Жесткость воды и методы её устранения

В природе чистая вода не встречается: она всегда содержит примеси каких – либо веществ. Взаимодействуя с солями, содержащимися в земной коре, вода приобретает определённую жёсткость.

Жёсткость воды – совокупность свойств, обусловленных содержанием в ней катионов кальция Са²⁺ и катионов магния Mg²⁺.

Катионы кальция Са²⁺ обуславливают кальциевую жёсткость, а катионы магния Mg²⁺ -магниевую жёсткость воды.

Общая жёсткость складывается из кальциевой и магниевой, т.е. из суммарной концентрации в воде этих катионов.

Различают карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную) жёсткость.

Карбонатная жёсткость вызвана присутствием гидрокарбонатов кальция и магния. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются, а образующиеся малорастворимые карбонаты выпадают в осадок, и общая жёсткость воды уменьшается на значение карбонатной жёсткости. При кипячении катионы кальция Са²⁺ осаждаются в виде карбоната кальция:

Са²⁺ + 2НСО₃⁻ = СаСО₃↓ + Н₂О + СО₂

Катионы магния Mg²⁺ осаждаются в виде основного карбоната или в виде гидроксида магния (при рН > 10,3):

2Mg²⁺ + 2НСО₃⁻ + 2OH⁻ = (MgOH)₂CO₃↓ + Н₂О + СО₂

(гидроксид –ионы OH⁻ образуются за счёт взаимодействия ионов НСО₃⁻ с водой: НСО₃⁻ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ + ОН⁻).

Некарбонатная жёсткость определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот, главным образом сульфатов и хлоридов. При кипячении эти соли не удаляются.

По величине жёсткости воду делят на 6 классов.

Таблица 1.3.1.

Классы	Жёсткость воды (ммоль экв/л)
1 (очень мягкая) 2 (мягкая) 3 (средней жёсткости) 4 (довольно жёсткая) 5 (жёсткая) 6 (очень жёсткая)	0 – 1,5 1,5 – 3,0 3,0 – 4,5 4,5 – 6,0 6,0 – 10,0 свыше 10,0

Жёсткая вода оказывает вредное действие на технологические процессы и вызывает неприятные явления при использовании её в быту.

Обработка воды, приводящая к снижению жесткости воды, называется умягчением воды.

Существующие способы умягчения можно разделить на 3 группы:

1. реагентные (химические) методы умягчения воды. Химическая обработка воды основана на переводе растворимых солей кальция и магния в труднорастворимыее соли; В качестве реагентов–осадителей применяют известь, соду, едкий натр, фосфаты натрия и др. Чаще применяется сода в смеси с известью или едким натром;

2. умягчение воды методом ионного обмена (пропускание воды через ионообменные смолы);

3. термическое умягчение воды (кипячение).

Для устранения временной жёсткости воды применяют:

– термическое умягчение (кипячение):

– реагентное умягчение гашёной известью:

Известь нейтрализует углекислоту, которая является одной из причин коррозии металлов, осаждает железо и способствует коагуляции коллоидов, например, кремниевой кислоты.

Для устранения общей жёсткости методом осаждения используют:

– карбонат натрия (соду):

– фосфат натрия (тринатрийфосфат):

В последнее время для очистки воды стали широко применять иониты (ионообменные смолы). Метод ионного обмена – катионирование основан на фильтровании через слой катионита, при котором происходит замещение ионов Ca² и Mg²⁺, содержащихся в воде, на катионы Na⁺, K⁺ или NH⁺₄, содержащиеся в твёрдой фазе катионита. В качестве катионитов в основном применяют иониты КУ-I и КУ-2.

В некоторых случаях требуется удалить из воды не только катионы Ca²⁺ и Mg²⁺, но и другие катионы и анионы. В таких случаях воду пропускают последовательно через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы (Н⁺-катионит) и анионит, содержащий гидроксильные ионы (ОН^––анионит). В итоге вода освобождается как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды называется обессоливанием:

Обменная ёмкость катионита определяется из соотношения:

(ммоль экв/г),

где: V- объём воды, пропущенный через катионит, л;

m – масса катионита, г.

Общая жёсткость воды может быть рассчитана по формуле:

(ммоль экв/л)

где: m₁, m₂, m₃ – массы содержащихся в воде катионов кальция, магния (или соответствующих им солей), мг;

М_экв.1 , М_экв.2 , М_экв.3 – молярные массы эквивалентов металлов (или соответствующих им солей), г/моль экв;

V– объём воды, л.

Для расчётов можно также применять формулу, которая выражается суммой миллиэквивалентов (мэкв) катионов кальция и магния, содержащихся в 1 л воды (моль/л). Один миллимоль жёсткости отвечает содержанию 20,04 мг/л катионов кальция Са²⁺ или 12,16 мг/л катионов магния Mg²⁺, то согласно определению, общую жёсткость воды Ж (в ммоль/л) можно вычислить по формуле: , где [Са²⁺] и [Mg²⁺] – концентрация соответствующих ионов в мг/л.