Методы устранения жёсткости воды

Для избавления от временной жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:

Ca(HCO₃)₂= СаСО₃v+ СО₂^+ Н₂О,

Mg(HCO₃)₂= Мg₂(ОН)₂СО₃v +3СО₂^ + Н₂О,

и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной.

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.

Умягчить жёсткую воду можно и обработкой воды различными химическими веществами. Так, временную (карбонатную) жёсткость можно устранить добавлением гашеной извести:

Са²⁺+2НСО^-₃+ Са²⁺+ 2ОН^-= 2СаСО₃v+ 2Н₂О

Mg²⁺+2НСО^-₃+ Са²⁺+ 4ОН^-= Mg(ОН)₂v+2СаСО₃v+ 2Н₂О.

При одновременном добавление извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жёсткости (известково-содовый способ). Карбонатная жёсткость при этом устраняется известью (см. выше), а некарбонатная - содой:

Са²⁺+ СО^2-₃= СаСО₃v

Mg²⁺+ СО^2-₃= Mg СО₃

и далее

Mg СО₃+ Са²⁺+ 2ОН^-= Mg(ОН)₂v+СаСО₃v

Вообще, с постоянной жёсткостью бороться труднее. Кипячение воды в данном случае не приводит к снижению её жёсткости.

Для борьбы с постоянной жёсткостью воды используют такой метод, как вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лёд превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жёсткость, остаются в не замершей воде.

Ещё один способ борьбы с постоянной жёсткостью - перегонка, т.е. испарение воды с последующей её конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, то они остаются, а вода испаряется.

Также, чтобы избавиться от постоянной жёсткости, можно, например, к воде добавить соду:

СаСl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃v+ 2NaCl.

Также известны методы обработки воды (магнитное и электромагнитное воздействие, добавление полифосфатов или других "антинакипинов"), позволяющие на время "связать" соли жёсткости, не давая им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи. Однако эти методы не нейтрализуют соли жёсткости химически и поэтому нашли ограниченное применение в водоподготовке технической воды. Единственным же экономически оправданным методом удаления из воды солей жёсткости является применение ионообменных смол. Пропуская воду через слой специального реагента - ионообменной смолы (ионита), ионы кальция, магния или железа переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят ионы Н⁺или Na⁺, и вода умягчается, её жёсткость снижается.

Но такие методы, как замораживание и перегонка, пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность имеет дело с тоннами. Поэтому для устранения жёсткости в данном случае принимается современный метод устранения - катионный. Этот способ основан на применении специальных реагентов - катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия. Катиониты - синтетические ионообменные смолы и алюмосиликаты.

Их состав условно можно выразить общей формулой Na₂R. Если пропускать воду через катиониты, то ионы Nа⁺ будут обмениваться на ионы Са²⁺ и Mg²⁺.

Схематически эти процессы можно выразить уравнением:

Ca²⁺ + Na₂R = 2Na⁺ + CaR

Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, а ионы натрия - из катионита в раствор, жёсткость при этом устраняется.

Катиониты обычно регенерируют - выдерживают в растворе NaCl, при участии которого происходит обратный процесс:

CaR + 2Na⁺ = Na₂R+ Ca²⁺

Регенерированный катионит снова может быть использован для умягчения новых порций жесткой воды.

С последствием жёсткости воды - накипью, с точки зрения химии, можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.

В качестве средства для удаления накипи применяются также адипиновая кислота и малеиновый ангидрид, которые добавляются в воду. Эти вещества слабее сульфаминовой кислоты, поэтому для снятия накипи необходимо так же кипячение.

Эффективным способом борьбы с высокой жёсткостью считается применение автоматических фильтров-умягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде "жёсткие" соли заменяются на "мягкие", которые не образуют твердых отложений.

Автоматический умягчитель представляет собой пластиковый корпус (4) с управляющим блоком (1) и баком для приготовления и хранения регенерирующего раствора (2). Жёсткая вода, поступая в фильтр, проходит через слой засыпки из высококачественной ионообменной смолы (3). При этом происходит изменение химического состава растворённых солей за счёт замены ионов кальция и магния на ионы натрия, которыми насыщена смола. В момент, когда поглощающая способность смолы снижается до определенного уровня, блок управления автоматически начинает цикл регенерации.

Периодичность регенерации определяется количеством воды, которое может пройти через умягчитель до его полного истощения, и рассчитывается с учётом множества факторов, таких как параметры смолы, качество воды, величины её расхода и т.д. Сигнал на начало регенерации в управляющий блок подается специальным расходомером. Непосредственно восстановление свойств ионообменной смолы осуществляется при подаче в фильтр водного раствора высокоочищенной поваренной соли (NaCl) за счёт обратного замещения накопленных в смоле ионов кальция и магния на ионы натрия. Затем все загрязнения вымываются из фильтра в дренаж.

В зависимости от размеров умягчителя цикл регенерации/промывки может продолжаться до 2-3 часов. Во время регенерации разбор воды производить не рекомендуется, так как на выход будет поступать несмягченная вода. Именно по этой причине большинство одиночных систем (состоящих из одного фильтра с одним блоком управления) запрограммированы таким образом, чтобы регенерация производилась только в ночное время.

Современные синтетические смолы чрезвычайно надежны и долговечны, позволяют работать на высоких скоростях потоков, благодаря чему находят применение в системах с высокой производительностью. Срок службы смолы может достигать 6 - 8 лет в зависимости от качества исходной воды (и, как следствие, от количества фильтроциклов).

В настоящее время, благодаря большому разнообразию смол, фильтры-умягчители помимо своего основного назначения могут быть использованы также для удаления из воды железа и марганца, тяжелых металлов, органических соединений, а также селективного удаления нитратов, нитритов, сульфидов и т.п.

Значение жёсткости воды

Как мы уже говорили, жёсткость воды определяется содержанием в воде растворенных солей кальция и магния, которые при нагревании выпадают в осадок, образуя налёт, всем хорошо известный как накипь. Сравнительно безобидная на стенках чайника накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин (недаром дорогие модели бытовой техники снабжены встроенными умягчителями).

Накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин

На бытовом же уровне жёсткость проявляет себя значительным (на 30-50%) перерасходом моющих средств при стирке белья и умывании, а также ухудшением потребительских свойств воды. При кипячении достаточно жёсткой воды на её поверхности образуется плёнка, а сама вода приобретает характерный привкус. При заваривании чая или кофе в такой воде может выпадать бурый осадок, теряется вкусовые качества чая. В жёсткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи невкусны. К тому же диетологами установлено, что в жёсткой воде хуже разваривается мясо. Связано это с тем, что соли жёсткости вступают в реакцию с животными белками, образуя нерастворимые соединения. Это приводит к снижению усвояемости белков.

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, её приемлемость по степени жёсткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жёсткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус.

Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жёсткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жёсткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жёсткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень строгие требования к величине жёсткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л).

К сожалению, далеко не всем известно также о неблагоприятном влиянии жёсткости на здоровье человека при умывании.

Связано это с тем, что при взаимодействии солей жёсткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) может происходить образование нерастворимых "мыльных шлаков" в виде пены. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жёстких" волос хорошо известное многим). При этом разрушается естественная жировая плёнка, которой всегда покрыты здоровые волосы и нормальная кожа, забиваются поры, появляются сухость, шелушение, перхоть. Первым тревожным признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых людей раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой, является признаком того, что защитная жировая плёнка на коже цела и невредима. Именно она-то и скользит. В противном случае, приходится пользоваться лосьонами, умягчающими и увлажняющими кремами, необходимые для восстановление защиты. Недаром косметологи рекомендуют использовать для умывания очень мягкую дождевую или талую воду.

Как мы уже говорили, «мыльные шлаки» в виде пены, высыхая, остаётся на сантехнике, белье и т.д. В результате, ткань становится грубой и неэластичной; она перестаёт пропускать воздух и влагу. Портится и внешний вид изделия: ткань приобретает серо-жёлтый оттенок, блекнут краски рисунка. Осевшие на ткани "известковые мыла" лишают её прочности.

Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жёсткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную ёмкость (щёлочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жёсткостью воды и её коррозионной активностью

Список используемой литературы

1. http://www.festival.1september.ru

2. http://www.docs.mytimes.ru

3. http://www.water.ru

4. http://www.bestwater.ru

5. http://www.alhimik.ru

6. Белянин В. Жизнь, молекула воды и золотая пропорция // Наука и жизнь. - 2004г. - № 10. - с. 2-9.

7. Бердоносов С.С., Менделеева Е.А. Химия. Новейший справочник. - М.: «Махаон», 2006г.

8. Кочергин Б.Н. Химический словарь школьника. - Минск: «Народная асвета», 1990г.

9. Потапов В.М., Хомченко Г.П. Химия. - М.: «Высшая школа», 1982г.

10. Ходаков Ю.В., Эпинтейн Д.А. Неорганическая химия, - М.: «Просвещение», 1982г.

1. Предложите способы устранения жёсткости, обусловленной присутствием Mg(NO3)2, CuSO4, Fe(HCO3)3.
2. Определите общую жёсткость воды, в 1 л которой содержится 0,3 г KHCO3, 0,04 г Zn(NO3)2, 0,05 г Cr(HCO3)3.
3. На титрирование 1 л воды при определении жёсткости пошло 15 мл 0,05 H раствора трилона Б. Чему равна общая жёсткость? Соответствует ли она требованиям ГОСТ 2874-82 (7 ммоль-экв/л)?

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Каждый студент выполняет вариант контрольных заданий, обозначенный двумя последними цифрами номера студенческого билета (шифра).

Например: номер студенческого билета 86594, две последние цифры 94, им соответствует вариант контрольного задания 94.