3778 ХИМИЯ. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ

 

ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Ознакомиться с методами определения карбонатной и общей жесткости воды, а также с методикой умягчения водопроводной воды.

 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Одним из технологических показателей, принятым для характеристики состава и качества природных вод, является жесткость воды. Жесткостью воды принято называть свойство воды, которое характеризуется содержанием в ней солей кальция и магния. Суммарное содержание растворимых солей кальция и магния определяет общую жесткость воды: ЖОБЩ = [Ca2+] +  [Mg2+], складывающейся из кальциевой и магниевой жесткости, обусловленной соответственно катионами кальция Ca2+ и магния Mg2+.

В зависимости от природы анионов принято различать карбонатную ЖК и некарбонатную ЖНК жесткость, сумма которых определяет общую жесткость воды:

ЖОБЩ = ЖК + ЖНК.                                                                          (1)

Карбонатная жесткость характеризуется присутствием в воде растворимых гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2. Она обусловлена растворением в природной воде диоксида углерода CO2 и образованием раствора угольной кислоты:

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3,                                                                      (2) которая, диссоциируя, образует гидрокарбонат-ионы НСО3¯:

Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3¯,                                                                    (3)  связываемые затем ионами кальция и магния с образованием соответствующих гидрокарбонатов:

Са2+ + НСО3¯ ↔ Ca(HCO3)2,                                                          (4)

Mg2+ + НСО3¯ ↔ Mg(HCO3)2.                                                      (4а)

При длительном кипячении воды с карбонатной жесткостью появляется осадок (CaCO3 и MgCO3) вследствие разложения солей:

Ca(HCO3)2 = CaCO3↓+ Н2О + СО2↑,                                              (5)

Mg(HCO3)2 = MgCO3↓ + Н2О + СО2↑.                                         (5а)

Поэтому карбонатную жесткость называют также временной или устранимой жесткостью.

Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде солей сильных кислот – сульфатов или хлоридов кальция и магния (MgSO4, MgCl2, CaCl2 и др.), которые при кипячении не удаляются. Поэтому некарбонатную жесткость принято называть также постоянной жесткостью.

Жесткость воды выражается суммой миллимолей эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в одном литре воды. Один миллимоль эквивалентов жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л катионов Ca2+ или 12,16 мг/л катионов Mg2+.

Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. В разных водоемах она различна, а в одной и той же реке меняется в течение года (минимальна во время паводка). Жесткость вод морей изначально выше, чем рек и озер. Так, вода Черного моря имеет общую жесткость 65,5 ммоль экв/л. Среднее значение жесткости воды мирового океана 130,5 ммоль экв/л (в том числе на Ca2+ приходится 25,5 ммоль экв/л, на Mg2+ – 108 ммоль экв/л).

В зависимости от величины жесткости воду делят на 5 классов: очень мягкую - 0 – 1 ммоль экв/л; мягкую - 1 – 3 ммоль экв/л; умеренно жесткую - 3 – 6 ммоль эвк/л; жесткую - 6 – 10 ммоль эвк/л и очень жесткую - > 10 ммоль экв/л.

Использование жесткой воды для удовлетворения хозяйственно-бытовых и производственных целей нежелательно. Так, при нагревании и особенно, при испарении воды эти соли образуют слой накипи, снижающий коэффициенты теплопередачи в охлаждающих и нагревающих системах, что является крайне нежелательным.

Необходимость удаления солей, определяющих жесткость, можно проиллюстрировать следующим примером. Прямоточный паровой котел производит 500 тонн водяного пара в час и использует воду с карбонатной жесткостью 1 ммоль экв/л. В 500 м3 воды содержится 500 эквивалентов Сa(НCO3)2 или 500·56 = 28000 г или 28 кг гидрокарбоната кальция. При полном его разложении на стенках котла за один час работы осядет карбонат кальция в виде накипи в количестве кг. Таким образом, прямоточный котел, состоящий из системы испарительных трубок, в течение суток выйдет из строя.

 

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ

 

1. Общая жесткость воды ЖОБЩ определяется методом комплексонометрии. Метод основан на титровании воды раствором комплексона III в присутствии аммиачного буферного раствора (pH=10,0) и индикатора до перехода исходной розовой окраски в голубую. В качестве индикатора могут служить кислотный хром синий К или эриохром черный Т. Эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет при наличии в воде ионов жесткости Ca2+ и Mg2+, а в их отсутствии – в голубой.

Комплексон III (другие названия: EDTA, трилон Б) представляет собой двузамещенную натриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты:

NaOOCH2С                                       CH2COONa

 

Н2N – CH2 – CH2 – NН2

 

HOOCH2С                                       CH2COOH

 

При титровании жесткой воды раствором комплексона III образуется внутрикомплексное соединение, в котором ион кальция Ca2+ (или Mg2+) выступает в роли комплексообразователя:

2–

OOCH2С                                          CH2COO

 

Н2N – CH2 – CH2 – NН2

 

OOCH2С                                          CH2COO

Ca2+

 

Связывание ионов кальция и магния комплексоном приводит к изменению окраски индикатора в оттитрованном растворе до голубого цвета.

2. Карбонатная жесткость воды ЖК определяется методом нейтрализации. Он основан на титровании воды, в которую добавляется метиловый оранжевый, раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую. Метиловый оранжевый является кислотно-основным индикатором, который при pH < 3,1 имеет красную окраску, а при pH > 4,4 окрашивается в желтый цвет. В интервале значений pH 3,1 ¸ 4,4 окраска индикатора становится оранжевой.

Титрование воды раствором HCl сопровождается протеканием реакции нейтрализации

OH¯ + H+ → H2O,                                                                            (6)

в которой ионы H+ диссоциирующей кислоты нейтрализуют гидроксид-ионы OH, образующиеся в результате гидролиза анионов HCO3 в воде

HCO3¯ + H2O ↔ H2CO3 + OH¯.                                                      (7)

Из уравнения (7) следует, что количество нейтрализующихся ионов OH¯ эквивалентно концентрации иона HCO3¯.

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ