Визначення твердості води

1. Твердість природної води та її пом’якшення.

Воду використовують в різних галузях промисловості як теплоносій і робоче тіло. Цьому сприяє її широке розповсюдження в природі і її особливі термодинамічні властивості, які пов’язані з будовою молекули. Полярність молекул води визначає велику енергію взаємного притягання (орієнтаційну взаємодію) при температурі 10 – 30 °С і відповідно велику теплоту фазового переходу пароутворення, високу теплоємність і теплопровідність.

При нагріванні води на поверхні нагріву утворюються тверді відкладення накипоутворюючих солей, що заважає нормальному застосуванню води в промисловості. Механізм надходження в природну воду домішок формує певну постійність типів йонів, яка міститься в різних водоймищах.

Найбільш розповсюджені катіони: Nа⁺, K⁺, Са^2+, Мg²⁺ і аніони: НС, Сl ‾, S, їх кількість досягає до 10⁴ мг/кг. Концентрація катіонів NH₄⁺ і Fе²⁺ а також аніонів НSі, N, Сдосягає від десятих часток до одиниць. Менш десятих часток складає концентрація катіонів: Сu²⁺, Zn ²⁺, Nі²⁺, Аl³⁺ і аніонів: НS¯, I¯, N, Н₂Р.

Йони калію та натрію з аніонами природних вод не утворюють нерозчинних солей.

З природних солей кальцію лише гіпс трохи розчиняється у воді, але, якщо вода містить карбон (ІV) оксид, то кальцій карбонат також може переходити в розчин у вигляді гідрокарбонату Са(НСО₃)₂.

Природна вода, що містить багато солей магнію і кальцію, називається твердою водою. До 1952 року твердість вимірювали градусами (1 град. тверд.= 0,35663 мг-екв Са²⁺). Тепер твердість води оцінюють числом міліеквівалентів Са²⁺ і Мg²⁺ в 1 літрі води. 1 мекв твердості відповідає вмісту 20,04 мг/л Са²⁺ або 12, 16 мг/л Мg²⁺.

Якщо кількість міліеквівалентів менше 4, це м’яка вода; кількість 4 – 8 показує середню воду; 8 – 12 – тверду; більше 12 –  дуже тверду.

Сумарний вміст цих солей у воді називається її загальною твердістю. Вона поділяється на карбонатну (тимчасову) і некарбонатну (сталу) твердість. Перша з них зумовлена наявністю гідрокарбонатів кальцію і магнію, друга – наявністю солей сильних кислот – сульфатів або хлоридів кальцію і магнію.

При тривалому кип’ятінні води, що має карбонатну твердість, у ній випадає осад і одночасно виділяється СО₂. Твердість, що лишається після такого кип’ятіння, називається постійною твердістю.

Твердість природної води змінюється в широких межах. Вона різна у різних водоймах, а в одній і тій же річці змінюється протягом року (мінімальна під час повені).

Твердість води морів значно вища, ніж рік і озер. Так, вода Чорного моря має загальну твердість 65,5 мекв/л. Середнє значення твердості води світового океану – 130,5 мекв/л (в тому числі на йони Са²⁺ припадає 22,5 мекв/л, на йони Мg²⁺ – 108 мекв/л). Загальна твердість Дніпра в літній період складає 3,7 мекв/л.

2. Засоби усування твердості води

При тривалому використанні твердої води стінки парових котлів поступово вкриваються твердою кіркою накипу. Така кірка вже при товщині шару в 1 мм дуже знижує передавання тепла стінками котла і, отже, призводить до збільшення витрати палива. Крім того, вона може бути причиною утворення здуттів і тріщин в кип’ятильних трубах і на стінках самого котла.

Тверда вода не дає піни з милом, бо розчинені натрієві солі жирних кислот – пальмітинової і стеаринової, які є в милі – переходять у нерозчинні кальцієві солі тих самих кислот:

2С17Н35СООNа + СаSО4 = (С17Н35СОO)2 Са↓ + Nа2SО4
стеарат натрію	стеарат кальцію

Видалення солей, які зумовлюють твердість, називається водопом’якшенням, входить у систему водопідготовки – обробки природної води, яку використовують для живлення парових котлів і для різних технологічних процесів.

Під час водопідготовки звільняються від грубодисперсних і колоїдних домішок і від розчинених речовин. Завислі і колоїдні домішки видаляють коагуляцією їх солями (звичайно Аl₂(SО₄)₃ ), що додаються до води, з подальшою фільтрацією.

Аl₂(SО₄)₃ + ЗСа(НСО₃)₂ → 2Аl(ОН)₃↓ + 3СаSо₄ + 6СО₂↑

При коагуляції в воді підвищується кількість сульфатів і вільної вугільної кислоти, але зменшується бікарбонатна лужність.

Для водопом’якшення застосовують способи осадження і йонного обміну. Способом осадження катіони Са²⁺ і Мg²⁺ переводять у малорозчинні сполуки, що випадають в осад. Цього досягають фізичним методом – кип’ятінням:

Са(НСО₃)₂ СаСО₃↓ + СО₂↑ + Н₂О

або хімічним методом – введенням у воду відповідних реагентів.

Під час кип’ятіння зникає лише карбонатна твердість. При застосуванні хімічного методу найчастіше як осаджувач використовують вапно. При цьому відбуваються реакції:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ → 2СаСО₃↓ + 2H₂О

МgСl₂ + Са(ОН)₂ → Мg(ОН)₂↓ + СаСl₂

Якщо концентрація СаSО₄ + СаСl₂ складає більше 10 мг-екв/л, можна застосувати вапно-содову обробку води:

СаSО₄ + Nа₂СОз → СаСО₃↓ + Nа₂SО₄

СаСl₂ + Nа₂СОз → СаСО₃↓ + 2NаСl

Са(ОН)₂ + Nа₂СОз → СаСО₃↓ + 2NаОН

Щоб ліквідувати твердість методом йонного обміну або катіонування, воду пропускають через шар катіоніту. При цьому йони Са²⁺ і Мg²⁺, які є у воді, обмінюються на йони Nа⁺, що містяться у катіоні. У деяких випадках треба видалити з води не тільки йони Са²⁺ і Мg²⁺, а й інші йони. У таких випадках воду пропускають послідовно через катіоніт, що містить в обмінній формі гідроген-йони (Н-катіоніт), та аніоніт, що містить гідроксильні йони (ОH-аніоніт). В результаті вода звільнюється від катіонів та аніонів солей. Така обробка називається знесолюванням води.

Приклад реакції катіонного обміну (R – означає смолу):

2R‾ – Nа⁺ + Са²⁺(НС)₂ → (R‾ )₂Сa²⁺ + 2Nа⁺НСО₃^–

Для аніонного обміну широко застосовується високоосновна смола в хлоридній формі:

R⁺Cl‾ + Nа⁺N → R⁺N + Nа⁺Cl‾

Таким чином звільняють воду від нітратів.

Коли процес йонного обміну доходить до рівноваги, йоніт перестає працювати – втрачає здатність пом’якшувати воду. Але будь-який йоніт легко зазнає регенерації. Для цього через катіоніт пропускають концентрований розчин NаСl (Nа₂SO₄) або НС1 (Н₂SO₄). При цьому йони Са²⁺ і Мg²⁺ переходять у розчин, а катіоніт знову насичується йонами Nа⁺ або H⁺. Для регенерації аніоніту його обробляють розчинами лугу або соди (цей розчин, внаслідок гідролізу карбонатного йону, також має лужну реакцію). В результаті поглинуті аніони витісняються в розчин, а аніоніт знову насичується йонами ОН^– .