Жесткость воды, ее определение и устранение.

Жесткость воды

Выполнили:
Шестакова Светлана
Гусева Александра Группа №3

Жесткость воды – общая проблема как для воды из скважины (подземные, грунтовые воды), так и для муниципальных систем водоснабжения. Жесткость воды негативно влияет на санитарно-техническое оборудование, современную бытовую технику, автономные системы горячего водоснабжения, бойлерное оборудование, системы отопления, котельное оборудование. Жесткая вода не применима во многих технологических процессах.

Единицы измерения жесткости
В мире используется несколько единиц измерения жесткости. В РФ принята в качестве единицы жесткости воды - моль на кубический метр (моль/м3). В других странах применяются немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO3.

По величине общей жёсткости различают воду
мягкую (до 2 мг-экв/л),
средней жёсткости (2-10 мг-экв/л)
жёсткую (более 10 мг-экв/л).

Жесткость воды изменяется в больших пределах. Есть большое количество типов классификации воды в зависимости от степени жесткости. Приведем пример некоторых их них.

 Жесткость воды – это совокупность ее свойств, обусловленных присутствием в ней катионов кальция (Ca2+), магния (Mg2+), и отчасти двухвалентного железа (Fe2+). Различают постоянную, временную и общую жесткость.    

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются.

   
Общая жесткость определяется суммарным содержанием в воде всех указанных выше катионов. Эти ионы оказываются в воде в результате растворения в ней соответствующих солей.

    Постоянная жесткость не загрязненных промышленными стоками слабоминерализованных поверхностных природных вод характеризует количество растворенных сульфатов, хлоридов и некоторых других солей кальция и магния. То есть в этих водах наряду с катионами Ca2+ и Mg2+ имеются анионы SO42-, Cl- и др. При кипячении такой воды концентрации этих катионов и анионов практически не изменяются – отсюда и название "постоянная жесткость".

       Временная жесткость связана с присутствием в воде наряду с катионами Ca2+, Mg2+ и Fe2+ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO3-). При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются, образуя очень плохо растворимый карбонат кальция, углекислый газ и воду:

Ca2+ + 2HCO3- = CaCO3↓ + H2O + CO2↑

    Таким образом, временную жесткость можно устранить путем длительного кипячения, поэтому она и "временная".

     С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO3 неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)3, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении. 

Методы устранения

Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Этот метод нашёл наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды. В качестве недостатка данного метода следует отметить необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану.

Методы устранения

Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.

Схема процесса

Методы устранения

Термический способ. Основан на нагреве воды, устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту. В промышленности применяется, например, на ТЭЦ.

Методы устранения

Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду соды или гашеной извести. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.

Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. Как правило, жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом — до 0,01 мг-экв/л.

Методы устранения

Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na3PO4:

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓+ 6NaHCO3

3MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 3Na2SO4

Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому достигается лучшее умягчение воды. В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду. Определенное умягчение воды происходит и в бытовых фильтрах для питьевой воды. Отфильтрованная вода дает меньше накипи. Полностью очистить воду можно методом перегонки(дистилляцией).

Методы устранения

На дно сосуда из жаропрочного материала кладут кусочки фарфора, обеспечивающие равномерное кипение, наливают воду, закрывают пробкой с отверстием, в которое вставлен конец стеклянной трубки или змеевика, связанного с холодильником. При кипячении воды ее пары конденсируются в холодильнике, и дистиллированная вода стекает в сосуд. Жесткость получаемой воды – 0,8–2,3°. При необходимости можно провести повторную дистилляцию и получить воду жесткостью 0,2–0,8°. Недостаток процесса – малая производительность.

Методы устранения

Спасибо за внимание.