Отдел по образованию Витебского райисполкома

 

 

 

 

 

 

Исследовательская работа
«Сравнительный анализ химических способов устранения накипи в домашних условиях»

 

Выполнила работу:
Иванова  Вероника
учащаяся 9 класса
Руководитель:
Шедова Л.А.,
учитель химии.
ГУО «Суйковская базовая  школа Витебского района»

 

 

2020
Содержание

Введение............................................................................................ 3

Глава 1. Теоретическая часть

1.1.Накипь и её виды......................................................................... 6

1.2.Процесс образования накипи...................................................... 7

1.3.Способы очистки от накипи........................................................ 9

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Анкетирование........................................................................... 11

2.2.Результаты анкетирования.......................................................... 12

2.3.Проведение эксперимента........................................................... 13

2.4.Результаты эксперимента............................................................ 14

Выводы............................................................................................. 16

Список использованных источников................................................ 18

Приложение 1.................................................................................... 19

Приложение 2.................................................................................... 20

Приложение 3.................................................................................... 21

Приложение 4.................................................................................... 22

 

Введение

Как в промышленности, так и в нашей повсеместной жизни используется различное оборудование, в котором происходит нагрев воды или пара. При высоких температурах происходит воздействие пара или воды на поверхность, с которой они соприкасаются, при этом наблюдается образование различного рода отложений и накипи. Эти отложения способны вызывать опасный перегрев этих поверхностей или снижение экономичности и эффективности работы аппарата. Всё это может привести к нарушению режима работы химических аппаратов или вывести их из строя. На электростанциях образование отложений недопустимо, так как они могут привести к выводу из строя оборудования электростанции, либо к аварии. В быту подобное явление приводит к снижению экономичности работы и к увеличению затрат на нагрев агрегатов. После образования отложений и накипи необходимы соответствующие мероприятия по очистке поверхности, которые позволят после очистки нормально функционировать аппаратуре, повысив её эффективность и экономичность до прежнего значения.

 

 

Актуальность проблемы: удаление накипи и отложений с поверхностей водонагревательных приборов очень важна, поэтому необходимо провести сравнительный анализ эффективности очистки поверхностей и детально рассмотреть этот процесс.

Предмет исследования: средства удаления накипи.

Объект исследования: накипь.

Методы исследования:

•        обзор информационных источников;

•        методы лабораторного исследования;

•        фиксация результатов с помощью фотосъёмки;

•        методы социологического анкетирования;

•        обобщение собранного материала.

Цель исследования: изучить процесс образования накипи, её влияние на работу водонагревательных приборов и способы её устранения в домашних условиях, сравнить эффективность различных средств для удаления накипи.

Задачи:

1.       Изучить и проанализировать публикации в средствах массовой информации по теме исследования;

2.       Разработать и провести социологический опрос населения в разных возрастных группах по тематике данной работы;

3.       Провести лабораторное исследование;

4.       Выявить наиболее эффективное и доступное средство для удаления накипи в домашних условиях.

Экспериментальная база исследования:

Учащиеся5-11-х классов и учителя ГУО «Суйковская  базовая

школа Витебского района».

 

 

 

Теоретическая и практическая значимость:

Результаты могут помочь предотвратить поломку дорогостоящего оборудования путем выявления наиболее эффективного и дешевого средства для удаления накипи.

 

Глава 1. Теоретическая часть.

1.1. Накипь и её виды

Накипь — твёрдые отложения, образующиеся на тех поверхностях теплообменных аппаратов, на которых происходит нагревание (кипение, испарение) воды с растворёнными солями жёсткости.

Образующийся слой веществ, при достижении определенной толщины на поверхности, вызывает опасный перегрев металлических стенок или снижает экономичность работы водонагревательного прибора и может вывести его из строя.

Причиной образования накипи на нагревательных элементах является чрезмерное количество растворённых в воде солей кальция и магния. Чем больше этих солей, тем более «жёсткой» является вода.

По химическому составу преимущественно встречается накипь карбонатная (углекислые соли кальция и магния — CaCO₃, MgCO₃), сульфатная (CaSO₄) и силикатная (кремнекислые соединения кальция, магния, железа, алюминия).

Твердые отложения, образующиеся на внутренних стенках труб паровых котлов, чайников, кипятильников, бойлеров, тэнов стиральных и посудомоечных машин и других аппаратов, в которых происходит испарение и нагревание воды, содержат те или иные соли. Теплопроводность накипи в десятки, а зачастую в сотни, раз меньше теплопроводности стали из которой изготовлены теплообменники. Поэтому даже тончайший слой накипи создает большое термическое сопротивление, которое приводит к перегреву поверхности и выходу оборудования из строя.

 

 

1.2. Процесс образования накипи

Причинами возникновения накипи в воде являются свойства воды и работа прибора, связанная с её постоянным нагреванием. Совокупность свойств воды, обусловлена присутствием в ней различных солей: преимущественно катионов Са²⁺ (кальциевая жесткая вода) и Мg²⁺ (магниевая жесткая вода). Сумма концентрации Са²⁺ и Мg²⁺ называют жесткостью воды. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Са и Мg [при кипячении разлагаются на СаСO₃ и Мg(ОН)₂ с выделением СО₂], вторая - наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов, фосфатов этих металлов. Одним из возможных источников этих солей являются горные породы (известняки, доломиты), которые растворяются в результате контакта с природной водой и грунты. Повышенная жесткость способствует усиленному образованию накипи в паровых котлах, отопительных приборах и бытовой металлической посуде, что значительно снижает интенсивность теплообмена, приводит к большим расходам топлива и перегреву металлических поверхностей.

Вода, применяемая в промышленности, как правило содержит глину, песок и взвеси – около 8-19 мг/л, органические вещества (водоросли, коллоиды, гуминовые вещества из плодородной почвы – около 5 мг/л), соли – земельных металлов (натрий, калий (4-15 мг/л)), соли жесткости (кальций, магний, силикаты – 8-95 мг/л), растворенный кислород (5-12 мг/л), углекислый газ (100-700 мг/л).

Неорганические примеси, находящиеся в воде в основном в виде ионов: Na⁺, Са²⁺, Мg²⁺, К⁺, Cl^-, SO₄^2-, НСО₃^–. Главным накипеобразователем является Са²⁺ и Мg²⁺, образуются вначале гидрокарбонаты, а затем нерастворимые карбонаты этих металлов.

При кипячении гидрокарбонаты переходят в малорастворимые карбонаты:

Са(НСО₃)₂ → СаСО₃ + СО₂­ + Н₂О

Мg(НСО₃)₂ → МgСО₃ + СО₂­ + Н₂О

Чем интенсивнее нагревание, тем интенсивнее идут эти реакции. Содержание Са(НСО₃)₂ в растворе повышается при нарушении технологического режима, а также зависит от рН раствора. Гидрокарбонаты кальция в растворах находятся в нестабильном состоянии , и любое внешнее воздействие ускоряет кристаллизацию гидрокарбонатов.

Гидрокарбонаты магния ведут себя аналогично Са(НСО₃)₂, но разложение на малорастворимые карбонат и оксид углерода (ІІ) идет в полтора раза медленнее. В определенных физико-химических условиях Мg(НСО₃)₂ переходит в труднорастворимый гидроксид - Мg(ОН)₂.

Таким образом, происходит устранение временной жесткости воды, постоянная жесткость воды не может быть удалена кипячением.

Образование накипи может быть следствием следующих процессов:

1.       Кристаллизации веществ на поверхности нагрева;

2.       Прилипания или налипания твердых частиц веществ;

3.       Выпадения легкорастворимых солей и различных сложных соединений из концентрированной котловой воды;

4.       Образование отложений, состоящих из продуктов коррозии.

Накипь может выделяться из воды при ее нагревании или кипении; возникать вследствие коррозионного воздействия воды или растворенных в ней примесей на металл; выделяться из пара при его перегреве и из воды при испарении.

 

1.3. Способы очистки от накипи

Образование накипи предупреждают химической обработкой воды (умягчение), поступающей в котлы и теплообменники.

Недостатком химической обработки воды является необходимость подбора водно-химического режима и постоянного контроля за составом исходной воды. Также при использовании данного метода возможно образование отходов, требующих утилизации.

Последние годы активно применяются методы физической (безреагентной) водоподготовки. Один из них — подача ультразвука, колебания которого отталкивают растворённые в воде соли жёсткости от внутренних стенок теплообменного оборудования. При этом вместо корки твёрдой накипи на стенках образуются взвешенные микрокристаллы, которые выносятся потоком воды из системы. При этом методе химический состав воды не изменяется. Нет вреда для окружающей среды, нет необходимости в постоянном контроле за работой системы, однако применить данный способ в домашних условиях не представляется возможным.

Выделяют механический и химический способы удаления накипи.

При механической очистке существует опасность повредить защитный слой металла или даже само оборудование, поскольку для очистки котёл или другой водонагревательный прибор требуется разобрать полностью или частично.

При химической очистке на накипь воздействуют различными реагентами. Этот метод возможно применять не разбирая полностью прибор, но при этом существует опасность, что слишком длительное воздействие кислоты повредит металлическую поверхность прибора, а более короткое воздействие может недостаточно очистить поверхность.

В большинстве случаев для удаления накипи используют уксусную кислоту, которая образует при реакции с солями осадка собственные соли (ацетаты), свободно растворяющиеся в воде. Например, для избавления от накипи в чайнике уксусную кислоту нужно размешать с водой в пропорции 1:20 и кипятить чайник на медленном огне до полного растворения накипи. Разбавленная лимонная кислота также хороша для растворения примесей, осевших на водонагревательных приборах. В хозяйственных магазинах продается большое количество различных средств от накипи, содержащих в своем составе указанные кислоты и различные вспомогательные добавки для достижения наибольшего эффекта.

В производстве обычно применяют адипиновую кислоту, и именно она составляет основу большинства бытовых средств от накипи. Другой способ удаления накипи - использование Трилона Б, купить который в магазине проблематично.

Кроме стандартных реагентов для удаления накипи на просторах интернета можно найти большое количество народных способов избавления от накипи. К таким способам можно отнести использование Кока-Колы, Спрайта и других напитков. Для удаления накипи таким способом советуют налить небольшое количество напитка в ёмкость с накипью и подождать, входящая в состав напитка ортфосфорная кислота должна удалить весь осадок. Ещё советуют некоторое время покипятить кусочки лимона, кожуру яблок, картофеля, питьевую соду, аскорбиновую кислоту.

Не сложно заметить, что во всех этих способах основным компонентом является какая-либо кислота. Растворение накипи происходит потому, что основной её составляющей являются карбонаты – соли слабой неустойчивой угольной кислоты. При взаимодействии карбонатов магния и кальция с кислотами образуются растворимые соли, и выделяется угольная кислота, которая сразу разлагается на углекислый газ и воду.

 

 

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Анкетирование

Для проведения социологического опроса разработана следующая анкета:

1. Есть ли в Вашем чайнике накипь?

2. Известны ли Вам способы удаления накипи?

3. Если в предыдущем вопросе Вы ответили «да», то какие?

4. Используете ли вы фильтр для очистки воды?

 

2.2. Результаты анкетирования

В анкетировании приняли участие 32учащихся 5-9 классов из них:

Вопрос 1: есть ли в Вашем чайнике накипь?

18человек- да, 7 человек- нет, 7 человек - не знаю.

Вопрос 2: известны ли Вам способы удаления накипи?

15 человек – да, 17 человек – нет.

Вопрос 3: если в предыдущем вопросе Вы ответили «да», то какие?

2 человека – сода, 13 человек – лимонная кислота.

Вопрос 4: используете ли вы фильтр для очистки воды?

7 человек – да, 22 человека – нет, 3 человека – не знаю.

 

Опрошено 32человека - учащиеся школы с 5 по 9 классы. Выявлено, что у 56,3% опрошенных в чайниках имеется накипь, при этом о способах удаления накипи, из опрошенных,  знает 46,8%. Известными способами для удаления накипи у учащихся являются лимонная кислота и сода, однако согласно нашим исследованиям, сода не оказывает влияния на удаление накипи. Фильтр для очистки воды используют 21,8% опрошенных.

 

 

 

2.3. Проведение эксперимента

1 этап. Взяли 10 примерно одинаковых по массе проб накипи из чайника для эксперимента (отделили механическим способом).

2 этап. Распределили накипь по 10 пронумерованным пробиркам.

3 этап. В пробирку №10 добавили 15 мл. воды – контроль. В пробирку №5 – Кока-Колу. В остальные пробирки по 10 мл воды.

В пробирку № 1 добавили кусочки лимона, в пробирку №2 – лимонную кислоту, в пробирку №3 – кожуру яблока, в пробирку №4 – кожуру картофеля, в пробирку №6 – аскорбиновую кислоту, в пробирку №7 – уксусную эссенцию, в пробирку №8 – питьевую соду, в пробирку №9 – Антинакипин.

4 этап. Вели наблюдение за содержимым пробирок в течение 15 минут для визуального определения начала реакции без нагревания.

5 этап. Нагрели содержимое пробирок и кипятили в течение 15 минут.

6 этап. Оценили степень растворения накипи в пробирках после нагревания.

7 этап. Для достижения наибольшего эффекта пробирки с содержимым оставили на сутки.

8 этап. Оценили степень растворения накипи при использовании тех или иных реагентов.

 

2.4. Результаты эксперимента

1. После добавления реагентов во все пробирки в пробирках №2 (лимонная кислота), №5 (Кока-Кола), №6 (аскорбиновая кислота) и №8 (уксусная эссенция) началось выделение пузырьков газа, что свидетельствует о начале реакции. Наиболее интенсивное выделение газа наблюдалось в пробирке с уксусной эссенцией.

2. На протяжении 15 минут вели наблюдение за пробирками. В течение этого времени интенсивность выделения пузырьков газа снижалась, в пробирках с Кока-Колой и аскорбиновой кислотой выделение газа визуально прекратилось.

3. После нагревания и кипячения в течение 15 минут:

- в пробирке №1 (кусочки лимона) – внешне накипь без изменений;

- в пробирке №2 (лимонная кислота) – визуально фиксировалось уменьшение размера кусочка накипи;

- в пробирке №3 (яблочная кожура) - внешне накипь без изменений;

- в пробирке №4 (кожура картофеля) - внешне накипь без изменений;

- в пробирке №5 (Кока-Кола) - внешне накипь без изменений;

- в пробирке №6 (аскорбиновая кислота) - внешне накипь без изменений;

- в пробирке №7 (уксусная эссенция) – накипь полностью растворилась;

- в пробирке №8 (питьевая сода) - внешне накипь без изменений;

- в пробирке №9 (Антинакипин) – вместо кусочка накипи наблюдался рыхлый белый осадок;

- пробирка №10 – контрольная.

4. По прошествии суток, наблюдались следующие изменения:

- в пробирке №1 (кусочки лимона) – накипь стала более рыхлой, для ее удаления с поверхности было бы достаточно применить механические средства (щетка, ёршик);

- в пробирке №2 (лимонная кислота) – накипь представляла собой рыхлый порошок, который легко убирается при промывании водой;

- в пробирке №3 (яблочная кожура) - внешне накипь без изменений, твердая;

- в пробирке №4(кожура картофеля) - размягчился тонкий поверхностный слой накипи, возможно, для достижения лучшего результата необходимо большее количество реагента;

- в пробирке №5 (Кока-Кола)–размягчился тонкий поверхностный слой накипи, концентрация ортофосфорной кислоты в напитке недостаточна для растворения данного образца;

- в пробирке №6 (аскорбиновая кислота) - накипь стала более рыхлой, для ее удаления с поверхности было бы достаточно применить механические средства (щетка, ёршик);

- в пробирке №8 (питьевая сода) - внешне накипь без изменений;

- пробирка №10 – контрольная.

5. Наблюдаемые в результате эксперимента реакции:

Пробирка №1, №2 и №9 (растворение происходит из-за присутствия лимонной кислоты):

3CaCO₃ + 2C₆H₈O₇ = Ca₃(C₆H₅O₇)₂ + 3CO₂­ + 3H₂O

Пробирки №3, №4 и №6 (растворение происходит из-за присутствия аскорбиновой кислоты):

2C₆H₈O₆ + CaCO₃ = CaC₁₂H₁₄O₁₂ + H₂O + CO₂­

Пробирка №5 (наличие ортофосфорной кислоты):

3CaCO₃ + 2H₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂O + 3CO₂

Пробирка №7 (растворение происходит из-за присутствия уксусной кислоты):

CaCO₃ + (COOH)₂ = CO₂­ + H₂O + Ca(COO)₂

 

 

Выводы

1. Опрошено 32человека - учащиеся школы с 5 по 9 классы. Выявлено, что у 56,3% опрошенных в чайниках имеется накипь, при этом о способах удаления накипи, из опрошенных,  знает 46,8%. Известными способами для удаления накипи у учащихся являются лимонная кислота и сода, однако,  согласно нашим исследованиям, сода не оказывает влияния на удаления накипи. Фильтр для очистки воды используют 21,8% процентов опрошенных.

2. Исследование химических и народных способов очистки от накипи показали, что при использовании уксусной эссенции растворение накипи происходит наиболее полно и не требует временных затрат. Недостатком является летучесть уксусной кислоты, а значит неприятный резкий запах, раздражающий дыхательные пути. Антинакипин и лимонная кислота дали рыхлый осадок. Антинакипин позволил получить его спустя 15 минут кипячения, для лимонной кислоты необходимо было длительное отстаивание. В целом эти реагенты позволяют с наименьшими материальными затратами удалить накипь с поверхности водонагревательного прибора. Также к достоинствам антинакипина и лимонной кислоты можно отнести отсутствие резкого запаха. Кусочки лимона можно использовать для удаления накипи, однако для полного устранения необходимо большое их количество, чтобы достичь нужной концентрации лимонной кислоты, что, в свою очередь, требует финансовых затрат. Случай с картофельной кожурой аналогичен случаю с кусочками лимона, но здесь основным компонентом, позволяющим удалить накипь, является аскорбиновая кислота. Использовать Кока-Колу для удаления накипи нецелесообразно, т.к. содержание ортофосфорной кислоты недостаточно. В составе яблочной кожуры присутствует аскорбиновая кислота, которая может помочь в борьбе с накипью, необходимо много яблок и они должны быть кислыми. Питьевая сода никак не влияет на накипь и использовать её бессмысленно.

Рекомендации: для удаления накипи в чайниках, стиральных и посудомоечных машинах целесообразно использовать лимонную кислоту и специальные средства, которые продаются в хозяйственных магазинах (Антинакипин, Стопнакипь). Они обладают наибольшей эффективностью и небольшой ценой, не имеют запаха, не летучи.

 

 

 

 

Список использованных источников

1. Большая советская энциклопедия том 17 под редакцией А.М.Прохорова. – М.: "Советская Энциклопедия", 1974.

2. И.Л. Клунянц. Химическая энциклопедия в пяти томах-  М.: Научное издательство «Большая российская энциклопедия», 1992.

3. Вода питьевая. Метод определения общей жесткости. ГОСТ 4151-72. М.: изд-во Стандартов, 1980.

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Накипь

5. https://kitchendecorium.ru/poryadok/kak-ochistit-chajnik-ot-nakipi.html

6.https://masterok.livejournal.com/3839047.html

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

 

 

Скачано с www.znanio.ru