Методы устранения жесткости

1. Термический. Используется только для устранения карбонатной (временной) жесткости. Метод основан на реакции разложения гидрокарбонатов при нагревании с образованием осадков карбонатов кальция и магния.

t⁰

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃↓ + СО₂↑ + Н₂О

t⁰

Mg (НСО₃)₂ = MgСО₃↓ + СО₂↑ + Н₂О

2. Химический или реагентный. В этом случае к воде известной жесткости добавляют рассчитанное количество реагента, переводящего ионы Са²⁺, Mg²⁺ в связанное состояние.

Большое распространение получил известково-содовый метод. Воду обрабатывают растворами гашеной извести Са(ОН)₂ и кальцинированной соды Na₂CО₃. При этом временная жесткость воды устраняется гашеной известью:

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

Mg (HCO₃)₂ + 2Ca (OH)₂ = Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2H₂O

а постоянная – содой:

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + Na₂SO₄

Среди других реагентов отметим ортофосфат натрия Na₃PO₄, также часто используемый для умягчения воды:

3Са(НСО₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Са₃(РО₄)₂↓ + 6NaHCO₃

3MgСl₂ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(РО₄)₂↓ + 6NaCl

Некоторые фосфаты, такие как гексаметафосфат натрия (NаРО₃)₆ не только служат для устранения жесткости воды, но и позволяют удалять образовавшиеся отложения (накипь). Подобные вещества называются антинакипинами. Антинакипины являются обязательной составной частью присадок к различным техническим жидкостям. Они переводят соли кальция и магния в рыхлые осадки, циркулирующие в системе охлаждения и легко удаляемые вместе с жидкостью при ее замене.

Для расчета массы умягчителя, необходимого для снижения жесткости воды в каждом конкретном случае, воспользуемся законом эквивалентов:

, (4)

где m₁ и m₂ – массы реагирующих веществ;

М_Э(1) и М_Э(2) – молярные массы эквивалентов этих веществ.

Обозначим

m₁ – масса реагента (мг),

m₂ – масса соли кальция или магния (мг)

М_Э(1) – молярная масса миллиэквивалента реагента,

М_Э(2) – молярная масса миллиэквивалента соли кальция или магния (мг/ммоль).

(5)

т.к.

,

где - объем воды (л),

то (6)

Задача: Какую массу соды Na₂CO₃ необходимо добавить к 100 л воды, чтобы устранить ее жесткость, равную 8 ммоль/л.

Решение: Рассчитаем молярную массу миллиэквивалента реагента содыNa₂CO₃. Согласно (3)

.

Используя уравнение (6), определим массу реагента, необходимого для умягчения 100 л воды, имеющей жесткость 8 ммоль экв/л:

В зависимости от типа используемого реагента жесткость воды удается снизить до 0,3 ммоль/л при использовании известково-содовой смеси и до 0,04-0,02 ммоль/л при действии фосфатами. Однако, все разновидности реагентного способа умягчения требуют значительных затрат времени на образо­вание осадков и их фильтрование.

3. Метод ионного обмена. Широкое применение в практике умягчения или полного обессоливания воды получили иониты. Это природные или синтетические вещества, способные к обмену катионов (катиониты) или анионов (аниониты).

Катиониты бывают органические и неорганические. Орга­нические имеют в своем составе группы (–СООН, –SO₃H), содержащие катион водорода Н⁺, способный замещаться на катионы кальция Са²⁺ и Mg²⁺ по схеме:

RH₂ + Са²⁺ → RCa + 2Н⁺

RH₂ + Mg²⁺ → RMg + 2H⁺

Неорганические катиониты – алюмосиликаты Na₂[Al₂Si₂O₈∙nH₂O]. Эти соединения можно условно выразить формулой Na₂R, где R – анион.

В данном случае обмениваться с катионами Са²⁺, Мg²⁺ будет обмениваться Nа⁺ по схеме:

Na₂R + Са²⁺ → CaR + 2Na⁺

Na₂R + Mg²⁺ → MgR + 2Na⁺

При натрий-катионировании жесткость воды может быть снижена до 0,03–0,05 ммоль/л, при повторном – до 0,01 ммоль/л.

После прохождения воды через катионит ионы кальция и магния оказываются связанными (адсорбированными) его поверхностью, а ионы натрия (или водорода) переходят в воду. Катионит при этом теряет постепенно свою работоспособность. Для регенерации через отработанные катиониты пропускают концентрированные растворы НС1 или NaCl в зависимости от типа катионита.

Аниониты имеют основный характер. Гидроксид-ион ОН^-, входящий в его состав, способен обмениваться на анионы солей, содержащихся в воде, например:

2ROH + SO₄^2- → R₂SO₄ + 2OH^-

Полного обессоливания воды можно добиться, пропуская воду последовательно через катионит, а затем через анионит.