Термический способ умягчения воды
Временная или карбонатная жесткость, устраняется нагреванием воды до 70—80°С и последующей фильтрацией. При нагревании протекают реакции:
Са(НСОз)2 = СаСО3¯ + СО2 + H2O
Mg(HCО3)2 = MgCО3¯ + CO2 + H2О
Однако полностью устранить карбонатную жёсткость термическим методом нельзя, т. к. СаСО3, хотя и незначительно, но растворим в воде. Растворимость МgСО3 достаточно высока, поэтому гидрокарбонат магния сразу же взаимодействует с водой, т.е. наблюдается процесс гидролиза и вместо МgСО3, в осадок выпадает Mg(ОН)2:
MgC03 + H2О =Мg(ОН)2¯ + СO2
Термическое умягчение воды связано со значительными затратами, поэтому применяется лишь в том случае, когда вода должна подвергаться соответствующему нагреву.
2. Реагентное умягчение воды.
Реагентное умягчение воды состоит в том, что при введении в воду специальных реагентов катионы кальция и магния, растворенные в ней, переходят в практически нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. В зависимости от используемых реагентов методы водоумягчения классифицируют на известковый, известково-содовый, щелочной, фосфатный и бариевый.
2.1.Известковый метод.
Данный метод используют для частичного устранения из воды карбонатной жесткости.
При введении в воду гашёной извести в виде известкового молока гидрокарбонат кальция соли осаждаются в виде карбонатов:
Са(НСОз)2 + Са(ОН)2 = 2СаСОз¯ + 2Н2О,
Дальнейшее введение в воду извести приводит к гидролизу магниевых солей и образованию малорастворимого гидроксида магния, который при рН≥ 10,2…10,3 выпадает в осадок:
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = MgCО3¯ + СаСО3¯ + CO2 + 2H2О
MgCО3 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 ¯+ CaCO3¯,
Известкованием устраняют из воды и некарбонатную магниевую жесткость при условии, что рН воды будет не ниже 10,2 (при других значениях рН воды гидроксид магния не выпадает в осадок):
MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2¯ + CaSO4
MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2¯ + CaCl2
Приведенные уравнения показывают, что магниевая жесткость устраняется, но значение общей жесткости остается неизменным, так как магниевая жесткость заменяется кальциевой, некарбонатной. Поэтому данный способ можно применять только для умягчения воды с большим значением карбонатной жесткости.
Устранение временной жесткости нейтрализацией гидрокарбонатов гашеной известью применяется крайне редко, т. к. а) мелкодисперсные осадки плохо осаждаются, и требуется укрупнение частиц; б) большое количество мелкодисперсных органических веществ препятствует образованию осадка.
2.2.Известково-содовый
Этот метод используют для одновременного понижения карбонатной и некарбонатной жесткости, когда не требуется глубокого умягчения воды.
Химизм процесса описывается реакциями:
MgS04 + Na2СОз = MgСОз↓ + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 = СаСОз↓ + 2NaCl
(Уравнения реакций устранения карбонатной жесткости с помощью извести смотри выше в п.2.1.).
После добавления в воду реагентов происходит мгновенное образование коллоидных соединений СаСОз и Mg(OH)2, однако их переход от коллоидного состояния в грубодисперсное, т.е. в то состояние, при котором они выпадают в осадок, занимает длительное время. Поэтому часто известково-содовый способ сочетают с термическим. Например, такое сочетание используют при умягчении воды, которая используется для питания котлов низкого давления, для подпитки теплосети и т.д.
Глубина умягчения воды при известково-содовом методе соответственно равна: без подогрева воды жесткость понижается до 1…2мэкв/л;
при подогреве воды до 80…90оС жесткость понижается до 0,2…0,4мэкв/л.
2.3. Щелочной метод.
Данный метод умягчения воды описывается следующими уравнениями химических реакций:
Ca(HCO3)2 + 2NaOH = CaCO3↓ + Na2CO3 + H2O
Mg(HCO3)2 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + Na2CO3 + H2O + CO2
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2NaCl
CO2 +NaOH = Na2CO3 + H2O
MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + Na2SO4
MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + 2NaCl
Из приведенных уравнений реакций следует:
1) гидроксид натрия (NaOH) в процессе умягчения воды расходуется на устранение карбонатной жесткости и нейтрализацию углекислого газа, растворенного в воде.
2) сода (Na2CO3), образующаяся при распаде гидрокарбонатов и нейтрализации углекислого газа, используется для удаления некарбонатной жесткости.
Глубина умягчения воды при щелочном методе такая же, как и при известково-содовом, т.е. значение остаточной жесткости практически около 1мэкв/л, а при подогреве умягчаемой воды – 0,2…0,4мэкв/л.
2.4.Фосфатный метод.
Данный метод умягчения воды является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса умягчения воды фосфатом натрия описывается следующими уравнениями реакций:
3CaS04 + 2Na3P04 = Саз(РО4)2↓ + Na2SO4
3MgCl2 + 2Na3PO4 = Mg3(PO4)2 ↓ + 6NaCl
3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3
3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 = Mg3(PO4)2 ↓+ 6NaHCO3
Как видно из приведенных уравнений реакций, сущность метода заключается в образовании кальциевых и магниевых солей фосфорной кислоты, которые обладают малой растворимостью в воде и поэтому достаточно полно выпадают в осадок.
Фосфатное умягчение обычно осуществляют при подогреве воды до 105…1500С, достигая уменьшения жесткости до 0,02...0,03мэкв/л. Из-за высокой стоимости фосфата натрия фосфатный метод обычно используют для доумягчения воды, предварительно умягченной известью и содой. Данный метод используется, например, для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления (588…980МПа).
2.5.Бариевый метод.
Умягчение воды основано на введении в нее гидроксида бария или алюмината бария и образовании практически нерастворимых соединений кальция и магния, а также сульфата бария. Химизм процесса описывается следующими уравнениями реакций:
CaSO4 + Ba(OH)2 = Ca(OH)2↓ + BaSO4↓
CaCl2 + BaAl2O4 = BaCl2 + CaAl2O4↓
Ca(HCO3)2 + BaAl2O4 = CaAl2O4↓ + BaCO3↓ + H2O + CO2
(Аналогичные уравнения реакций можно записать и для солей магния).
Бариевый метод умягчения воды очень дорогой, а бариевые соли ядовиты, поэтому его целесообразно применять при частичном обессоливании воды за счет извлечения сульфатов.
Пример 3. Жесткость воды равна 5,4 мэкв ионов кальция в 1 л воды. Какое количество фосфата натрия Na3P04 необходимо взять, чтобы понизить жесткость 1 т воды практически до нуля.
Решение: Задачу решаем, используя формулу
Ж = m / Э•V, (1)
где m – масса вещества, обусловливающего жёсткость воды, или применяемого для устранения жёсткости воды, г;