Тема «Определение жесткости воды» (метод комплексонометрии)
Характеристика жёсткости воды
Природная вода, содержащая большое количество растворенных солей кальция и магния, называется жесткой. Различают общую, временную и постоянную жёсткость воды. Общая жесткость обусловлена главным образом присутствием растворимых соединений кальция и магния в воде. Временная жесткость иначе называется устранимой или карбонатной. Она обусловлена наличием гидрокарбонатов кальция и магния. Постоянная или некарбонатная жесткость вызвана присутствием других растворимых солей кальция и магния.
Использование жестких вод для удовлетворения хозяйственно-бытовых и промышленных нужд приводит к весьма нежелательным последствиям.
1. Непроизводительный расход мыла при стирке. Это объясняется тем, что ионы кальция и магния с мылами, представляющими собой соли жирных кислот, образуют в воде нерастворимые осадки состава (С15Н31СОО)2Са и
(С17Н35СОО)2Са, а также аналогичные соли магния. На каждый литр воды с жесткостью 7,1 мг-экв перерасходуется 2,4 г мыла.
2. Преждевременный износ тканей при стирке в жесткой воде. Волокно тканей адсорбируют кальциевые и магниевые мыла, а это делает их хрупкими и ломкими.
3. В жесткой воде мясо и бобовые плохо развариваются, при этом понижается также питательность продуктов. Вываренные из мяса белки переходят в нерастворимое состояние, плохо усваиваются организмом.
4. Усиление коррозии паровых котлов и теплообменников вследствие гидролиза магниевых солей и повышения концентрации водородных ионов в растворе:
Mg2+ + 2H2O → Mg(OH)2 + 2H+
5.Отложение накипи на поверхности теплообменных аппаратов (котлов, холодильников и т.д.), которое снижает экономичность работы этих установок. Накипь обладает малой теплопроводностью и увеличивает непроизводительный расход топлива. Металл под накипью перегревается и размягчается. Это приводит к образованию вздутий и трещин в трубах паровых котлов. Отложившаяся накипь должна периодически удаляться из котла.
Процесс образования накипи связан с термическим разложением гидрокарбонатов, гидролизом карбонатов, а также с уменьшением растворимости в горячей воде сернокислого кальция, гидроокиси магния и силикатов кальция и магния. Концентрация этих веществ увеличиваются в паровых котлах при испарении воды. Кроме того, при высоких температурах возможно образование дополнительных количеств силикатов кальция и магния за счет реакции обмена:
CaSO4 + Na2SiO3 → CaSiO3 + Na2SO4
В образовании накипи принимают участие соли железа, марганца, алюминия, взвешенные и коллоидные вещества, содержащиеся в воде. Иногда слой накипи бывает настолько большим, что он почти целиком заполняет все сечение трубы.
По своему характеру котельные накипи делятся на три группы:
1. Сульфатная накипь, содержащая до 95% CaSO4, обладающая относительно высокой теплопроводностью.
2. Карбонатная накипь с содержанием до 90-95 % СаСО3, с теплопроводностью меньшей, чем у сульфатной.
3. Силикатная накипь с содержанием до 45 - 48 % SiO2 обладает малой теплопроводностью.
Разрушение металла в случае образования накипи объясняется следующим химическим процессом. При высыхании слой накипи дает трещины, в образующиеся поры проникает водяной пар, который взаимодействует с материалом котла по уравнению
2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 3H2
В результате на стенках образуются свищи. Выделяющийся водород восстанавливает сульфаты до H2S, который вступает во взаимодействие с материалом котла и усиливает коррозию аппаратуры.
Методы умягчения воды
Процесс, приводящий к снижению жесткости воды, называется её умягчением. Умягчение сводится к уменьшению концентрации кальциевых и магниевых солей в воде. Умягчению подвергают воду, идущую для питания паровых котлов.
Существующие способы умягчения можно разделить на три группы: реагентные методы умягчения воды, умягчения воды методом обмена ионов, и термическое умягчение воды.
Реагентные методы умягчения воды.
Содово-известковый метод. При введении в воду гашеной извести Са(ОН)2 кальциевые соли осаждаются в виде СаСО3:
Ca(HCO3)2 + Са(ОН)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O
а гидрокарбонат магния, реагируя с известью, выпадает в осадок в виде гидроокиси магния Mg(OH)2:
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + Ca(HCO3)2
а образовавшийся Ca(HCO3)2 реагирует с известью по приведенной реакции.
Некарбонатная жесткость удаляется введением в воду соды Na2CO3:
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4
Умягчение воды едким натром. Едкий натр связывает катионы кальция и магния по уравнениям:
Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3 ↓ + Na2CO3 + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 4NaOH → Mg(OH)2↓ + 2Na2CO3 + 2H2O
Образующаяся сода реагирует с некарбонатной жесткостью, частично удаляя её из воды:
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 ↓ + Na2SO4
Следовательно, едким натром удаляется карбонатная жесткость и часть некарбонатной в количестве, эквивалентном образовавшемуся углекислому натрию.
Умягчение воды бариевыми солями. Этот метод аналогичен содово-известковому, но имеет перед ним то преимущество, что образующиеся при реакции продукты нерастворимы в воде. Содержание солей, обусловливающих жесткость воды, при этом методе понижается, и умягчение идет гораздо полнее. Кроме того, нерастворимость ВаСО3 не требует строгих дозировок, процесс может протекать автоматически.
Реакции, протекающие при умягчении бариевыми соединениями, можно представить схемами:
1) CaSO4 + Ba(OH)2 → Ca(OH)2 + BaSO4↓
2) MgSO4 + Ba(OH)2 → Mg(OH)2↓ + BaSO4↓
3) Ca(HCO3)2 + Ba(OH)2 → CaCO3↓ + BaCO3↓ + 2H2O
4) Mg(HCO3)2 + 2Ba(OH)2 → Mg(OH)2↓ + 2BaCO3 ↓ + 2H2O
5) BaCO3 + CaSO4 → CaCO3↓ + BaSO4↓
6) Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O
При умягчении бариевыми солями реакции приводят не к замене одной соли другой, а к полному удалению их из воды. В этом большое преимущество умягчения бариевыми солями. К недостаткам этого метода относятся высокая стоимость бариевых солей и медленное течение реакции с карбонатом бария ВаСО3.
Умягчение воды фосфатами. В практике умягчения применяют тринатрийфосфат Na3PO4, который образует труднорастворимые соли с кальцием и магнием:
3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 3Na2SO4
Этот метод применяется для доумягчения воды, когда большая часть жесткости устранена, например содово-известковым методом. Тринатрийфосфат дает хорошие результаты, но соли фосфорной кислоты дороги, поэтому их используют в тех случаях, когда нужно производить глубокое умягчение воды.
Умягчение воды методом обмена ионов. Вещества, способные к сорбционному обмену ионов с раствором электролита, называются ионитами. Иониты – это твердые зернистые вещества, набухающие в воде, но нерастворимые в ней. По составу основного скелета, который связывает воедино ионогенные группы, ионообменные сорбенты делятся на минеральные и органические. К первым относятся многочисленные алюмосиликаты, силикаты, гидрат окиси алюминия, фосфат циркония и тому подобные материалы. Ко вторым относятся продукты химической переработки угля или лигнина либо полученные синтетическим путём высокомолекулярные органические соединения, содержащие ионогенные группы. Применяемые при очистке воды иониты бывают естественного и искусственного происхождения. Примером первых могут быть глаукониты и гумусовые угли, а примером вторых – сульфированные угли и синтетические ионообменные смолы.
Термический метод умягчения воды. При нагревании воды до кипения происходит превращение гидрокарбонатов кальция и магния в карбонаты по следующим схемам:
Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3↓ + CO2 + H2O
Mg(HCO3)2 ↔ MgCO3↓ + CO2 + H2O
Эти обратимые процессы можно почти целиком сместить вправо за счет кипячения воды, так как при высоких температурах растворимость двуокиси углерода понижается. Однако полностью устранить карбонатную жесткость нельзя, так как углекислый кальций хотя и незначительно, но растворим в воде. Растворимость MgCO3 достаточно высока, поэтому при длительном кипячении он гидролизуется с образованием малорастворимой гидроокиси магния:
MgCO3 + H2O ↔ Mg(OH)2↓ + CO2
Кипячением частично устраняется сульфатная жесткость, так как растворимсть сульфата кальция падает с увеличением температуры. Этот метод может применяться для умягчения воды, содержащей преимущественно карбонатную жесткость и идущей для питания котлов низкого и среднего давления.