2. Види води за твердістю

Практично розрізняють три види твердості: загальну, ліквідну і постійну. 

Загальна твердість – це твердість сирої води, зумовлена всіма сполуками кальцію і магнію (іноді заліза і марганцю), незалежно від того, з якими аніонами вони зв'язані. 

Постійна твердість - твердість води після одногодинного кип'ятіння. Вона викликана присутністю сульфатів і хлоридів кальцію, заліза, магнію, калію, натрію, тобто солей, які не дають осаду при кип'ятінні. 

Ліквідна твердість спричинена наявністю у воді гідрокарбонатів кальцію Са(НСО₃)₂, менше магнію Мg(НСO₃)₂, які видаляються при кип'ятінні, осідаючи на стінках посуду у вигляді накипу (СаСОз, МgСОз). Таким чином, ліквідна твердість є частиною загальної твердості, яку можна обчислити за різницею між загальною і постійною твердістю. Карбонатна твердість зумовлена присутністю у воді карбонатів і гідрокарбонатів кальцію і магнію (іноді калію, натрію, алюмінію, марганцю, заліза). При кип'ятінні гідрокарбонати кальцію і магнію розкладаються:

Са(НСО₃)₂=СаСО₃ +Н₂0 + С0₂  ;

Мg(НСО₃)₂ = МgНСО₃ + Н₂0 + С0₂ ..

Карбонати кальцію і магнію, що утворилися, випадають в осад і тому вода втрачає частину твердості.

Карбонатна твердість часто збігається з ліквідною твердістю, але прирівнювати їх одну до одної не можна. При кип'ятінні ліквідовується переважно та частина карбонатної твердості, яка залежала від гідрокарбо­нату кальцію. При великій кількості у воді гідрокарбонату магнію різниця між карбонатною і ліквідною твердістю буває досить значною.

Твердість води залежить також від хімічного складу ґрунту, через який проходить вода, вмісту у воді оксиду вуглецю (IV), ступеня забруднення її органічними речовинами.

Загальна твердість води, згідно з ГОСТом 2874-82 "Вода питна", повинна бути не вище 7 мг,екв/дм³; для водопроводів, які подають воду без спеціальної обробки, при узгодженні з органами СЕС, допускається до 10 мг*екв/дм\. Дуже тверда вода має неприємний смак, може погіршувати протікання ниркокам'яної хвороби.

3. Методи пом’якшення води: кип`ятіння, виморожування, іонний обмін, діаліз.

Пом’якшення води проводять для її очищення від солей магнію та кальцію (солей жорсткості). Воно є одним із головних етапів підготовки води для пиття та приготування їжі.

 

Кабінетні установки для пом’якшення води та фільтри тонкого доочищення. Кожна система розрахована на 1.5 м куб. за годину. Обладнання встановлено окремо на дві різні половини дому (для кожного хазяїна індивідуально).

Існує кілька методів пом’якшення води. Вибір того чи іншого з них визначається головним чином величиною та видом жорсткості вихідної води, необхідною глибиною пом’якшення та економічними міркуваннями. Для пом’якшення води застосовують:   1)  термічні методи, що ґрунтуються на нагріванні води;    2)  реагентні методи, за яких іони кальцію та магнію, що перебувають у воді, зв’язуються певними реагентами в практично нерозчинні сполуки, які вилучаються потім методами осаджування та фільтрування;   3)  метод іонного обміну, що ґрунтується на фільтруванні води через спеціальні матеріали. Останні обмінюють іони натрію або водню, які входять до їх складу, на іони кальцію та магнію, що містяться у воді;   4)  комбіновані методи, що являють собою різні поєднання описаних методів (термохімічні, реагентно-катіонітові тощо);   5)  електрохімічний метод;   6)  нанофільтрацію.

Іонообмінний метод пом’якшення води

Іонообмінний метод ґрунтується на використанні іонітів - твердих, практично нерозчинних у воді матеріалів, які мають властивість обмінювати іони, що входять до їх складу, на іони, що містяться у воді.

При цьому речовини, які обмінюють катіони, називаються катіонітами, а ті, що обмінюють аніони, - аніонітами. Характерні реакції: катіонного обміну - 2Na [Кат] + CaCl2 <=> Ca [Кат]2 + 2NaCl, аніонного обміну - 2[Aн]Cl + Na2SO4 <=> [Ан]2SO4 + 2NaCl, де [Кат] і [Ан] - нерухома частина іоніту.

Іонний обмін є оборотним процесом, тобто «виснажений» іоніт, який замінив усі свої катіони або аніони на іони з води, може бути регенерований відповідним реагентом.

Як іоніти використовують деякі матеріали природного походження, а найчастіше – синтетичні смоли. Основною їх технологічною характеристикою є обмінна місткість, тобто вміст здатних до обміну іонів.

При пом’якшенні води цим методом катіони мають здатність обмінювати іони Na+ (Na-форма) або H+ (H-форма) на іони Ca2+ і Mg2+, що містяться у воді.

Зниження жорсткості води методом виморожування.  Фізико-хімічна основа цього методу полягає в наступному: при замерзанні розчинів кристалізується чистий розчинник, а розчин насичується залишком розчиненої речовини. Вимерзання чистого розчинника теоретично відбувається до тих пір, поки концентрація розчиненої речовини в розчині, що залишається, не досягне межі розчинності. З цієї миті у вимерзаючому розчиннику присутня і розчинена речовина. Так відбувається процес очищення рідини, широко вживаний в хімічних лабораторіях. Водопровідна вода є розчином жорстких складових (розчинені речовини) в чистій воді (розчинник). При заморожуванні такої води спочатку замерзає розчинник, який є майже чистою водою, тоді як жорсткі складові насичують розчин. У наших дослідах застосовувалася лейпцігська водопровідна вода з середньою жорсткістю 14 градусів. Вода була заморожена приблизно до половини об'єму. Вода, що утворилася з льоду, що розтанув, мала жорсткість 2-2,5 градуса. Чим більше поверхня води, тим краще вона виморожується. Тому треба користуватися відповідним посудом. Краще, якщо вона зроблена з синтетичних матеріалів (поліхлорвініла, поліетилену і тому подібне), які лід може деформувати, не руйнуючи.  Після того, як вода заморожена до половини або до відповідної частини, шар льоду пробивають, водний залишок з підвищеною жорсткістю зливають, а лід розтоплюють і нагрівають.  Перевага описаного методу перед іншими полягає в тому, що вода при виморожуванні не лише помякшується, але і опріснюється. 

Кип’ятіння.

Подібний метод дозволяє значно пом’якшити воду, так як солі магнію і кальцію попросту осядуть на стінки посуду. За час кип’ятіння з рідини вивітриться весь хлор. Крім того, високі температури допоможуть знищити велику частину живих мікроорганізмів. Але от якщо в воді високий рівень органічних речовин, кип’ятити її не можна, так як сполуки азоту швидко відреагують з хлором.

Для зниження твердості води застосовують різні способи. Серед них найпоширенішим є так званий содово-вапняний спосіб. Суть його полягає в тому, що до води додають розраховану кількість розчину гідроксиду кальцію Са(ОН)₂ (вапняна вода) і соди Na₂CO₃. Розрахунок кількості розчинів Са(ОН)₂ та Na₂CO₃ проводять за такими формулами:

V_Са(ОН)2 = (Тв_карб*V_H2O)/(1000*C_Са(ОН)2) та V_Na2CO3 = (Тв_некарб*V_H2O)/(1000*C_Na2CO3)

де C_Са(ОН)2 та C_Na2CO3 - концентраціїї Са(ОН)₂ та Na₂CO₃ відповідно у моль/дм³,V - об'єми води та розчинів реагентів у см³; Тв_карб та Тв_некарб - карбонатна та некарбонатна твердості пом'якшуваної води у моль/дм³. Гідроксид кальцію знижує карбонатну (тимчасову) твердість:

• Ca(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃ ↓ + 2Н₂О

• Mg(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = MgCO₃ ↓ +CaCO₃ ↓ +2Н₂О

Сода знижує сталу твердість води:

• СаСl₂ + Na₂СО₃ = СаСО₃ ↓ +2NaCl

• MgSO₄ + Na₂СО₃ = MgCO₃ ↓ + Na₂SO₄

Утворені осади карбонатів кальцію і магнію відфільтровують. Карбонатну твердість можна усунути також шляхом нагрівання води до кипіння. При цьому кислі карбонати розкладаються з утворенням нормальних карбонатів кальцію і магнію, які виділяються в осад:

• Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ ↓ + Н₂О + СО₂ ↑

• Mg(НСО₃)₂ = MgСО₃ ↓ + Н₂О + СО₂ ↑

Тому карбонатну твердість називають також тимчасовою.

Також дієвим та економічно вигідним є використання іонітів(іоннообмінних смол) які за рахунок заміщення металу солей твердості на натрій, при повному насиченні смоли, її регенерують. ^[1]

Пом'якшення води діалізом

Можливість застосування діалізу в зм'якшування води заснована на ефекті Доннана. У цьому випадку діаліз здійснюють в мембранних апаратах з ацетатцеллюлознимі і нітроцеллюлознимі мембранами. Схема процесу представлена ​​на рис 2

Рис. 2 принципова схема пом'якшення води діалізом

Ефективність напівпроникної мембрани для пом'якшення води визначається високими значеннями селективності та водопроникності, які вона повинна зберігати протягом тривалого часу роботи. Селективність мембрани при пом'якшенні води діалізом можна виразити таким чином:

φ = (Жи - Жу) / Жі

де Жу - жорсткість пом'якшеної води, Жи - жорсткість вихідної води.

На практиці часто використовують коефіцієнт зниження солевмісту Сі / Собр. Він найбільш повно відображає зміни, пов'язані з її виготовленням або з впливом зовнішніх факторів.

Існує кілька гіпотетичних моделей дії напівпроникних мембран.

Гіпотеза гіперфільтрації. Припускає існування в напівпроникною мембрані пір, проникних при діалізі ассоціантов молекул води і гідратованих іони солей. Основою теоретичних розробок з'явилося положення про те, що через напівпроникну мембрану вода і розчинені в ній речовини проникають за допомогою дифузії і потоків через пори.

Сорбційна модель проникності заснована на передумові, згідно з якою на поверхні мембрани і в її порах адсорбується шар зв'язаної води, що володіє зниженою розчинювальною здатністю. Мембрани будуть напівпроникності, якщо вони хоча б у поверхневому шарі мають пори, які не перевищують за розміром подвоєної товщини шару зв'язаної рідини.

Дифузійна модель виходить з припущення, що компоненти системи розчиняються в матеріалі мембрани і дифундують через неї. Селективність мембрани пояснюється відмінністю в коефіцієнтах дифузії і розчинності компонентів системи в її матеріалі.

Електростатична теорія полягає в наступному. При русі вихідної води в камері з одного боку селективної (катіонообменной) мембрани, а розсолу з іншого, іони натрію в разі, коли розсіл приготований з розчину кухонної солі, мігрують в мембрану і далі у вихідну воду, а іони кальцію в протилежному напрямку, т . тобто з твердої води в розсіл. Таким чином, відбувається видалення іонів кальцію з вихідної води і заміна їх не створюючими осаду іонами натрію. Одночасно в камерах відбуваються побічні процеси, супутні процесу діалізу: осмотичний перенесення води, перенесення однойменних іонів, дифузія електроліту. Ці процеси залежать від якості мембрани.

Рівняння обміну між іонами [Ca2 ⁺], що містяться у вихідній воді, і іонами [Naм ⁺] в мембрані має вигляд:

0,5 Caі 2 ⁺ + х + Naм + ↔ 0,5 Caм2 ⁺ + хм. + Na ⁺

Де Х, Хм - інші іони, що містяться в розчині і в мембрані.

Константа рівноваги:

К1 = ([Caм 2 ⁺] 0,5 Х м [Na ⁺] і) / ([Ca2 ⁺] і0, 5 Хі [Naм ⁺])

Рівняння обміну написано для іона кальцію, але фактично необхідно враховувати суму іонів кальцію і магнію. Рівновага між розсолом і мембраною має вигляд.

0,5 Caр 2 ⁺ + х + Naм + ↔ 0,5 Caм2 ⁺ + хм + Naр

К2 = ([Caм2 ⁺] 0,5 Х м [Na +] р) / ([Ca2 ⁺] р0, 5 Хі [Naм ⁺])

К1 + К2, то [Ca2 ⁺] і = [Ca2 ⁺] р (Хрn [Naр ⁺] 2) / (Хіn [Naі ⁺] 2)

Де n - показник ступеня, що залежить від того, які іони входять до складу розчину.

З останнього рівняння можна зробити висновок, що, якщо в рівновазі відношення іонів натрію в розсолі і жорсткої вихідній воді одно, наприклад, 10, то жорсткість вихідної води буде приблизно в 100 разів більше, ніж в розсолі.

Площа, м2, поверхні мембрани:

А = М / (Кд ΔСср)

Де М - кількість речовини, що пройшло через мембрану; ΔСср - рушійна сила процесу, тобто різниця концентрацій речовини по обидва боки мембрани; Кд - коефіцієнт масопередачі, обумовлений зазвичай експериментально або наближено з виразу:

Кд = (1/β1 + δ / D +1 / β2) -1

Де β1 і β2 - відповідні коефіцієнти швидкості переносу речовини в концентрованому розчині до мембрани і від неї в розбавленому; δ - товщина мембрани; D - коефіцієнт дифузії розчиненої речовини.

Жорсткість пом'якшеної води після діалізу:

Де Сі і Ср - концентрація солей на початку апарату відповідно у вихідній воді та в розсолі, мг-екв / л; Qи і Qp - продуктивність по воді і розсолу, м3 / ч; Жи та ЖР - жорсткості води і розсолу на початку апарату, мг-екв / л; α - константа, обумовлена ​​властивостями мембрани і розчинів; L - довжина шляху розчину в діалізної і розсільної камерах апарату, м; Vи - швидкість руху води в камері, м / с.

Експериментальна перевірка рівняння на катіонітових мембранах МКК показала хорошу збіжність результатів. Аналіз формули показує, що зменшення швидкості руху діалізату в камерах апарату збільшує ефект пом'якшення, зниження жорсткості пом'якшеної води прямо пропорційно концентрації розсолу.