Жесткость
воды: способы умягчения
и технологические схемы.
Роль воды в
жизни и быту человека, в промышленности
и сельском хозяйстве трудно переоценить.
Об этом достаточно подробно сказано
в статье [1]. Здесь мы остановимся
на понятии «жесткость воды» - оно широко
используется и в быту, и в промышленности.
1.
Источники водоснабжения
Вода
— самый распространенный в
природе жидкий минерал. Благодаря
своей уникальной растворяющей
способности она отражает минеральный
состав места рождения, источника
рождения и путь, который пришлось пройти
до потребителя.
Вода
в открытых морях и океанах,
куда стекаются все ручьи и
реки, из-за необозримых занимаемых
ею площадей, постоянного перемешивания
волнами и течениями в разных
точках Земного шара не сильно
отличается по составу. За счет минеральных
веществ, растворенных во всем ее объеме,
и интенсивного испарения морской воде
присуща высокая жесткость, впрочем, как
и высокое общее солесодержание. Однако
этого нельзя сказать о воде ручьев, рек
и озер. Состав воды в этих водных источниках
чрезвычайно отличается по составу, а
жесткость определяется наличием пород,
содержащих известняк, с которыми воде
пришлось встретиться на своем пути.
Например,
воды Риу-Негру (Черной реки) —
крупнейшего притока Амазонки —
отличаются исключительной мягкостью
и малым содержанием минеральных солей.
Это объясняется тем, что в русле реки
почти полностью отсутствует известняк,
а в воде — растворимые соли. Жесткость
воды Риу-Негру составляет порядка 1-20
dH, что соответствует 0,3-0,7 мг-кэкв/л (см.
табл. 1). Река течет по болотистым лесам,
в нее падают листва и деревья, которые
перегнивают в воде. За счет этого в воде
содержится большое количество гуминовых
кислот и углекислоты, что придает ей высокую
кислотность и темно-бурый цвет, который
и дал реке название Черная. В ней отсутствуют
почти все известные ядовитые вещества
(аммоний, нитриты и нитраты). Кроме того,
малое содержание минеральных солей снижает
электропроводность воды и соответственно
приводит к низкому осмотическому давлению.
А это затрудняет жизнь растениям и водным
организмам.
Можно
привести и другие примеры:
жесткость воды в озере Таньганьика
(Экваториальная Африка) достигает
70-110 мг/л (2,5-3,9 мг-кэкв/л), что свидетельствует
о наличии известняка в залегающих
на близлежащих территориях породах.
Вернемся
в наши широты. Вспомните, какое
обилие минеральных вод рождают
недра России. Состав воды в
минеральных источниках настолько
различается, что каждому из
них присваивают собственное
имя или номер.
Напрашивается
вывод: солесодержание, жесткость
— совершенно естественное свойство
воды или, как в последние
годы модно говорить, натуральное
и экологически чистое состояние.
Вопрос совсем не в жесткости
воды, а в том, для каких целей
она используется. В зависимости от
этого состав воды целесообразно приводить
в соответствие с научно установленными
нормами для соответствующего технологического
процесса или потребителя. Например, завод
по приготовлению питьевой воды в городе
Афины штата Огайо сначала чистит исходную
воду с жесткостью 300 мг/л методом ионного
обмена практически до нуля, а затем смешивает
поток очищенной воды с потоком исходной
так, чтобы получить питьевую воду с жесткостью
140-150 мг/л (в пересчете на кальций 7-7,5 мг-кэкв/л).
Это соответствует принятым в США нормам
по содержанию солей жесткости в питьевой
воде. По российским нормам на питьевую
воду предельно-допустимая концентрация
(ПДК) солей жесткости не должна превышать
7 мг-кэкв/л. Таким образом, по принятой
во всем мире классификации (см. табл. 1)
питьевую воду следует отнести к «жесткой».
Здравый
смысл подсказывает, что в качестве
источника водоснабжения лучше
всего использовать не реку, не
озеро, не колодец, где состав
воды меняется в зависимости
от времени года и непредсказуемого
прорыва загрязнений, а обычную воду из
магистрального водопровода.
Вода
в городской сети, по крайней
мере, должна фильтроваться, очищаться,
приводиться в соответствие санитарным
нормам, ну и конечно находиться
под постоянным контролем специальных
служб городского водоканала.
2.
Жесткость воды
Так исторически
сложилось, что техника не всегда
строго следовала терминологии,
принятой в базовых, фундаментальных
науках — математике, физике и
химии. Инициативные инженеры, прокладывая
новые пути в технике, одновременно сочиняли
термины, образовавшие специфичный язык
отдельных отраслей (по сути жаргон). Со
временем от частого употребления жаргон
переродился в профессиональный язык.
Так было во всем мире. И странный термин
в «прикладной» химии воды — «жесткость»
появился именно таким образом. Жесткость
воды никак не связана ни с ее механическими
свойствами, ни с сопротивлением материалов.
2.1.
Виды жесткости воды
Под жесткостью
воды понимают [2] совокупность свойств
воды, обусловленную наличием в ней катионов
Ca2+ и Mg2+. Сумму концентраций этих ионов
называют общей жесткостью.
Любители
разведения рыб вынуждены заливать
в аквариумы воду той жесткости,
которая соответствует естественной
среде обитания их питомцев. Однако
в быту, промышленности, коммунальном
хозяйстве жесткая вода приводит к образованию
отложений на поверхности котлов, бойлеров,
трубопроводов, технологических аппаратов.
В жесткой воде не мылится мыло, что увеличивает
его расход. Таким образом, борьба с жесткостью
— умягчение воды и деминерализация —
имеет целью снижение эксплуатационных
затрат: на чистку от накипи технологического
оборудования, на энергозатраты для производства
пара и горячей воды. Кроме того, жесткость
воды влияет на качество стирки и продолжительность
работы бытовых приборов, в которых используется
вода.
Различают
общую жесткость (ОЖ), карбонатную
(временную) жесткость (КЖ) и некарбонатную
(постоянную) жесткость (ПЖ). Если
понятие общей жесткости характеризует
суммарную концентрацию ионов Ca2+ и
Mg2+, КЖ — концентрацию карбонатов и гидрокар-бонатов
(бикарбонатов), то ПЖ — концентрацию ионов
кальция и магния, не эквивалентных карбонатной
жесткости. Таким образом,
ОЖ=КЖ + ПЖ.
(1)
Карбонатная
жесткость создается солями угольной
кислоты: карбонатами и гидрокарбонатами.
Временной она называется потому, что
соли угольной кислоты разлагаются с образованием
летучего углекислого газа. Скорость разложения
растет с ростом температуры. Карбонат
кальция разлагается при 825°С, образуя
углекислоту и окись кальция — обожженную
известь. Гидрокарбонат кальция, растворимость
которого довольно высока, при кипячении
водного раствора выделяет углекислый
газ и переходит в карбонат кальция. Кипячение
воды может привести к снижению карбонатной
жесткости, если гидрокарбонат кальция,
выделяя СО2, перейдет в карбонат, а последний
кристаллизуется и выпадет в осадок или
сядет в виде накипи на стенки емкости,
в которой вели кипячение.
Некарбонатная
жесткость определяется наличием
в воде солей кальция, магния и всех остальных
кислот, кроме угольной: сульфатами, хлоридами,
силикатами, нитратами, фосфатами и т.д.
Как следует из определения, постоянная
жесткость кипячением не убирается. Впрочем,
это не совсем точно, т.к. сульфаты и фосфаты
кальция в определенных условиях также
могут кристаллизоваться, образуя отложения
на стенках промышленных аппаратов в виде
ангидрита, гипса, полуводного сульфата
кальция, гидросиликата и гидроаппатита.
Но это проблема большой энергетики и
химической промышленности. При использовании
воды в коммунальном хозяйстве, быту, малой
энергетике из-за относительно высокой
растворимости, например, сульфата кальция
и, как правило, невысокой концентрации
их в исходной воде с такой проблемой приходится
сталкиваться относительно редко. Впрочем,
о сульфате кальция, как о причине отложений
на ионообменной смоле и на внутренней
поверхности установки по умягчению воды,
нам еще придется вспомнить в разделе
5.4.4. «Слабокислый катионит».
2.2.
Способы выражения жесткости
Как следует
из вышеизложенного, классификация
воды по видам жесткости достаточно
условна и носит скорее качественный,
чем количественный характер.
В разных
странах приняты различные способы
выражения концентраций и, как
следствие, различны границы качественной
классификации воды по жесткости.
В странах
СНГ концентрацию солей жесткости
в воде выражают в милли-грамм-кэквивалентах
в литре, мг+экв/л. Хотя концентрацию
других солей — в мг/л. В
Германии жесткость воды выражают
в градусах жесткости: dH, реже в dGH. 1
dH = 10 мг/л СаО. В США жесткость воды пересчитывают
в СаСО3 и выражают в «частях на миллион»,
ppm. 1 мг+экв/л Са2+ = 2,8 dH СаО = = 50 ppm СаСО3.
В табл.
1 мы приводим качественную классификацию
воды по степени жесткости и соответствующие
ей границы концентраций солей жесткости,
принятые в разных странах.
3.
Кратко об ионном
равновесии
В 1887 г.
шведский физикохимик, нобелевский
лауреат Сванте Аррениус ввел
в арсенал науки о растворах
представление об электролитической
диссоциации. Растворенное в воде вещество
в результате взаимодействия с молекулами
воды способно распадаться на ионы — электрически
заряженные частицы. Этот процесс называют
диссоциацией. В результате образуется
раствор электролита. Способность диссоциировать
у разных веществ совершенно разная. Сильные
электролиты диссоциируют полностью,
т.е. их молекулы с высокой скоростью полностью
распадаются на ионы. К таким веществам
относятся соли сильных кислот, например,
серной Н2SO4 и соляной HCl, и сильных оснований,
например, гидроксида натрия NaOH и гидроксида
KOH. Есть вещества, которые очень слабо
диссоциируют, т.е. с низкой скоростью.
Типичными представителями таких веществ
являются соли слабых кислот, например,
угольной H2CO3 и сероводородной H2S, и слабых
оснований, например, гидроксида кальция
Са(ОН)2 и гидроксида магния Mg(ОН)2.
Важным
положением науки о диссоциации
является наличие одновременно
протекающего обратного процесса
— ассоциации ионов в молекулы.
Химическая кинетика установила,
что скорость любого процесса определяется
концентрацией участвующих в нем компонентов.
Чем выше концентрация хотя бы одного
участника процесса, тем выше и скорость
самого процесса.
Из этого
следует, что процесс ассоциации
несколько запаздывает по сравнению
с процессом диссоциации — ведь в растворе
сначала должен появиться «строительный
материал» ассоциации. Когда вещество
(для многокомпонентных растворов — вещества)
растворится полностью и диссоциирует
с присущей ему полнотой, и заработает
процесс ассоциации, то в растворе установится
динамическое равновесие: какое-то число
молекул распадется на ионы, какое-то число
ионов соединится в молекулы. Количественной
характеристикой баланса диссоциация/ассоциация
при установившемся равновесии в растворе
электролита принята константа процесса,
под которой понимают соотношение скоростей
реакций диссоциации и ассоциации. Если
скорость диссоциации низкая, а скорость
ассоциации высокая, константа диссоциации
будет выражаться числом меньше единицы.
3.1.
Диссоциация воды и
рН
Дистиллированная
вода диссоциирует на ионы
по следующей схеме
H2O±2H+ + ОН-.
(2)
Знак
± указывает на то, что как
диссоциация молекул воды на
ионы, так и ассоциация образовавшихся
ионов в молекулу воды протекает
одновременно. Поскольку концентрация
протонов (положительно заряженных ионов)
и гидроксильных ионов (отрицательных
ионов) одинакова, вода в целом электронейтральна.
Скорость ассоциации ионов, образующихся
в правой части уравнения (2), настолько
высока по сравнению со скоростью диссоциации
молекул, что в дистиллированной воде
присутствует всего лишь10-7 = 0,0000001 моль/л
ионов водорода (протонов) и ровно столько
же гидроксильных (щелочных) ионов. Вода
с таким содержанием протонов и гидроксильных
ионов имеет нейтральную реакцию. Если
концентрация протонов начинает расти
(Н+> 10-7), то вода становится кислой. Если
концентрация протонов падает, но растет
концентрация гидроксильных ионов (ОН-
> 10-7), то вода становится щелочной.
Поскольку
число с большим количеством нулей
или высоким отрицательным значением
показателя степени применять неудобно,
договорились представлять малые концентрации
в логарифмическом виде. В результате
логарифмирования lg(10-7) = -7. Отрицательный
логарифм концентрации водородных ионов
условились обозначать значком рН. Итак,
при рН = 7 вода считается нейтральной.
Если рН < 7 — вода кислая, если рН > 7,
то вода щелочная.