Методы устранения жёсткости воды

 

Содержание 

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Происхождение жёсткости воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3. Количественное измерение жёсткости воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5
4. Влияние жёсткости на качество воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
5. Методы устранения жёсткости воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
6. Список использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

 

 

I. Введение 

      Вода  широко используется в технике: в  химических производствах как растворитель и реагент, для промывки различных веществ, для паровых котлов, охлаждения различных агрегатов и других целей. С развитием техники расход воды быстро растёт и проблема воды для технических целей и бытовых нужд во многих странах мира остаётся нерешённой.

      Существенное  влияние на свойства воды оказывают растворённые в ней примеси. Так, вода морей и океанов непригодна для полива, питья и очень многих технических целей, так как в ней содержится большое количество солей. Пресная речная и артезианская вода также содержит различные примеси, но в значительно меньших количествах. Эти примеси необходимы для человека, животных и растений, но часто оказываются очень вредными при использовании такой воды в технике. Так, наличие в воде солей марганца даже в малых дозах делает её неприменимой в производстве волокон, так как марганец окисляется кислородом воздуха и выпадает в виде диоксида, окрашивая волокна в бурый цвет.

      Для паровых котлов особенно вредными примесями  являются соли кальция и магния, обуславливающие такое свойство воды как жёсткость. Эти примеси при высокой температуре образуют плотный осадок на стенках котла, что может привести к взрыву. Эти же вещества осаждаются на внутренних стенках труб в системах водяного охлаждения, ухудшают теплообмен, полностью забивают трубы и выводят систему из строя.

      Поэтому вопрос о жёсткости воды и особенно её влиянии на качество воды, использующейся в технических целях, является в  настоящее время довольно актуальным. Спорным остаётся вопрос и о влиянии жёсткости на живые организмы: не доказана связь между жёсткостью воды и балансом минеральных веществ в организме, а также деятельностью сердечно-сосудистой системы. 

 

II. Происхождение жёсткости воды 

      Жёсткость - свойство воды, обусловленные присутствием в ней катионов кальция, магния, реже железа, в виде различных солей. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния могут поступать в воду в результате процессов растворения и химического выветривания горных пород, а также взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами: 

      CaCO₃ × MgCO₃ + 2CO₂ + 2H₂O « Са(НСО₃)₂ + Mg(HCO₃)₂

      CaCO₃ + CO₂ + H₂O « Са(НСО₃)₂ 

Источником  этих ионов могут быть и микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

      Различают кальциевую жёсткость, обусловленную  содержанием в воде кальциевых солей, и магниевую жёсткость, связанную с наличием магниевых солей. Суммарную кальциевую и магниевую жёсткость называют общей жёсткостью.

      Различают также карбонатную и некарбонатную  жёсткость воды. Карбонатная жёсткость - это часть общей жёсткости, вызванная наличием гидрокарбонатов кальция и магния. Поскольку при кипячении воды гидрокарбонаты переходят в карбонаты, которые выпадают в осадок, то карбонатную жёсткость называют также временной или устранимой. Она составляет около 70-80% от общей жёсткости воды. Остающаяся после кипячения жёсткость называется постоянной. Она обусловлена присутствием хлоридов и сульфатов кальция и магния. Эти соли не выделяются в осадок при кипячении и для их устранения воду подвергают специальной химической очистке.

      Жёсткость природных вод зависит от источника  и времени года. Во время весенних паводков жёсткость воды поверхностных бассейнов уменьшается, а в зимний период возрастает. Жёсткость морей значительно выше, чем рек и озёр. Например, вода в Чёрном море имеет общую жёсткость примерно 65,5 мг-экв/л. Среднее значение жёсткости воды мирового океана составляет 130,5 мг-экв/л. Из этого значения 22,5 мг-экв/л приходится на кальциевую жёсткость, а 108 мг-экв/л - на магниевую. 

 

       III. Количественное определение жёсткости воды 

      Жёсткость воды обычно определяют титрованием  воды раствором натриевой соли этилендиаминтетрауксусной  кислоты (Na₂ЭДТА, комплексон III, трилон Б). Если раствор (например, природная вода) содержит одновременно катионы кальция и магния, то Na₂ЭДТА реагирует сначала с Ca²⁺ так как последний образует с ним более прочный комплекс, а потом с Mg²⁺. Благодаря этому, применяя в качестве индикатора эриохром чёрный Т (NaC₂₀H₁₂O₇N₃), можно определить общую жёсткость воды. Применяя индикатор мурексид (пурпурат аммония), можно определить кальциевую жёсткость воды. Магниевую жёсткость можно определить по разности между общей и кальциевой жёсткостью воды: Ж_Mg = Ж_об – Ж_Ca.

      Если  содержание катионов кальция и магния было наёдено другими методами, то общую жёсткость воды можно вычислить  по формуле: 

      Ж_об =  

      Для численного выражения жёсткости  воды указывают концентрацию в ней  катионов кальция и магния. Единой международной единицы измерения не существует. В разных странах приняты свои внесистемные единицы. Чаще всего жёсткость воды измеряют в градусах:

       × немецкие градусы: 1° = 1 мг CaO в 100 мл воды;

       × французские градусы: 1° = 1 г CaCO₃ в 100 л воды;

       × английские градусы: 1° = 1 г CaCO₃ в 70 л воды;

       × американские градусы: 1° = 1 г CaCO₃ в 1000 л воды;

      В России до середины XXв. для измерения жёсткости воды пользовались немецким градусом. В 1951 г. была установлена новая единица измерения, выраженная в миллиграмм-эквивалентах на литр воды.  1 мг-экв/л жёсткости соответствует содержанию 20,04 мг/л Ca²⁺ или 12,16 мг/л Mg²⁺.  

Сравнение единиц измерения  жёсткости 

 

      По  степени жёсткости воду разделяют на пять классов:

1. Очень  мягкая (жёсткость от 0 до1,5 мг-экв/л)

2. Мягкая (жёсткость  1,5 до 4 мг-экв/л)

3. Средней  жёсткости (жёсткость от 4 до 8 мг-экв/л)

4. Жёсткая  (жёсткость от 8 до 12 мг-экв/л)

5. Очень  жёсткая (жёсткость свыше 12 мг-экв/л)

 

IV. Влияние жёсткости на качество воды 

      Присутствие в воде значительного количества солей кальция и магния пагубно влияют на её качество, а воду, использующуюся в технических целях, делают почти непригодной. Это связано с тем, что при нагревании жёсткой воды из неё выделяются нерастворимые соли, которые образуют плотный осадок - хорошо известную всем накипь. Сравнительно безобидная на стенках чайника, она может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники (в том числе посудомоечных и стиральных машин), а для автономных систем подогрева и отопления она является уже настоящей бедой. Причиной большинства случаев выхода из строя водонагревателей является отложение накипи на внутренних стенках теплообменников котлов и в трубах. Образование слоя накипи всего в несколько миллиметров снижает КПД котла на 10%. С другой стороны, использование мягкой воды (менее 2 мг-экв/л), в зависимости от ряда других факторов, может оказать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому часто приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жёсткостью воды и её коррозионной активностью.

      В повседневной жизни с пагубным влиянием жёсткости воды мы сталкиваемся при умывании и стирке вещей. Связано это с тем, что при взаимодействии солей жёсткости с моющими средствами (мыло, стиральные порошки, шампуни), в состав которых входят соли высших жирных кислот, происходит образование нерастворимых солей (“мыльных шлаков”): 

2C₁₇H₃₅COONa + CaSO₄ → (C₁₇H₃₅COO)₂Ca↓ + Na₂SO₄ 

Именно  они являются причиной значительного  перерасхода моющих средств. Кроме этого, эти соли при стирке осаждаются на тканях, делая их хрупкими и постепенно разрушая их. Однако при использовании в настоящее время синтетических стиральных этот эффект наблюдается в меньшей степени.

      Такая пена после высыхания остаётся в  виде микроскопической корки также  на коже человека и волосах. При этом разрушается естественная жировая  плёнка, которой всегда покрыты здоровые волосы и нормальная кожа, забиваются поры, появляются сухость и шелушение. Признаком такого негативного воздействия является характерный “скрип” чисто вымытой кожи. Оказывается, что вызывающее у некоторых людей чувство “мылкости” после пользования мягкой водой, является признаком того, что защитная жировая плёнка не нарушена; именно она-то и скользит. В противном случае, при её разрушении, приходится использовать различные увлажняющие кремы и лосьоны.

      С точки зрения применения воды для  питьевых нужд, её приемлемость по степени жёсткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. В большинстве случаев для потребителей приемлема вода с жёсткостью около 10 мг-экв/л. Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус. При заваривании чая или кофе в такой воде может выпадать незначительное количество бурого осадка. К тому же диетологами установлено, что в жёсткой воде хуже развариваются мясо и бобовые, при этом понижается питательность пищи и снижается усвояемость белков. Этот факт объясняется тем, что соли, обуславливающие жёсткость воды, вступают в реакцию с животными белками, образуя нерастворимые соединения, которые не способны усваиваться организмом.

      Спорным остаётся вопрос и о влиянии жёсткости воды на баланс минеральных веществ в организме человека. В материалах Всемирной Организации Здравоохранения  говорится о том, что ряд исследований статистически выявил определённую зависимость между жёсткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Однако имеющихся данных не достаточно для выводов о причинном характере этой связи. Поэтому ВОЗ не предлагает какой-либо рекомендуемой величины питьевой воды для человека.

 

V. Методы устранения жёсткости воды 

     Вышеописанные примеры влияния жёсткости на качество воды указывают на необходимость её устранения. Процесс, приводящий к снижению жёсткости воды, называется её умягчением. Умягчение сводится к уменьшению концентрации кальциевых и магниевых солей в воде. Умягчению обычно подвергают воду, идущую для питания паровых котлов. В зависимости от типа котла и рабочего давления в нём остаточная жёсткость воды может быть различной.

     Среди существующих способов умягчения основными  являются реагентные методы, термические  и метод обмена ионов. Обычно эти методы комбинируют между собой: сочетают реагентные методы с термическими или с методом ионного обмена.