Выполнение работ по одной или нескольким профессиям рабочих, должностям служащих

Определение жесткости воды

Жесткость воды является одним из основных показателей, характеризующим применение воды в различных отраслях.

Под жесткостью воды понимают свойство, обусловленное присутствием в воде растворенных солей, в основном кальция и магния.

Жесткость воды подразделяется па карбонатную (присутствие в ней гидрокарбонатов магния и кальция) и некарбонатную (наличие солей сильных кислот - хлоридов или сульфатов кальция и магния).

Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости определяет общую жесткость.

Карбонатную жесткость называют временной, так как при длительном кипячении подобной воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка карбоната кальция и выделением углекислого газа:

Ca(HCO₃)₂ = СаСО₃+СO₂↑ + Н₂O

Mg(НСО₃)₂ = Mg(ОН)₂↓ + 2СO₂↑

Жесткость воды, обусловленная наличием сульфатов магния и кальция, называется постоянной. Она может быть устранена лишь химическим путем:

CaSO₄+Na₂CO₃=CaCO₃↓+Na₂SO₄.

В настоящее время для устранения жесткости используют также ионообменные смолы.

Способы устранения жесткости воды

В природной воде растворены соли кальция и магния.

Это гидрокарбонаты и сульфаты.

Существует два способа осаждения гидрокарбонатов для уменьшения жесткости воды.

Первый способ - кипячение.

При кипячении растворимые гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты, и жесткость воды уменьшается.

Сa(HCO₃)₂ = CaCO₃ ↓ + H₂O + CO₂↑

Второй способ – добавление известковой воды.

При добавлении известковой воды гидрокарбонаты переходят в карбонаты, и вода становится более мягкой.

Сa(HCO₃)₂+ Ca(OH)₂ = CaCO₃ ↓ +2 H₂O

Но жесткость воды зависит еще и от сульфатов кальция и магния.

Сульфаты кальция и магния можно удалить с помощью карбоната натрия.

При добавлении карбоната натрия сульфаты переходят в нерастворимые карбонаты кальция и магния.

CaSO₄ + Na₂CO₃= CaCO₃ ↓+ Na₂SO₄

Умягчение воды

Устранение из воды солей жесткости, т. е. умягчение её, необходимо производить для питания котельных установок, причем жесткость воды для котлов среднего и низкого давления должна быть не более 0,3 мг-экв/л.

Умягчать воду требуется также для таких производств, как текстильное, бумажное, химическое, где вода должна иметь жесткость не более 0,7 -1,0 мг-экв/л.

Умягчение воды для хозяйственно-питьевых целей также целесообразно, особенно в случае, если она превышает 7 мг-экв/л.

Применяют следующие основные методы умягчения воды:

·- реагентный метод - путем введения реагентов, способствующих образованию малорастворимых соединений кальция и магния и выпадению их в осадок;

·- катионовый метод, при котором умягчаемая вода фильтруется через вещества, обладающие способностью обменивать содержащиеся в них катионы (натрия или водорода) на катионы кальция и магния, растворенный в воде солей.

В результате обмена задерживаются ионы кальция и магния и образуются натриевые соли, не придающие воде жесткость;

·- термический метод, заключающийся в нагревании воды до температуры выше 100°С, при этом почти полностью удаляются соли карбонатной жесткости.

Часто методы умягчения применяют комбинированно.

Например, часть солей жесткости удаляют реагентным способом, а оставшуюся часть с помощью катионного обмена.

Из реагентных методов содово-известковый способ умягчения является наиболее распространенным.

Сущность его сводится к получению вместо растворенных в воде солей Са, Mg нерастворимых солей СаСО₃ и Mg(OH)₂, выпадающих в осадок.

Оба реагента - соду Na₂CO₃ и известь Са(ОН)₂ - вводят в умягчаемую воду одновременно или поочередно.

Соли карбонатной, временной жесткости удаляют известью, некарбонатной, постоянной жесткости - содой.

Химические реакции при удалении карбонатной жесткости протекают следующим образом:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃ + 2Н₂О

Гидрат окиси магния Mg(OH)₂ коагулирует и выпадает в осадок.

Для устранения некарбонатной жесткости в умягчаемую воду вводят Na₂CO₃.

Химические реакции при удалении некарбонатной жесткости следующие:

Na₂CO₃ + CaSO₄ = CaCO₃ + Na₂SO₄;

Na₂CO₃ + СаС1₂ = СаСО₃ + 2NaCl

В результате реакции получается углекислый кальций, который выпадает в осадок.

Реагенты, применяемые при обработке воды, вводят в воду в следующих местах:

а) хлор (при предварительном хлорировании) - во всасывающие трубопроводы насосной станции первого подъема или в водоводы, подающие воду на станцию очистки;

б) коагулянт - в трубопровод перед смесителем или в смеситель;

в) известь для подщелачивания при коагулировании - одновременно с коагулянтом;

г) активированный уголь для удаления запахов и привкусов в воде до 5 мг/л - перед фильтрами. При больших дозах уголь следует вводить на насосной станции первого подъема или одновременно с коагулянтом в смеситель водоочистной станции, но не ранее чем через 10 мин после введения хлора;

д) хлор и аммиак для обеззараживания воды вводят до очистных сооружений и в фильтрованную воду. При наличии в воде фенолов аммиак следует вводить как при предварительном, так и при окончательном хлорировании.

К специальным видам очистки и обработки воды относятся опреснение, обессоливание, обезжелезивание, удаление из воды растворенных газов и стабилизация.

Общая жесткость воды складывается из временной и постоянной и обусловлена присутствием в воде кальция и магния, в виде гидрокарбонатов, карбонатов, хлоридов, сульфатов и других соединений.

Временную жесткость можно устранить кипячением воды, что обусловлено свойством некоторых солей выпадать в осадок, образуя так называемую накипь.

Виды жесткости

1. Временная (карбонатная) жёсткость, обусловлена гидрокарбонатами кальция и магния Са(НСО₃)₂, Mg(НСО₃)₂.

2. Постоянная (некарбонатная) жёсткость, вызвана присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов кальция и магния (CaSO₄, CaCl₂, MgSO₄, MgCl₂).

Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости определяет общую жесткость воды

Жобщ = Жк+ Жнк

Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния.

Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации - моль на кубический метр (моль/м³), однако, на практике для измерения жёсткости используются градусы жёсткости и миллиграмм-эквиваленты на литр (мг-экв/л).

В зависимости от показателя жесткости вода может быть:

- очень мягкая 0 -1,5 ммоль/л

- мягкая 1,5 - 3 ммоль/л

- умеренно-жесткая 3 - 6 ммоль/л

- жесткая 6 - 9 ммоль/л

- очень жесткая 12 ммоль/л.

Методы определения жесткости воды

Существуют различные способы определения жесткости воды:

- комплексонометрический метод;

- методы атомной спектрометрии.

При комплексонометрическом способе определения общей жесткости воды проводят путем комплексонометрического титрования раствором комплексона III (ЭДТА, трилон Б), в присутствии эриохром черного.

ЭДТА - динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты Na₂H₂Y (другие названия: комплексон-III, трилон Б, хелатон III) - органическое соединение, натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, представляет собой белый кристаллический порошок или кристаллы белого цвета. Хорошо растворяется в воде и щелочах, очень слабо растворяется в спирте; рН 1 %-го водного
раствора 4,5; рН препарата с массовой долей % 4 - 5,5.

Образует очень устойчивые комплексные соединения с большинством катионов.

Обычно определяют суммарное количество магния и кальция.

Индикатор образует с ионами комплексное соединение синего цвета.

При титровании раствора ЭДТА в точке эквивалентности красная окраска переходит в окраску характерную для свободного индикатора.

Сущность метода. Комплексонометрия (трилонометрия) - титриметрический метод анализа, основанный на реакциях взаимодействия комплексонов (чаще всего трилона Б), с катионами щелочноземельных и тяжелых металлов, которые приводят к образованию растворимых в воде бесцветных прочных внутрикомплексных соединений.

Трилон Б (комплексон III) образует внутрикомплексные соединения с катионами металлов за счет валентных связей с карбоксильными группами, вытесняя из них атомы водорода, а также за счет координационных связей ионов-комплексообразователей с атомами азота.

Для определения конечной точки титрования используют металлохромные индикаторы или органические вещества, образующие окрашенные комплексы с катионами определяемых металлов.

В процессе комплексонометрического титрования в растворе протекает реакция связывания катионов металла в комплексонат.

В результате образуется комплексное соединение трилона Б (комплексона III) с ионами щелочноземельных элементов кальция и магния.

Схематически реакции комплексообразования с катионами, можно представить следующим уравнением:

H₂L^2- + Ме²⁺ ↔ [MeL]^2- + 2Н⁺

В качестве титранта используют растворы 0,1; 0,05 или 0,02 моль/дм³ трилона Б.

Способы фиксирования конечной точки титрования.

При комплексонометрическом титровании используют индикатор эриохром черный Т, который образуют с определяемыми ионами растворимые в воде окрашенные комплексные соединения.

При этом комплекс катиона с индикатором и свободный индикатор имеют различную окраску:

H₂Ind^- + Ме ²⁺ ↔ [Ме Ind]^-

(окраска 1) (окраска 2).

Конечную точку титрования определяют по собственной окраске индикатора.

В процессе титрования при взаимодействии катионов с трилоном Б (комплексоном III) в раствор переходят ионы Н⁺, в результате чего рН раствора понижается, что приводит к смешению реакции комплексообразования влево и делает реакцию обратимой.

Для поддержания определенного значения рН титрование следует проводить в присутствии буферных растворов, имеющих определенное значение рН.

Большинство катионов титруют трилоном Б (комплексон III) в присутствии аммиачного буферного раствора: NH₄ОH + NH₄Cl при рН = 9,2.

Метод применяют для определения суммарной концентрации кальция и магния в питьевой воде, грунтовых и поверхностных водах.

Погрешность при титровании 100см³ пробы составляет 0,05 ммоль/дм³.

Пример решения задания

Пример.

Условие задания: Рассчитать карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды, если в 1м³ исследуемой воды содержится 80 г Ca²⁺; 55 г Mg²⁺; 415 г HCO₃^-.

Дано:

m (Са²⁺) = 80 г = 80 000 мг

m (Mg²⁺) = 55 г = 55 000 мг

m (HCO₃^-) = 415 г = 415 000 мг

V(Н₂О) = 1 м³ = 1000 дм³

Жо -? Жк - ? Жнк - ?

Решение

1). Жесткость общую рассчитывают по формуле:

Жо =[Са²⁺] + [Mg²⁺] =  + ; мг - экв/дм³

где: [Са²⁺], [Mg²⁺] – концентрация ионов в мг-экв/дм³

m (Са²⁺), m (Mg²⁺) – содержание ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в мг

V(Н₂О) – объем воды, дм³

Э (Са²⁺), Э (Mg²⁺) – эквивалентная масса ионов Са²⁺ и Mg²⁺, которая равна:

Э (Са²⁺) = 

Э(Mg²⁺) = 

Тогда:

Жо = [Са²⁺] + [Mg²⁺] =  =3,99 + 4,52 = 8,5 мг-экв/дм³

2). Рассчитываем жесткость карбонатную (Жк) по формуле:

Жк = [НСО₃^-] = 

где: [НСО₃^-] – концентрация в мг-экв/дм³

m (НСО₃^-) – содержание иона НСО₃^- в мг

V(Н₂О) – объем воды, дм³

Э (НСО₃^-) – эквивалентная масса иона НСО₃^-, которая равна:

Э (НСО₃^-) = 

Тогда:

Жк = [НСО₃^-] =

3). Рассчитываем жесткость некарбонатную (Жнк), как разность между жесткостью общей и карбонатной:

Жнк = Жо – Жк = 8,5 – 6,8 = 1,7 мг-экв/дм³

6