/л ионов водорода (протонов) и ровно столько же гидроксильных (щелочных) ионов. Вода с таким содержанием протонов и гидроксильных ионов имеет нейтральную реакцию. Если концентрация протонов начинает расти (Н+> 10-7), то вода становится кислой. Если концентрация протонов падает, но растет концентрация гидроксильных ионов (ОН- > 10-7), то вода становится щелочной.

   

   Поскольку  число с большим количеством нулей или высоким отрицательным значением показателя степени применять неудобно, договорились представлять малые концентрации в логарифмическом виде. В результате логарифмирования lg(10-7) = -7. Отрицательный логарифм концентрации водородных ионов условились обозначать значком рН. Итак, при рН = 7 вода считается нейтральной. Если рН < 7 — вода кислая, если рН > 7, то вода щелочная.

   

   

Информация о работе Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы