Многие слышали об умягчении жесткой воды и стараются обязательно заказать себе для водоподготовки умягчитель.Так ли это важно и нужно?
Физиологическая норма жесткости указана в СанПиНе 2.1.4.1116-02 на бутылированную воду и составляет от 1,5 до 3,5 ммоль/л. Для бытовой техники требуется еще более мягкая воды, чтобы не образовывалась накипь.
Различают два вида жёсткости:
Карбонатная (временная)
- называют потому, что она устраняется кипячением.
Некарбонатную (постоянную)
- называют потому, что при кипячении жёсткость не устраняется, но при выпаривании на стенках сосуда образуется в виде накипи светло-белый малорастворимый осадок типа сульфата кальция или магния.Соли MgCl2, CaCl2, MgSO4, содержащиеся в воде с постоянной жёсткостью, вызывают коррозию стальных конструкций и ускоряют износ водонагревательного и отопительного оборудования.При использовании для водона-гревательного оборудования и отопительной техники жёсткой воды образуется накипь из карбонатов кальция и магния, гипса и других солей.Образование накипи затрудняет нагревание воды, вызывает увеличение расхода электричества и топлива.
В жёсткой воде плохо развариваются мясо, овощи, крупа, плохо заваривается чай. При стирке тканей (как и при мытье головы) образующиеся нерастворимые соединения осаждаются на поверхности нитей и постепенно разрушают волокна.
Умягчение воды - процесс удаления из неё катионов жёсткости, т.е. кальция и магния.
Термический метод основан на нагревании воды до температуры выше точки кипения, её дистилляцией или вымораживанием с целью устранения карбоната кальция и карбоната магния. Вследствие применения указанного метода остаточная жёсткость воды составляет не более 0,7 ммоль/л. Поэтому термический метод применяется для технических нужд, в частности при использовании вод,идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами.
При умягчении воды реагентными методами используют реагенты, образующие при взаимодействии с кальцием и магнием малорастворимые соединения с последующим их отделением в осветителях, тонкослойных отстойниках и осветительных фильтрах. В качестве реагентов-осадителей используют известь, кальцинированную соду, гидрооксиды натрия и бария и другие вещества. Выбор реагентов зависит от качества исходной воды и условий её дальнейшего применения. При применении реагентных методов остаточная жёсткость воды составит до 0,7 мг/л. В соответствии с рекомендациями «Строительных норм и правил» (СН и П) реагентные методы в основном используются для умягчения поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды.
Умягчение воды основанное на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану , разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Умягчение воды методом диализа осуществляется в мембранных аппаратах с нитро- и ацетатцеллюлозными плёночными мембранами. В результате применения данного метода остаточная жёсткость воды составит до 0,01 мг/л и ниже. Отрицательной стороной метода диализа является высокая себестоимость мембранных аппаратов.
Магнитная обработка воды - распространена для борьбы с образованием накипи. Сущность метода состоит в том, что при пересечение водой магнитных силовых линий образователи накипи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки (шлам) удаляют при продувке.
Наибольшее практическое применение получил ионообменный метод умягчения воды. Сущность ионообменного метода заключается в способности ионообменных материалов (ионитов) поглощать из воды положительные или отрица-тельные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. В зависимости от состава существуют минеральные и органические катиониты, которые, в свою очередь, разделяются на вещества естественного и искусственного происхождения. В технологии подготовки воды широко применяют органические катиониты искусственного происхождения, так называемые ионообменные смолы. Качество ионообменных смол характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей ёмкостью и др.В установках умягчения воды использует ионообменные смолы, основанные на применении катионита в Na-форме и анионита в Cl-форме, т.е. использует метод натрий - хлор-ионирования. Указанный метод состоит из следующих стадий: натрий-катионирования и хлор-катионирования. На стадии натрий-катионирования происходит замещение ионов кальция и магния, придающих воде жёсткость, на ионы натрия.
В результате обрабатываемая вода умягчается, а кальций и магний образуют нерастворимый полимер. При пропуске натрий-катионированной воды через хлор-аноион протекают реакции обмена анионов, содержащихся в Na- катионированной воде, на ионы хлора и щёлочность обрабатываемой воды снижается. Для восстановления свойств ионообменной смолы (регенерации) используется раствор поваренной соли. Таким образом, достигается глубокое умягчение воды (до 0,03 … 0,05 ммоль/л). При применении метода натрий - хлор-ионирования расходуется только один реагент - поваренная соль, не требуется антикоррозийной защиты оборудования, трубопроводов и специальной арматуры, уменьшается количество оборудования, упрощается контроль работы и эксплуатации водоумягчительной установки. В результате повышается надёжность и уменьшается стоимость установки для умягчения воды. Только пить постоянно такую умягченную
Под умягчением воды подразумевается процесс удаления из нее катионов жесткости, т.е. Са и Мg. Умягчение воды осуществляется следующими методами:
1) термическое умягчение, основанное на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживанием;
2) реагентное, в котором находящиеся в воде ионы жесткости, связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения;
3) ионным обменом, основанным на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы натрия или водорода на катионы кальция и магния;
4) диализ;
5) комбинированный, представляющий различные сочетания перечисленных методов.
Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями.
Термический метод умягчения воды.
Целесообразно применять при использовании карбонатных вод, идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами умягчения воды. Он основан на смещении углекислотного равновесия при нагревании воды в сторону образования карбоната кальция
Са(НСО 3) 2 → СаСО 3 ↓+СО 2 + Н 2 О
Равновесие смещается за счет понижения растворимости СО 2 , вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить СО 2 и тем самым значительно снизить карбонатную жесткость. Кроме того, снижается жесткость, определяемая сульфатом кальция. Однако, полностью удалить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция все же растворим в воде (18 мг/л). Применяется для этого метода – термоумягчитель. Время пребывания воды в нем 30-45 минут.
Реагентные методы умягчения.
Основаны на обработке воды реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения Мg(ОН) 2 , СаСО 3 , Са 3 (РО 4) 2 и другие, с последующим их отделением в осветлителях. В качестве реагентов используется известь, кальцинированная сода, гидроксиды натрия, бария и другие вещества.
Умягчение воды известкованием применяют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде суспензии в предварительно подогретую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ОН - и Са +2 ионами, что приводит к связыванию растворимого в воде СО 2 с образованием СО 3 -2 и переходу НСО 3 в СО 2 .
СО 2 + 2 ОН - →СО 3 -2 + Н 2 О; НСО3 - +ОН - → СО 3 –2 + Н 2 О
Повышение в обрабатываемой воде концентрации СО 3 –2 и присутствие в ней ионовСа +2 с учетом введенных с известью, приводит к осаждению СаСО 3
Са +2 + СО 3 –2 → СаСО 3 ↓.
Для ускорения процесса одновременно с известкованием применяют коагулирование.
Дозу извести определяют по формуле:
Д и = 28([СО 2 ] /22 +2 Ж к - [ Са +2 ]/20 +Д к /е к + 0.5)
Д к – доза коагулянта, е –эквивалентная масса активного вещества коагулянта,
Выражение Д к /е к – берут со знаком -, если коагулянт вводится ранее извести и +, если совместно или после.
Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом, добавлением избытка реагента - осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимся осадком.
Фосфатирование применяют для доумягчения воды. Остаточная жесткость снижается до 0.02-0.03 мг*экв /л. Фосфатированием достигается также большая стабильность воды, снижение ее коррозионного действия на металлические трубопроводы и предупреждаются отложения карбонатов на внутренней поверхности стенок труб. В качестве фосфатирующего реагента используется гексаметафосфат натрия, триполифосфат натрия. Фосфатный метод умягчения при использовании тринатрийфосфата является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса описывается уравнением:
3Са(НСО 3) 2 /3 Мg(НСО 3) 2 + 2 Nа 3 РО 4 = Са 3 (РО 4) 2 / Мg 3 (РО 4) 2 +6 NаНСО 3 .
Фосфатное умягчение осуществляется при подогреве воды до 105 –150 0 С. Образующиеся осадки Са 3 (РО 4) 2 и Мg 3 (РО 4) 2 хорошо адсорбируют их умягченной воды коллоиды и кремниевую кислоту, поэтому этот метод применяется для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления.
Умягчение воды диализом.
Диализ – метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированные и разбавленные растворы. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро - и ацетатцеллюлозными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы.
Магнитная обработка воды.
В настоящее время для борьбы с накипеобразованием и инкрустацией успешно применяют магнитную обработку воды. Ее суть заключается в действии магнитного поля на ионы солей, растворимых в воде. Под влиянием магнитного поля происходит поляризация и деформация ионов, сопровождающееся уменьшением их гидратации, повышающей вероятность их сближения и образование центров кристаллизации. Сущность метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий, накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки удаляют при продувке.
Умягчение воды катионированием.
Сущность ионного обмена заключается в способности ионитов поглощать из воды положительные и отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. Процесс водообработки методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов – называют катионированием.
Катиониты в воде разбухают, увеличиваются в объеме. Энергия вхождения в катионит различных катионов по величине их динамической активности может быть охарактеризована следующим рядом:
Nа < NН 4+ < К + < Мg +2 < Са +2 < Аl +3 Е р = (Q* Ж и)/(а
*h к), где Ж и – жесткость воды; Q – количество умягченной воды, м 3 ; а – площадь катионитового фильтра, м 2 ; h к – высота слоя катионита, м. Длительность работы фильтра определяется по формуле: Т к = Е р * h к /V к *Ж и. где V к – скорость фильтрования воды. В технике подготовки воды применяют органические катиониты. Они содержат функциональные химические активные группы, Н + которых способны замещаться другими катионами: четвертичные амины NН 3 ОН, сульфогруппы НSО 3 , карбоксильные группы СООН. Группа НSО 3 обладает сильнокислотными, а СООН – слабокислотными свойствами. В зависимости от содержания функциональных групп катиониты делят на слабокислотные и сильнокислотные. Сильнокислотные обменивают катионы в щелочной, нейтральной и кислой среде, слабокислотные – только в щелочной среде. Качество катионитов характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей обменной емкостью. Фракционный состав характеризует эксплуатационные свойства катионита. Рабочая обменная емкость зависит от вида извлекаемых катионов, соотношения солей в умягченной воде, рН, высоты слоя катионита, объема фильтра, режима эксплуатации, удельного расхода регенерирующего реагента. Натрийкатионирование.
Этот метод применяется для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ н/б 8 мг/л и цветности н/б 30 0 .Жесткость воды снижается при одноступенчатом катионировании до 0.05 –0.1, при двухступенчатом – до 0.01 мг*экв /л. Процесс натрийкатионирования описывается следующими уравнениями: 2 Nа[К] + Са(НСО 3) 2 / Мg(НСО 3) 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 +2 NаНСО 3 2 Nа[К] + СаСl 2 / Мg Сl 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 + 2 NаСl, где [К] – нерастворимая матрица полимера. После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать. Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах состоит из следующих операций: Фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допустимой жесткости в фильтрате; Взрыхление слоя катионита восходящим потоком воды; Спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерационного раствора; Регенерация катионита посредством фильтрования соответствующего раствора; Отмывка катионита. Выбор метода диктуется требованиями, предъявляемыми к умягченной воде, Свойствами исходной воды и технико-экономическими соображениями. Регенерация осуществляется 5% раствором хлористого натрия в количестве 1.2 м 3 раствора на 1 м 3 смолы, затем остаточное количество в виде 8% раствора. Процесс регенерации описывается следующей реакцией: Са[К] 2 / Мg[К] 2 + 2 NаСl↔2 Nа[К] + СаСl 2 / Мg Сl 2 Хлористый натрий применяется из-за его доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получают при этом хорошо растворимые соли СаСl 2 и МgСl 2 , легко удаляемые с регенерационным раствором и водой. Водород-натрийкатионитовое умягчение воды.
Обработка воды Н-катионированием основана на фильтрации ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов водород. 2 Н[К] + Са(НСО 3) 2 / Мg(НСО 3) 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 +2Н 2 О +СО 2 2 Н[К] + NаСl↔2 Nа[К] + НСl; 2 Н[К] +Nа 2 SО 4 ↔2 Nа[К] +Н 2 SО 4 При Н-катионировании воды значительно снижается ее рН из –за кислот, образующихся в фильтрате. Выделяющийся при Н-катионировании СО2 можно удалить дегазацией и в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию SО 4 -2 и Сl - в исходной воде. Из приведенных реакций видно, что щелочность воды в процессе ионного обмена не изменяется. Следовательно, пропорционально смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со щелочным фильтратом после Nа – катионитовых фильтров можно получить умягченную воду с различной щелочностью. В этом заключается сущность и преимущества Н- Nа – катионирования. Применяют параллельное, последовательное и смешанное Н- Nа – катионирования. При параллельном – 1 часть воды идет через Nа – катионитовый фильтр, другая – через Н-катионитовый. Образующиеся воды смешивают в таких пропорциях, чтобы щелочность не превышала 0.4 мг*экв/л. При последовательном – часть воды пропускают через Н-катионитовый, затем смешивают с остальной водой и подают на Nа – катионитовый фильтр. Это позволяет полнее использовать обменную емкость Н-катионита и снизить расход кислоты на регенерацию. Смешанное катионирование осуществляется в одном фильтре, загруженном вверху - Н-катионитом, внизу - Nа – катионитом. Жёсткость воды
- совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния. Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием - мягкой. Различают временную жёсткость, образованную гидрокарбонатами и постоянную жёсткость, вызванную присутствием других солей. Известно,
что важнейшей характеристикой пресной воды является её жесткость. Под жесткостью понимают количество миллиграмм-эквивалентов ионов кальция или магния в 1 л воды. 1 мг÷экв/л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг Са2+ или 12,16 мг Mg2+. По степени жесткости питьевую воду делят на очень мягкую (0–1,5 мг÷экв/л), мягкую (1,5–3 мг÷экв/л), средней жесткости (3–6 мг÷экв/л), жесткую (6–9 мг÷экв/л) и очень жесткую (более 9 мг÷экв/л). Наилучшие вкусовые свойства имеет вода с жесткостью 1,6–3,0 мг÷экв/л, а, согласно СанПиН 2.1.4.1116–02, физиологически полноценная вода должна содержать солей жесткости на уровне 1,5–7 мг÷экв/л. Однако при жесткости воды выше 4,5 мг÷экв/л происходит интенсивное накопление осадка в системе водоснабжения и на сантехнике, нарушается работа бытовых приборов. Обычно умягчение проводят до остаточной жесткости 1,0–1,5 мг÷экв/л, что соответствует зарубежным нормативам по эксплуатации бытовой техники. Вода, имеющая жесткость ниже 0,5 мг÷экв/л является коррозионно-активной по отношению к трубам и котлам, способна вымывать отложения в трубах, накапливающиеся при долгом застаивании воды в системе водоснабжения. Это влечет за собой появление неприятных запаха и вкуса воды. осуществляют методами: термическим, основанным на нагревании воды, её дистилляции или вымораживании; реагентными, при которых находящиеся в воде ионы Са (II) и Mg (II) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения; ионного обмена, основанного на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы Na (I) или Н (I) на ионы Са (II) и Mg (II), содержащиеся в воде; диализа; комбинированным, представляющим собой различные сочетания перечисленных методов. Выбор метода умягчения определяется качеством воды, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями, представленными в таблице снизу. натрий-катионирование - процесс извлечения из воды ионов жесткости - кальция и магния и замена их на ионы натрия.
При пропуске воды сверху вниз через слой катионита происходит её умягчение, заканчивающееся на некоторой глубине. Слой катионита, умягчающий воду, называют работающим слоем или зоной умягчения. При дальнейшем фильтровании воды верхние слои катионита истощаются и теряют обменную способность. В ионный обмен вступают нижние слои катионита и зона умягчения постепенно опускается. Через некоторое время наблюдаются три зоны: работающего, истощенного и свежего катионита. Жесткость фильтрата будет постоянной до момента совмещения нижней границы зоны умягчения с нижним слоем катионита. В момент совмещения начинается «проскок» катионов Са+2 и Мg+2 и увеличение остаточной жесткости, пока она не станет равной жесткости исходной воды, что свидетельствует о полном истощении катионита. Рабочую обменную емкость фильтра Ер г÷экв/ м3, можно выразить так: Ер = QЖи; Ер = ер Vк. Объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии Vк = аhк. Формула для определения рабочей обменной емкости катионита, г÷экв/ м3: ер = QЖи /аhк; где Жи - жесткость исходной воды, г÷экв/ м3; Q - количество умягченной воды, м3; а - площадь катионитового фильтра, м2; hк - высота слоя катионита, м.Обозначив скорость фильтрования воды в катионитовом фильтре vк, количество умягченной воды можно найти по формуле: Q = vк aTk = ераhк /Жи; откуда длительность работы катионитового фильтра (межрегенерационный период) находим по формуле: Tk = ерhк /vк Жи. По исчерпании рабочей обменной способности катионита его подвергают регенерации, т.е. восстановлению обменной емкости истощенного ионообменника путем пропуска раствора поваренной соли.
Ионообменные смолы
нашли широкое применение во всем мире в устройствах по водоочистке. Это мелкие шарики из полимерных материалов, насыщенных ионами, способные изымть из воды различные ионы, взамен отдавая свои; их для удобства назвали "ионообменными смолами", хотя правильное научное название их - "иониты". По структуре иониты подразделяются на гелевые способные к ионообмену только в набухшем состоянии, макропористые и промежуточной структуры. Если иониты обменивают анионы - это аниониты, если катионы - катиониты. Аниониты классифицируются как сильноосновные (обмен анионов происходит при любых значениях рН), слабоосновные (обмен анионов из кислот - рН 1-6), смешанной активности. Катионоты бывают сильной кислотности, способные к ионообмену при любых значениях рН, и слабокислотные при рН больше 7. Приведем характеристики некоторых катионоообменников. Среди сильнокислотных катионообменников отечественного производства, разрешенных к применению для хозяйственно-питьевого водоснабжения, можно выделить КУ-2–8чС. Получают его сульфированием гранульного сополимера стирола с 8% дивинилбензола. КУ–2–8чС по структуре и свойствам близок к следующим зарубежным сульфокатионитам особой степени чистоты: амберлайту IRN-77 (США), зеролиту 325 NG (Англия), дауэксу HCR-S-Н (США), дуолайту ARC-351 (Франция), вофатиту RH (Германия). По внешнему виду - сферические зерна от желтого до коричневого цвета, размером 0,4–1,25 мм, удельный объем не более 2,7 см3/г. Полная статическая обменная емкость не менее 1,8 г÷экв/л, мин, динамическая обменная емкость с полной регенерацией не менее 1,6 г÷экв/л. В настоящее время
нашли широкое применение сильнокислотные катиониты фирмы Пьюролайт: C100, С100Е, С120Е (аналоги отечественных смол КУ-2–8, КУ–2–8чС). Применяется ионообменная смола фирмы Пьюролайт С100Е Аg (обменная емкость 1,9 г÷экв/л, насыпная масса 800–840 г/л), представляющая собой серебросодержащий катионит для водоумягчения, обладающий бактерицидным действием. Существует отечественный аналог КУ-23С - макропористый катионит бактерицидного действия (статическая обменная емкость 1,25 г÷экв/л, насыпная масса 830–930 г/л). Применяется для умягчения питьевой воды как в промышленности, так и в быту катионит Пьюрофайн С100ЕF - он имеет ряд преимуществ по сравнению с общепринятыми смолами для водоумягчения. Обладает намного большей рабочей емкостью при обычных скоростях потока, повышенной рабочей емкостью при высоких скоростях потока, при меняющемся и прерывающемся потоке. Минимальная общая обменная емкость 2,0 г÷экв/л. Особенность катионита С100ЕF состоит в том, что он требует меньшего объема и количества регенеранта (NaCl). Применяется сильнокислотный катионит IONAС/С 249 для умягчения воды бытового и муниципального применения. Обменная емкость 1,9 г÷экв/л. Умягчение воды натрий-катионитовым методом на указанных смолах (жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05...0,1, при двухступенчатом - до 0,01 мг÷экв/л) описывается следующими реакциями обмена:
После истощения
рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать. Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах слагается из следующих последовательных операций: фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допускаемой жесткости в фильтрате (скорость фильтрования в пределах 10...25 м/ч); взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды, отработанного регенерата или отмывных вод (интенсивность потока 3...4 л/(см2); спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора; регенерации катионита посредством фильтрования соответствующего раствора (скорость фильтрования 8...10 м/ч). На регенерацию обычно затрачивают около 2ч, из них на взрыхление - 10...15, на фильтрование регенерирующего раствора - 25...40, на отмывку - 30...60 мин. МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Юго-Западный государственный университет» Кафедра общей и неорганической химии УТВЕРЖДАЮ Первый проректор – проректор по учебной работе Е.А. Кудряшов «___»____________2012 г. ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЁ УМЯГЧЕНИЯ Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ""Химия"" для студентов нехимических специальностей УДК 546 Составители: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи Рецензент Кандидат химических наук, доцент В. С. Мальцева Жёсткость воды и методы её умягчения: Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ""Химия"" для студентов нехимических специальностей / Юго-Зап. гос. ун-т; Сост.: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи Курск, 2012. 18с. Излагаются методические материалы по оценке жёсткости воды и методам её умягчения, представлены лабораторная работа по данной теме и индивидуальные задания для студентов. Предназначены для студентов нехимических специальностей. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ 1.
Жёсткость воды и причины её образования. Единицы измерения жёсткости.
2.
Виды жёсткости: временная, постоянная, общая, карбонатная и некарбонатная. Какими ионами они обусловлены?
3.
Влияние жёсткости на рН воды.
4.
Негативные последствия использования жёсткой воды в промышленности.
5.
Основные методы умягчения промышленных вод. Чем руководствуются при их выборе?
6.
Термический метод умягчения воды. Его достоинства и недостатки.
7.
Реагентные методы, используемые для умягчения воды. Какие химические процессы происходят при умягчении воды методом: а) известкования; б) фосфатирования; в) содовым; г) добавлением гидроксида натрия?
8.
Умягчение воды ионнообменным методом.
9.
Ионообменная емкость катионита и анионита. В каких единицах она выражается? От каких факторов зависит?
10.
Почему для регенерации катионита его промывают раствором хлористого натрия, а затем водой? Можно ли регенерировать катионит, промывая его раствором хлористого магния?
Библиографический список 1.
Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высш. шк., 2007 г.
2.
Задачи и упражнения по общей химии/ Под ред. Н.В. Коровина. М.: Высш. шк., 2004 г.
3.
Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. М.:
Интеграл-прес, 2002 г. 4.
Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк.,
Природная вода является сложной многокомпонентной системой, в которой содержатся в растворенном виде различные органические и неорганические соединения. 1) Главнейшие ионы. Катионы: Na+
, Ca2+
, Mg2+
, K+
(реже Fe2+
, Fe3+
, Mn2+
); Анионы: HCO3
-
, SO4
2-
, Cl-
, CO3
2-
(реже HSiO3
-
, SO3
2-
, S2
O3
2-
). 2) Растворенные газы. В воде чаще всего растворены: углекислый газ, кислород, азот, сероводород, метан и др. 3) Биогенные вещества. К
биогенным веществам относятся те соединения, которые возникают в связи с жизнедеятельностью организмов. В их состав входят различные формы азота (аммиачный, нитритный, нитратный), фосфора, кремния, железа.
4) Микроэлементы. К
ним относятся элементы, которые содержатся в воде в количествах меньших
10-3
%. 5) Органические вещества. Это могут быть различного рода растительные и животные организмы, микроорганизмы и продукты их взаимодействия с окружающей средой. Природные воды сильно различаются по общему содержанию растворенных солей и по относительному содержанию различных ионов. Это различие может существенно влиять на свойства воды и, следовательно, на применение ее в различных областях. Специфические свойства воде придают ионы Ca2+
и Mg2+
, присутствие которых определяют жесткость воды
.
Жесткость воды – один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод, который характеризуется содержанием числа миллимолей эквивалентов ионов Са2+
и Мg2+
в 1 л воды. Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию в воде 20,04 мг/л Са2+
или 12,16мг/л Mg2+
, что соответствует значению эквивалентной массы этих ионов. Эти ионы появляются в природных водах в результате взаимодействия с известняками или в результате растворения гипса. CaCO3
+ H2
O + CO2
= Ca2+
+ 2HCO3
-
Жёсткость природных вод колеблется в широких пределах. Вода, жёсткость которой менее 4 мэкв/л ионов Са2+
и Мg2+
, характеризуется как мягкая,
от 4 до 8 – умеренно жёсткая
, от 8 до 12 – жёсткая
и более 12 мэкв/л – очень жёсткая
. Например, наиболее мягкой является вода атмосферных осадков (0,07-0,1мэкв/л), а жесткость океанской воды составляет 130 мэкв/л. Различают несколько видов жёсткости: общую, временную, постоянную, карбонатную и некарбонатную. Общей жёсткостью
называется суммарная концентрация ионов Ca2+
, Mg2+
в воде, выраженная в мэкв/л. Постоянная жёсткость -
часть общей жёсткости, остающаяся после кипячения воды при атмосферном давлении в течение определённого времени. Временная жёсткость –
часть общей жёсткости, удаляющаяся кипячением воды при атмосферном давлении в течение определённого времени. Она равна разности между общей и постоянной жёсткостью. Карбонатная жёсткость
– часть общей жёсткости, эквивалентная концентрации гидрокарбонатов кальция и магния. Некарбонатная жёсткость
- часть общей жёсткости, равная разности между общей и карбонатной жёсткостью. Пример 1.
В 5 м
3
воды содержится 250 г
ионов кальция и 135 г
ионов магния. Определить общую жесткость воды. Решение
. Найдем содержание ионов кальция и магния (в мг/л)
в 250 1000 / 5 1000 = 50 (мг/л) ионов Са2+
и
135 1000 / 5 1000 = 27 (мг/л) ионов Mg
2+
. 1 мэкв
жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л
ионов. Са2+
или 12,16 мг/л
ионов Мg2+
; следовательно, Ж =
50/20,04 + 27/12,16 =
4,715 (мэкв/л). Ответ
: вода умеренно жесткая. Пример 2
. Вычислить карбонатную жёсткость воды, зная, что на титрование 100мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция, потребовалось 6,25мл, 0,08 н раствора НС1. Привести уравнение соответствующей реакции. Решение
: Задачу решаем используя закон эквивалентов для растворов. Вычислим нормальность раствора гидрокарбоната кальция: N1
= 6,25 0,08 ⁄ 100 = 0,005 н Следовательно, в 1 л воды содержится 0,005 1000 = 5 мэкв гидрокарбоната кальция. Ответ:
Ж=5мэкв/л Ионы Ca2+
и Mg2+
не представляют опасности, но значительное их содержание в воде приводит к перерасходу мыла, ухудшению вкуса продуктов и т.д. При нагревании и, особенно при испарении воды соли этих металлов образуют слой накипи, снижающий коэффициенты теплопередачи в охлаждающих и нагревающих системах, что является крайне нежелательным. Использование природной воды в технике требует ее предварительной очистки. Процесс, приводящий к снижению жёсткости воды, называется умягчением воды
. Способы умягчения воды можно разделить на три основные группы: 1) термическое умягчение воды; 2) реагентные методы умягчения; 3) умягчение воды методом ионного обмена. 1. Термический способ умягчения воды Временная или карбонатная жесткость
, устраняется нагреванием воды до 70-80°С и последующей фильтрацией. При нагревании протекают реакции: Са(НСОз)2
= СаСО3
+
СО2
+ H2
O Mg(HCО3
)2
=
MgCО3
+ CO2
+ H2
О Однако полностью устранить карбонатную жёсткость термическим методом нельзя, т. к. СаСО3
, хотя и незначительно, но растворим в воде. Растворимость МgСО3
достаточно высока, поэтому гидрокарбонат магния сразу же взаимодействует с водой, т.е. наблюдается процесс гидролиза и вместо МgСО3
, в осадок выпадает Mg(ОН)2:
MgC03
+ H2
О =Мg(ОН)2
+ СO2
Термическое умягчение воды связано со значительными затратами, поэтому применяется лишь в том случае, когда вода должна подвергаться соответствующему нагреву. 2. Реагентное умягчение воды.
Реагентное умягчение воды состоит в том, что при введении в воду специальных реагентов катионы кальция и магния, растворенные в ней, переходят в практически нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. В зависимости от используемых реагентов методы водоумягчения классифицируют на известковый, известково-содовый, щелочной, фосфатный и бариевый. 2.1.Известковый метод. Данный метод используют для частичного устранения из воды карбонатной жесткости. При введении в воду гашёной извести в виде известкового молока гидрокарбонат кальция соли осаждаются в виде карбонатов: Са(НСОз)2
+
Са(ОН)2
= 2СаСОз + 2Н2
О, Дальнейшее введение в воду извести приводит к гидролизу магниевых солей и образованию малорастворимого гидроксида магния, который при рН≥ 10,2…10,3 выпадает в осадок: Mg(HCO3
)2
+ Ca(OH)2
= MgCО3
+ СаСО3
+ CO2
+ 2H2
О MgCО3
+ Ca(OH)2
= Mg(OH)2
+ CaCO3
, Известкованием устраняют из воды и некарбонатную магниевую жесткость при условии, что рН воды будет не ниже 10,2 (при других значениях рН воды гидроксид магния не выпадает в осадок): MgSO4
+ Ca(OH)2
= Mg(OH)2
+ CaSO4
MgCl2
+ Ca(OH)2
= Mg(OH)2
+ CaCl2
Приведенные уравнения показывают, что магниевая жесткость устраняется, но значение общей жесткости остается неизменным, так как магниевая жесткость заменяется кальциевой, некарбонатной. Поэтому данный способ можно применять только для умягчения воды с большим значением карбонатной жесткости.
Устранение временной жесткости нейтрализацией гидрокарбонатов гашеной известью применяется крайне редко, т. к. а) мелкодисперсные осадки плохо осаждаются, и требуется укрупнение частиц; б) большое количество мелкодисперсных органических веществ препятствует образованию осадка. 2.2.Известково-содовый Этот метод используют для одновременного понижения карбонатной и некарбонатной жесткости, когда не требуется глубокого умягчения воды. Химизм процесса описывается реакциями: MgS04
+ Na2
СОз = MgСОз↓ + Na2
SO4
CaCl2
+ Na2
CO3
= СаСОз↓ + 2NaCl (Уравнения реакций устранения карбонатной жесткости с помощью извести смотри выше в п.2.1.). После добавления в воду реагентов происходит мгновенное образование коллоидных соединений СаСОз и Mg(OH)2
, однако их переход от коллоидного состояния в грубодисперсное, т.е. в то состояние, при котором они выпадают в осадок, занимает длительное время. Поэтому часто известково-содовый способ сочетают с термическим. Например, такое сочетание используют при умягчении воды, которая используется для питания котлов низкого давления, для подпитки теплосети и т.д. Глубина умягчения воды при известково-содовом методе соответственно равна: без подогрева воды жесткость понижается до 1…2мэкв/л; при подогреве воды до 80…90о
С жесткость понижается до 0,2…0,4мэкв/л. 2.3. Щелочной метод. Данный метод умягчения воды описывается следующими уравнениями химических реакций: Ca(HCO3
)2
+ 2NaOH = CaCO3
↓ + Na2
CO3
+ H2
O Mg(HCO3
)2
+ 2NaOH = Mg(OH)2
↓ + Na2
CO3
+ H2
O + CO2
CaSO4
+ Na2
CO3
= CaCO3
↓ + Na2
SO4
CaCl2
+ Na2
CO3
= CaCO3
↓ + 2NaCl CO2
+NaOH = Na2
CO3
+ H2
O MgSO4
+ 2NaOH = Mg(OH)2
↓ + Na2
SO4
MgCl2
+ 2NaOH = Mg(OH)2
↓ + 2NaCl Из приведенных уравнений реакций следует: 1)
гидроксид натрия (NaOH) в процессе умягчения воды расходуется на устранение карбонатной жесткости и нейтрализацию углекислого газа, растворенного в воде.
2)
сода (Na
2
CO3
), образующаяся при распаде гидрокарбонатов и нейтрализации углекислого газа, используется для удаления некарбонатной жесткости. Глубина умягчения воды при щелочном методе такая же, как и при известково-содовом, т.е. значение остаточной жесткости практически около 1мэкв/л, а при подогреве умягчаемой воды – 0,2…0,4мэкв/л. 2.4.Фосфатный метод. Данный метод умягчения воды является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса умягчения воды фосфатом натрия описывается следующими уравнениями реакций: 3CaS04
+ 2Na3
P04
= Саз
(РО4
)2
↓ +
Na2
SO4
3MgCl2
+ 2Na3
PO4
= Mg3
(PO4
)2
↓ + 6NaCl 3Ca(HCO3
)2
+ 2Na3
PO4
= Ca3
(PO4
)2
↓ + 6NaHCO3
3Mg(HCO3
)2
+ 2Na3
PO4
= Mg3
(PO4
)2
↓+ 6NaHCO3
Как видно из приведенных уравнений реакций, сущность метода заключается в образовании кальциевых и магниевых солей фосфорной кислоты, которые обладают малой растворимостью в воде и поэтому достаточно полно выпадают в осадок. Фосфатное умягчение обычно осуществляют при подогреве воды до 105…1500
С, достигая уменьшения жесткости до 0,02...0,03мэкв/л. Из-за высокой стоимости фосфата натрия фосфатный метод обычно используют для доумягчения воды, предварительно умягченной известью и содой. Данный метод используется, например, для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления (588…980МПа). 2.5.Бариевый метод. Умягчение воды основано на введении в нее гидроксида бария или алюмината бария и образовании практически нерастворимых соединений кальция и магния, а также сульфата бария. Химизм процесса описывается следующими уравнениями реакций: CaSO4
+ Ba(OH)2
= Ca(OH)2
↓ + BaSO4
↓ CaCl2
+ BaAl2
O4
= BaCl2
+ CaAl2
O4
↓ Ca(HCO3
)2
+ BaAl2
O4
= CaAl2
O4
↓ + BaCO3
↓ + H2
O + CO2
(Аналогичные уравнения реакций можно записать и для солей магния). Бариевый метод умягчения воды очень дорогой, а бариевые соли ядовиты, поэтому его целесообразно применять при частичном обессоливании воды за счет извлечения сульфатов. Пример 3.
Жесткость воды равна 5,4 мэкв
ионов кальция в 1 л воды. Какое количество фосфата натрия Na3
P04
необходимо взять, чтобы понизить жесткость 1 т
воды практически до нуля. Решение
: Задачу решаем, используя формулу Ж = m / Э V, (1) где m – масса вещества, обусловливающего жёсткость воды, или применяемого для устранения жёсткости воды, г; Э – эквивалентная масса этого вещества; г/моль; V – объём воды, л. Э (Na3
PO4
) = М(Na3
PO4
) / n В, где n – количество ионов металла; В – валентность металла. Э(Na3
PO4
) = 164 / 3 =54,7 (г/моль) Из уравнения (1) выразим массу m = Ж Э V = 5,4 54,7 1000 = 295,38 (г) Ответ:
m = 295,38г. 3. Методы ионного обмена Катионитовый метод умягчения воды основан на способности некоторых практически нерастворимых в воде веществ, называемых катионитами
, обменивать содержащиеся в них активные группы катионов (натрия, водорода и др.), на катионы кальция или магния, находящиеся в воде. В настоящее время большое распространение получили ионообменные смолы, которые получают на основе синтетических полимеров. Ионнообменные смолы – это сетчатые, трёхмерные полимеры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие групы, способные к обмену ионов Умягчаемую воду фильтруют через слой катионита, при этом катионы кальция и магния из воды переходят в катионит, а в воду Умягчение воды
– процесс понижения жесткости. Жесткость воды обусловлена наличием солей кальция и магния. Для снижения жесткости воды применяют следующие методы: реагентный; катионитовый; электродиализ; мембранные технологии. Реагентные методы умягчения
воды основаны на переводе ионов кальция и магния в малорастворимые и легко удаляемые соединения с помощью химических веществ. Из реагентных способов умягчения наиболее распространен известково − содовый метод. Сущность его состоит в переводе солей Ca 2+ и Mg2+ в малорастворимые соединения CaCO 3 и Mg(OH) 2 , выпадающие в осадок. При известково − содовом методе процесс проводят в две стадии. Первоначально из воды удаляют органические примеси и значительную часть карбонатной жесткости, используя соли алюминия или железа с известью. После этого вводят соду. Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом. Содово−натриевый метод применяют для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного больше некарбонатной. Бариевый метод умягчения воды применяют в сочетании с другими методами. Вначале вводят барий − содержащие реагенты (Ba(OH) 2 , BаCO 3 , BaAl 2 O 4) для устранения сульфатной жесткости, затем после осветления воду обрабатывают известью и содой для доумягчения. Из-за высокой стоимости реагентов этот метод применяют очень редко. Фосфатирование применяют для доумягчения воды, после реагентного умягчения известково−содовым методом, что позволяет получить остаточную жесткость 0,02−0,03 мг-экв/л. Такая глубокая доочистка позволяет в некоторых случаях не прибегать к катионитовому умягчению. Фосфатное умягчение обычно осуществляется при подогреве воды до 105−150 ◦ С. Из-за высокой стоимости тринатрийфосфата фосфатный метод используется для доумягчения воды, прошедшей предварительное умягчение известью и содой. Катионитовый метод
основан на способности ионообменных материалов обменивать присутствующие в воде катионы кальция и магния на обменные катионы натрия или водорода. В качестве катионитов применяют органические катиониты искусственного происхождения. Катионитовый метод позволяет достичь глубокого умягчения воды. N-катионитовый метод применяют для умягчения воды с содержанием взвеси не более 8 мг/л и цветностью не более 30 град. Жесткость воды снижается при одноступенчатом Na- катионировании до 0,05…,1, при двухступенчатом – до 0,01 мг − экв/л. Процесс Na- катионирования описывается следующими реакциями обмена: 2Na[K] + Ca (HCO 3) ↔ Ca[K] +2NaHCO 3 , где [K] – нерастворимая матрица полимера. После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать. Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах слагается из следующих последовательных операций: фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допускаемой жесткости в фильтрате; взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды; спуск водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора; регенерация катионита посредством фильтрования соответствующего раствора; отмывка катионита неумягченной водой. Наибольшее практическое применение нашло сочетание процессов Н – Na − катионирования, в результате чего может быть достигнута требуемая щелочность или кислотность воды. Процесс Н – Na-катионирования может осуществляться по схемам: параллельное Н– Na-катионирование, последовательное Н – Na − катионирование и совместное Н – Na − катионирование. Электродиализ – метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро − и ацетатцеллюлозными пленочными мембранами. Опреснение и обессоливание воды.
Существующие методы опреснения и обессоливания воды подразделяются на две группы: с изменением и без изменения агрегативного состояния воды. К первой группе методов относят дистилляцию, замораживание, газогидратный метод; ко второй группе – ионный обмен, электродиализ, обратный осмос, гиперфильтрацию. Дистилляционный метод
основан на способности воды при нагревании испаряться и распадаться на пресный пар и соленый рассол. При нагревании соленой воды до температуры более высокой, чем температура кипения, вода начинает кипеть. Образовавшийся пар при давлении менее 50кг/см 2 практически не способен растворять содержащиеся в опресняемой воде соли, поэтому при его конденсации получается пресная вода. Ионообменный метод
опреснения и обессоливания основан на последовательном фильтровании воды через Н − катионитовый и ОН - − анионитовый фильтры. Вода, содержащая NaCl, обессоливается по следующим схемам: Н[K] + NaCl ↔ Na[K] +HCl. OH[A] +HCl ↔ Cl[A] + H 2 O На ионообменные установки подается вода, содержащая соли до 3,0 г/л, сульфаты и хлориды – до 5 мг/л, взвешенных веществ – не более 8 мг/л и имеющая цветность не выше 30 град и перманганатную окисляемость до 7 мгО 2 /л. В соответствии с необходимой глубиной обессоливания воды применяют одно-, двух- и трехступенчатые установки. В одноступенчатых ионитовых установках воду последовательно пропускают через группу фильтров с сильнокислотным Н − катионитом, а затем через группу фильтров со слабоосновным анионитом: свободный диоксид углерода удаляется в дегазаторе, который устанавливается после катионитовых или анионитовых фильтров. В каждой группе должно быть не менее двух фильтров. Ионитовые установки с двухступенчатой схемой обессоливания воды состоят из Н −катионитовых и анионитовых фильтров первой ступени (со слабоосновным анионитом) дегазатора для удаления свободной углекислоты, Н − катионитовых и анионитовых фильтров второй ступени (с сильноосновным анионитом). Анионитовые фильтры первой ступени задерживают анионы сильных кислот, второй ступени – анионы слабых кислот (органических кислот и кремневой кислоты). В установках с трехступенчатой схемой на третьей ступени применяют фильтр со смешанной загрузкой катионита и анионита или Н − катионитовые фильтры третьей ступени и за ними анионитовые фильтры третьей ступени с сильноосновным анионитом. Электродиализным
называется процесс удаления из раствора ионов растворенных веществ путем избирательного их переноса через мембраны, селективные к этим ионам, в поле постоянного электрического тока. При наложении постоянного электрического поля на раствор ионизированных веществ (электролитов) возникает направленное движение ионоврастворенных солей, а также ионов H + и ОН - . Причем катионы движутся к катоду, а анионы – к аноду. Если раствор разделить на секции с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов или только для анионов, то катионы, двигаясь к катоду, будут свободно проходить через катионитовую мембрану. Для анионов же она практически непроницаема. Анионы, пройдя через анионитовую мембрану, будут двигаться к аноду. Таким образом раствор разделится на обессоленную воду, находящуюся между мембранами, и концентрированные рассолы – щелочной католит и кислый анолит. В настоящее время для обессоливания воды используются многокамерные плоскорамерные аппараты. Область применения электродиализа ограничивается солесодержанием растворов 0,5 − 10 г/л, так как при меньших концентрациях падает проводимость растворов и уменьшается эффективность использования электроэнергии, а при больших − процесс становиться экономически не выгоден вследствие существенного роста энергозатрат, так как затраченная электроэнергия пропорциональна количеству удаляемых ионов. Опреснение воды гиперфильтрацией
заключается в фильтровании соленой воды через специальные полупроницаемые мембраны, которые пропускают воду, а задерживают ионы растворенных в ней солей. При этом необходимо создать избыточное давление для фильтрования воды через мембрану. Обезжелезивание воды.
В природной воде, особенно в воде подземных источников в больших количествах встречается железо в растворенном виде и часто, марганец. Норма содержания в питьевой воде для железа по СанПиН 2.1.4.1074 − 01 составляет 0,3 мг/л и 0,1 мг/л для марганца. Железо находится в воде в форме: Двухвалентного железа – в виде растворенных ионов Fe 2+ ; Трехвалентного; Органического железа (в виде растворимых комплексов с природными органическими кислотами (гуматов)); Бактериального железа – продукта жизнедеятельности железобактерий (железо находится в оболочке). В подземных водах присутствует в основном растворенное двухвалентное железо в виде ионов Fe 2+ . Трехвалентное железо появляется после контакта такой воды с воздухом и в изношенных системах водораспределения при контакте воды с поверхностью труб. В поверхностных водах железо находится в трехвалентном состоянии, а также входит в состав органических комплексов и железобактерий. Если в воде присутствует только трехвалентное железо в виде взвеси, то хватает простого отстаивания или фильтрации. Для удаления двухвалентного железа и марганца сначала их переводят в нерастворимую форму, окисляя их кислородом воздуха, хлором, озоном или перманганатом калия с последующей фильтрацией через механический фильтр с песчаной, антрацитовой или гравийной загрузкой. Процесс окисления и формирования хлопьев достаточно длителен. 2 Fe 2+ +О 2 +2Н + =2 Fe 3+ +2ОН - Fe 3+ +ОН -= Fe(ОН) 3 ↓. Принципиально новыми продуктами, появившимися в последнее время, являются каталитические загрузки, позволяющие проводить обезжелезивание и деманганацию с высокой эффективностью. К таким загрузкам относятся Бирм (Birm), пиролюзит, магнетит, Гринсенд (Manganese Greensand, MZ−10) и МТМ. Эти природные материалы содержат перманганат марганца и пм фильтрации через эти загрузки происходит окисление железа и марганца, перевод их в нерастворимую гидроокись, которая осаждается на загрузке. Пленка из окислов марганца расходуется на окисление железа и марганца, и поэтому ее необходимо восстанавливать. Для этого загрузку периодически обрабатывают раствором перманганата калия либо дозируют его в воду с помощью системы пропорционального дозирования перед поступлением ее в фильтр. Фторирование и обесфторивание воды.
Недостаток фтора в воде так же как, и его избыток оказывает негативное воздействие на здоровье человека. Оптимальное содержание фтора в воде 0,7 − 1,5 мг/л. Обесфторивание воды осуществляется с применением следующих методов: реагентный, фильтрование через фторселективные материалы, к которым относится: активированный оксид алюминия; фосфатсодержащие сорбенты; магнезиальные сорбенты (оксифториды магния); активированные угли; алюмомодифицированные материалы. При реагентном методе обесфторивания воды применяются следующие реагенты: сульфат алюминия, полиоксихлориды алюминия. Дезодорация воды.
Запахи и привкусы воды обусловлены присутствием в ней микроорганизмов, некоторых неорганических (сероводород и железо) и органических веществ. Иногда органолептические свойства воды ухудшаются при передозировке реагентов или при неправильной эксплуатации водоочистных сооружений. Универсальных методов дезодорации не существует, но использование некоторых из них в сочетании обеспечивают требуемую степень очистки. Если вещества, вызывающие неприятные привкусы и запахи, находятся во взвешенном и коллоидном состоянии, то хорошие результаты дает их коагулирование. Привкусы и запахи, обусловленные неорганическими веществами, которые находятся в растворенном состоянии, извлекают дегазацией, обезжелезиванием, обессоливанием. Запахи и привкусы, вызванные органическими веществами, отличаются большой стойкостью. Их извлекают путем оксидации и сорбции. Для устранения запахов и привкусов, вызванных находящимися в воде микроорганизмами, применяют окисление с последующей сорбцией веществ. Запахи и привкусы природной воды могут быть устранены совместно с хлорированием или озонированием, а также окислением перманганатом калия. Действие окислителей эффективно лишь по отношению к ограниченному числу загрязнений. Недостатком окислительного метода является необходимость дозирования окислителя. Подготовка воды в оборотных системах охлаждения.
Оборотные системы промышленных предприятий обеспечиваются водой для охлаждения, которая перекачивается из искусственного охладителя, где вода отдает тепло воздуху. В оборотных системах вода охлаждается в градирнях, брызгальных бассейнах, прудах – охладителях. Вода, циркулирующая в оборотной системе охлаждения, подвергается физико − химическим воздействиям: упариванию, нагреванию, охлаждению, аэрации, многократному контакту с охлаждаемой поверхностью в результате этого изменяется ее состав. Особенно часто нарушается нормальная работа циркуляционных систем в результате появления на стенках теплообменных аппаратов накипи, биологических обрастаний, коррозии металлических элементов систем. Отложения на стенках аппаратов и труб вызывают также увеличение потерь напора при движении по ним воды, ухудшение условий теплопередачи и уменьшение расходов охлаждающей воды, что приводит к снижению эффекта охлаждения, нарушению технологических режимов работы теплообменных аппаратов. Потери воды за счет испарения и разбрызгивания компенсируются добавочной водой из источника. Потери воды на испарение Q 1 определяют по формуле: Q 1 =k 1 ∆tQ o , где k 1 – коэффициент, зависящий от температуры воздуха; ∆t − разность температур до и после охлаждения; Q o – расход охлаждаемой воды, м 3 /ч. Потери воды из системы на разбрызгивание Q 2 зависят от типа, конструкции и размеров охладителя и определяются по формуле: где k 2 – коэффициент потерь воды на разбрызгивание. Необходимость обработки охлаждающей воды для борьбы с отложениями накипи возникает в системах оборотного водоснабжения. Основным соединением, встречающимся в составе накипи в охлаждающих системах, является карбонат кальция CaCO 3 . Для предотвращения образования карбоната кальция применяют следующие методы обработки воды: 1. Освежение оборотной воды, т.е. непрерывное добавление в систему свежей воды с меньшей карбонатной жесткостью и сбросом (продувкой) части отработавшей воды. 2. Введение в добавочную воду фосфатов, тормозящих процесс кристаллизации CaCO 3 . 3. Подкисление воды. При этом карбонатная жесткость свежей воды переходит в некарбонатную, соли которой не выпадают в осадок, что приводит к снижению рН и возрастанию концентрации свободной углекислоты СО 2 . 4. Умягчение воды в целях снижения содержания ионов Са 2+ и Мg 2+ , которые в виде нерастворимых солей удаляются из воды отстаиванием при известковании или в результате катионирования. 5. Рекарбонизация оборотной воды – возмещение потерь равновесной углекислоты. 6. Магнитная акустическая обработка воды. Для борьбы с развитием в оборотных системах биологических обрастаний наибольшее распространение получила обработка воды хлором и медным купоросом. Системы охлаждения теплообменных аппаратов подвержены процессам электрохимической и биологической коррозии. Предотвращения коррозионного действия воды может быть достигнуто одним из следующих способов: 1. Нанесение защитных покрытий на омываемые водой металлические поверхности. 2. Удаление из воды коррелирующих агентов (кислорода, сероводорода, свободной углекислоты). 3. Нанесение карбонатной, силикатной или фосфатной пленки на внутренние поверхности труб.
Кальций и магний составляют жесткость воды, следовательно, после их извлечения вода умягчается.
Ионы натрия находятся непосредственно в смоле (засыпке). В процессе работы установки происходит обмен ионами, натрий поступает в воду, а кальций и магний - в смолу. По истечении некоторого времени смолу необходимо регенерировать, т.е. восстановить ее свойства. Для этого через нее пропускают раствор поваренной соли, и происходит обратный процесс - натрий насыщает смолу, а кальций и магний поступают в раствор, который после сливается.
(cм. печатную версию)