ЖОРСТКІСТЬ ВОДИ ТА ШЛЯХИ ЇЇ ПОМ'ЯКШЕННЯ
Жорсткістю води називається її властивість,обумовлена вмістом іонів кальцію та магнію. Рекомендована одиниця СІ жорсткості води - моль/м3, але на практиці для вимірювання жорсткості частіше використовується ммоль/л або мг-екв/л.
Величина ммоль/л кальцієвої жорсткості відповідає вмісту 20,04 мг Са2+ в 1 л води, а 1 ммол/л магнієвої жорсткості дорівнює вмісту 12,16 мг Мg2+ в 1 л води.
Відрізняють карбонатну (тимчасову) і не карбонатну (постійну) жорсткість. Карбонатна жорсткість (Жк) обумовлена бікарбонатами Са2+ і Mg2+. Некарбонатна жорсткість (Жнк) зумовлена, головним чином, сульфатами та хлоридами Са2+і Mg2+.
Таким чином, загальна жорсткість дорівнює:
(7.1)
або 
(7.2)
де [Ca2+], [Mg2+] – концентрація іонів кальцію та магнію відповідно, мг/л.
Для усунення жорсткості води, тобто її пом’якшення, з води потрібно видалити іони Са2+ і Mg2+ у вигляді нерозчинних солей. Тимчасову жорсткість усувають кип’ятінням, внаслідок якого іони Са2+ та Mg2+ виводяться з розчину у вигляді нерозчинних карбонатів. Постійну жорсткість усувають за рахунок оброблення води такими реагентами, як Na2CO3, NaOH, Ca(OH)2, Na3(PO4)2. В цьому випадку усувається як тимчасова, так і постійна, тобто загальна жорсткість води.
Сучасний спосіб пом’якшення води заснований на використані катіонітів. Катіоніти - це тверді сорбенти, нерозчинні у воді, до складу яких входять рухливі катіони Na+. Під час руху води скрізь колонку з катіонітом іони Са2+ і Mg2+ затримуються в ньому, а катіони Na+ з катіониту переходять у воду. Катіоніт періодично регенерують, промиваючи його концентрованим розчином NaCl.
Приклад 7.1. В 5 м3 вoди міститься 250 г іонів кальцію та 135 г іонів магнію. Визначити загальну жорсткість води.
Розв’язання. 1. Визначаємо вміст іонів кальцію та магнію в 5 м3 води:
2. Визначаємо загальну жорсткість згідно рівнянню (7.2):
.
Приклад 7.2. Яка маса Са(ОН)2 потрібна для пом’якшення води об’ємом 1000 м3, щоб карбонатна жорсткість її зменшилась з 28 до 12 ммоль/л?
М[ Ca(OH)2 ]=74г/моль.
Розв’язання. 1. За умовами реакції пом’якшення
маса еквівалента гідроксиду кальцію взаємодіє з масою еквіваленту бікарбонату кальцію (або магнію). Маса еквіваленту Са(ОН)2 дорівнює 37 г/моль.
2. За умовами, жорсткість треба зменшити на 16 ммоль/л. З урахуванням об’єму води необхідно осадити 16×1000 000=16 000 000 ммоль, тобто 16000 моль бікарбонату кальцію (або магнію).
3. Необхідна маса Са(ОН)2 дорівнює : 37×16000=592000 г або 592 кг.
Приклад 7.3. Карбонатна жорсткість води дорівнює 5 мг-екв/л. Визначити вміст бікарбонату кальцію в 10 м3 води. М[Ca(НСО3)2]=162,1 кг.
Розв’язання. 1. Визначимо кількість іонів Са2+ в 10м3 води заданої жорсткості:
.
2. Визначимо кількість бікарбонату кальцію в 10 м3 води, що містить 1,002 кг іонів Са2+:
40,08 кг Са міститься в 162,1 кг Ca(НСО3)2
1,002 кг Са міститься в х кг Ca(НСО3)2
Тоді х =162,1×1,002/40,08=4,05 кг Ca(НСО3)2.
Приклад 7.4. Чому дорівнює жорсткість води, якщо для її усунення к воді об’ємом 20 л додано карбонат натрію масою 4,24 г? М(Na2CO3)=106 г.
Розв’язання. З рівнянь реакцій усунення жорсткості води
Са(НСО3)2+ Na2CO3=2 NaНCO3+СаСО3,
CaSO4+Na2CO3=N aSO4+ СаСО3
видно, що на 1 моль іонів кальцію потрібно 1 моль карбонату натрію з М=106 г.
2. Визначимо кількість іонів Са2+, що осаджують карбонат натрію масою
4,24 г:
1 моль Са2+ осаджує 1 моль Na2CO3 масою 106 г
х моль Са2+ осаджує 1 моль Na2CO3 масою 4,24 г
3. Тоді жорсткість води буде дорівнювати:
Приклад 7.5. Визначити термін роботи катіонітної колонки, що використовується для пом’якшення води. Об’єм катіоніту Vк = 0,53 м3, загальна ємність його поглинання Ез = 2000 моль/м3, об’ємна швидкість потоку води u=8 м3/год. Жорсткість води складає 13,8 моль/м3 і зумовлена катіонами кальцію.
Розв’язання. 1. Визначаємо кількість Са2+, що надходить в колонку протягом години:
2.Обчислимо робочу поглинальну ємність колонки до регенерації:
Приклад 7.6. Визначити кількість катіоніту (м3) (сульфовугілля) для пом’якшення 500 т води, жорсткість якої дорівнює 7,5 мг×екв/л. Загальна ємкість поглинання катіоніту Ео=850 г×екв/м3. Густина води d=1000кг/м3.
Розв’язання.
1. Виконуємо перерахунок одиниць вимірювання приведеної жорсткості в г×екв/м3:
Жв=7,5×1000/1000=7,5 г×екв/м3.
2.Визначаємо кількість г×екв жорсткості в 500 т води:
Ж500=7,5×500=3750 г×екв.
3.Знаходимо необхідний об’єм катіоніту з урахуванням Ео:
V=Ж500/Ео=3750/850=4,4 м3.
7.1 Задачі для самостійного розв’язання
Задача 1. Яку масу Са(ОН)2 необхідно додати до 2,5 л води для усунення тимчасової жорсткості, яка дорівнює 4,43 мг-екв/л. (Відп.: 0,41 г)
Задача 2. Визначити загальну жорсткість води, якщо в 1 л її міститься 0,1002 г іонів Са2+ та 0,03648 г іонів Mg2+? (Відп.: 8 мг-екв/л).
Задача 3. Чому дорівнює карбонатна жорсткість води, якщо в 1 л її міститься 0,292 г Mg(НСО3)2 та 0,205 г Ca(НСО3)2? (Відп.: 6,5 мг-екв/л).
Задача 4. Чому дорівнює жорсткість води, якщо для її пом’якшення к 50 л води необхідно додати 21,2 г карбонату натрію? (Відп.: 8 мг-екв/л).
Задача 5. Вода,яка містить тільки сульфат магнію, має жорсткість 7 мг-екв/л. Яка маса сульфату магнію міститься 300 л цієї води? (Відп.: 126,3 г).
Задача 6. Чому дорівнює карбонатна жорсткість води, якщо для її усунення к 400 л води додали 63,6 карбонату натрію? (Відп.: 3,18 мг-екв/л).
Задача 7. Яка маса Na2CO3(г) необхідна для усунення жорсткості води об’ємом 1000 л, насиченої сульфатом кальцію при 20оС, якщо розчинність останнього дорівнює 2 г/л? (Відп.: 1558,8 г).
Задача 8. Визначити загальну жорсткість води, якщо у 200 мл води міститься 20 мг іонів кальцію та 8 мг іонів магнію. (Відп.: 4,15 ммоль/л).
Задача 9. Визначити тимчасову жорсткість води, якщо у 1 л води міститься 0,2927 г бікарбонату магнію. (Відп.: 4 мг-екв/л).
Задача 10. Визначити карбонатну жорсткість, якщо для її усунення із
500 мл води витрачено 0,265 г карбонату натрію. (Відп.: 5 ммоль/л)
Задача 11. Визначити магнієву жорсткість води, якщо загальна жорсткість її складає 2 ммоль/л, а вміст іонів кальцію дорівнює 60 мг/л. (Відп.: 0,5 ммоль/л).
Задача 12. Визначити жорсткість води, у 10 л якої міститься 4,44 г СаCl2 (Відп.: 4 ммоль/л).
Задача 13. Чому дорівнює карбонатна жорсткість води, якщо вміст сульфату магнію дорівнює 120,3 мг/л, а загальна жорсткість складає 5 мг-екв/л? (Відп.: 3 мг-екв/л).
Задача 14. У воді міститься 0,12 г/л розчиненого бікарбонату кальцію. Скільки необхідно добавити Са(ОН)2 до 100 мл води для осадження бікарбонату у вигляді карбонату? (Відп.: 5,5 мг).
Задача 15. Жорсткість води обумовлена наявністю в ній сульфатів кальцію та магнію. При дії на воду об’ємом 10 л розчином, що містить 5,3 г Na2CO3, утворювалися карбонати кальцію та магнію масою 4,52 г. Визначити жорсткість води та масу сульфатів кальцію і магнію у воді. (Відп.: 5ммоль/л; CaSO4 – 72 г; MgSO4 – 3,6 г).
Задача 16. Яка кількість Na3PO4 необхідна для пом’якшення 100 л води, якщо залишкова жорсткість дорівнює 0,175 ммоль/л? (Відп.: 1,9 г).
Задача 17. Визначити жорсткість мінеральної води «Нарзан», якщо в об’ємі 1 л її міститься 0,3894 г Са2+ та 0,0884 г Mg2+. (Відп.: 26,7 мг-екв/л).
Задача 18. Водопровідну воду, жорсткість якої складає 13 моль/м3 Са2+, пропускають для пом’якшення з об’ємною швидкістю 8 м3/год через катіонітну колонку з робочим об’ємом катіоніту 0,27 м3. Визначити ємність поглинання (моль/м3) катіоніту, якщо колонка працює без регенерації 16 год. (Відп.: 6163 моль/м3).
Задача 19. Для визначення обмінної ємкості сульфовугілля їм заповнили колонку об’ємом V=200 мл. Витрата води з жорсткістю 7,05 ммоль/л, яку пропускають через колонку до появи у фільтраті іонів Са2+ («проскок») склав 11,35 л. Визначити обмінну ємкість сульфовугілля. (Відп.: 400 моль/м3).
Задача 20. Яким повинен бути загальний об’єм катіоніту у фільтрі для пом’якшення води, витрата якої складає 10000 м3/добу, при умові, що установка повинна забезпечити роботу фільтрів не менш 5 діб без регенерації? Обмінна здатність катіоніту 800 моль/м3, а загальна жорсткість вихідної води 3,37 ммоль/л. (Відп.: 211 м3).
Задача 21. Визначити термін роботи катіонітної колонки до регенерації, якщо об’єм катіоніту (сульфовугілля) дорівнює 1,5 м3 і ємність його поглинання Е=1000 г-екв/м3, об’ємна швидкість потоку води 15 м3/год. Жорсткість води складає 8 мг-екв/л і зумовлена вона катіонами кальцію. (Відп.: 12,5 годин).
Задача 22. Через катіонітний фільтр з робочим об’ємом 3 м3 пропускають воду, жорсткість якої складає 6,5 мг-екв/л, а об’ємна витрата – 10 м3/год. Визначити ємкість поглинання катіоніту ЕП, якщо фільтр працює без регенерації 2,5 діб. (Відп.: 1300 г-екв).
Задача 23. Визначити добову потребу катіоніту (без регенерації) для пом’якшення води, жорсткість якої складає 8,5 мг-екв/л, а об’ємна витрата
5 м3/год. Ємкість поглинання катіоніту 1150 г-екв/м3. (Відп.: 0,9 м3/добу).
Задача 24. Визначити ємність поглинання катіоніту КУ-2 (ЕП), якщо висота його слою в колонці 1,6 м, діаметр колонки 1,5 м, час роботи без регенерації 75 годин. Жорсткість води, яка поступає до фільтру, 5 ммоль/л, остаточна жорсткість 0,02 ммоль/л, об’ємна витрата потоку – 8 м3/год.