Карбонатная жесткость способы устранения
Виды жесткости. Способы умягчения воды
Катионы Ca 2+ обусловливают кальциевую жесткость, а катионы Mg 2+ — магниевую жесткость. Общая жесткость складывается из кальциевой и магниевой, т.е. из суммарной концентрации в воде катионов Ca 2+ и Mg 2+ .
Под умягчением воды понимают либо устранение, либо уменьшение ее жесткости. Главным образом оно заключается в полном или частичном удалении из нее катионов Ca 2+ , Mg 2+ и Fe 2+ . Существует три основных способа умягчения воды: термическая обработка, химическая обработка, ионный обмен.
1. Термическая обработка
Суть способа заключается в предварительном нагревании воды до 70-80 ° С или ее кипячении. При этом катионы Ca 2+ , Mg 2+ осаждаются в виде малорастворимых соединений.
По отношению к процессам умягчения воды различают жесткость карбонатную и некарбонатную.
Карбонатной называют жесткость, вызванную присутствием в воде гидрокарбонатов кальция Ca ( HCO 3 )2 и магния Mg ( HCO 3 )2. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются, а образующиеся малорастворимые карбонаты выпадают в осадок, и общая жесткость воды уменьшается на величину карбонатной жесткости. Поэтому карбонатную жесткость также называют временной.
При кипячении катионы кальция осаждаются в виде карбоната кальция:
а катионы магния – в виде основного карбоната или в виде гидроксида магния (при рН>10.3):
гидроксид-ионы OH — образуются за счет взаимодействия ионов HCO 3 — с водой:
Остальная часть жесткости, сохраняющаяся после кипячения воды, называется некарбонатной. Она определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот: сульфатов, хлоридов, нитратов. При кипячении эти соли не удаляются, поэтому некарбонатную жесткость также называют постоянной.
2. Химическая обработка.
Умягчение воды также может быть достигнуто обработкой различными химическими веществами. Так, карбонатную жесткость можно устранить добавлением гашеной извести
Ca 2+ + 2 HCO 3 — + Ca 2+ + 2 OH — = 2 CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O
Mg 2+ + 2HCO3 2- + 2Ca 2+ + 4OH — = Mg(OH)2↓ + 2CaCO3↓ + 2 H2O
При одновременном добавлении извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жесткости (известково-содовый способ). Карбонатная жесткость при этом устраняется известью, а некарбонатная – содой:
MgCO 3 + Ca 2+ + 2 OH — = Mg ( OH )2↓ + CaCO 3 ↓
Эффективным средством для умягчения воды служит полифосфат натрия Na 5 P 3 O 10 . В этом случае связывание ионов Ca 2+ и Mg 2+ осуществляется за счет образования хорошо растворимых в воде хелатных комплексных соединений:
Применяются и другие способы устранения жесткости воды, среди которых один из наиболее современных основан на применении катионитов — катионитный способ. Имеются твердые вещества, которые содержат в своем составе подвижные ионы, способные обмениваться на ионы внешней среды. Они получили название ионитов.
Иониты делятся на две группы. Одни из них обменивают свои катионы на катионы среды и называются катионитами, другие обменивают свои анионы и называются анионитами. Иониты не растворяются в растворах солей, кислот и щелочей.
Из неорганических ионитов наибольшее значение имеют цеолиты – алюмосиликаты сложного состава, имеющие кристаллическое строение. Например, алюмосиликат состава Na 2 O ∙ Al 2 O 3 ∙4 SiO 2 ∙ m H 2 O имеет пространственную решетку, образованную атомами Al , Si и O . Решетка пронизана полостями, в которых размещаются молекулы воды и ионы Na + . Последние, обладая определенной свободой перемещения, замещаются на ионы Ca 2+ и Mg 2+ при пропускании воды через слой зерен (гранул) цеолита.
Более совершенны ионообменные смолы, получаемые на основе синтетических полимеров. Они обладают одновременно высокими эксплуатационно-техническими характеристиками и разнообразными физико-химическими свойствами.
Для устранения жесткости воды применяют катиониты. Их состав условно можно выразить общей формулой Na 2 R , где Na + — весьма подвижный катион, а R 2- — частица катионита, несущая отрицательный заряд.
Если пропускать воду через слои катионита, то ионы натрия будут обмениваться на ионы кальция и магния:
Ca 2+ + Na2R = 2Na + + CaR;
Mg 2+ + Na 2 R = 2 Na + + MgR
Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, жесткость при этом устраняется.
Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит перестает работать – утрачивает способность умягчать воду. Однако любой ионит легко подвергается регенерации. Для этого через катионит пропускают концентрированный раствор NaCl ( Na 2 SO 4 ) или HCl ( H 2 SO 4 ). При этом ионы Ca 2+ и Mg 2+ выходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na + или H + .
4. Физические методы устранения жесткости
Для умягчения воды применяются также методы, основанные на физических явлениях.
Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обуславливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.
Магнитно-ионизационный метод также использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля. Для увеличения в воде количества ионов ее предварительно облучают ионизирующим излучением.
Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворенных веществ и их объединение в более крупные частицы, которые выпадают в осадок.
Ультразвуковая обработка воды также приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка.
Источник
Реагентное умягчение-обезжелезивание воды
Устранение жесткости воды
Существует несколько методов устранения жесткости воды, на практике наиболее часто применяется реагентное умягчение. В результате химической реакции между добавленными реагентами и присутствующими в воде ионами жесткости (Ca²⁺ и Mg²⁺) образуются нерастворимые соединения (осадки), которые легко удалить из раствора механическим способом. Для уменьшения общей жесткости воды применяют:
- кальцинированную соду — Na₂CO₃;
- гашеную известь — Са(ОН)₂;
- фосфат натрия — Na₃PO₄.
Процессы водоподготовки и умягчения воды реагентными методами и декарбонизацией известью ведутся в установках-осветлителях. В осветлителях создаются условия взвешенного осадка, а образование твердого осадка происходит по всему свободному объему раствора. Например, рост кристаллов CaCO₃ происходит из исходных частиц размером 0,01 мм.
Для того чтобы взвешенные в растворе карбонат кальция и карбонат магния быстрее выпали в осадок, дополнительно используют коагулянты — чаще всего это сульфат железа FeSO₄. Иногда применяют флокулянты (хлопьеобразователи).
Воду с высокой карбонатной жесткостью оптимально нейтрализовать известью совместно с сульфатом железа, в том случае, если не требуется дополнительно удалять ионы некарбонатной жесткости. Существенно снизить некарбонатную жесткость сможет добавление в воду щелочи NaOH с образованием соды (NaHCO₃).
Применение щелочи должно быть рассчитано исходя из соотношения
Едкий натр (NaOH) нельзя применять в осветлителях совместно с коагулянтами, так как он ухудшает показатели осаждения взвешенных частиц.
Дозы для реагентного умягчение воды известью и гидроксидом натрия вычисляют из соотношения
Описанные методы реагентного умягчения воды находят применение для обработки природных вод из поверхностных водоемов. Положительные стороны метода декарбонизации состоят в том, что из воды дополнительно удаляются взвешенные вещества, органические примеси, железистые и кремниевые соединения.
Как правило, железо в природных водах представлено в виде комплексов, коллоидных систем и тонкодисперсных взвешенных частиц. В результате реакций декарбонизации образуются осадки солей железа и магния, а также карбонат кальция. Влажный осадок направляется на дальнейшую обработку — обезвоживание, складирование и утилизацию.
Один из методов удаления солей кальция из природных подземных вод заключается в реагентной обработке известью и едким натром в вихревом реакторе. В условиях гетерогенной системы кристаллизация осадка карбоната кальция происходит на поверхности загрузки, где быстрее образуются зародыши кристаллов. С точки зрения физики процесса образование кристаллов на поверхности энергетически более выгодно, чем кристаллизация по всему объему раствора.
В тех случаях, когда раствор насыщен карбонатом кальция, для оценки его водородного показателя применяют величину рНs. Этот показатель меняется в зависимости от:
- физико-химических параметров раствора — температуры,
- общей концентрации солей, а также
- заданных величин щелочности и жесткости обработанной воды.
Если конечные показатели жесткости и щелочности достаточно высокие, то процесс декарбонизации можно вести при низких значениях рНs.
Конструкционные особенности вихревых реакторов — небольшая занимая площадь при значительной высоте сооружения. Вихревые реакторы могут эксплуатироваться под давлением, поэтому умягчать воду можно без промежуточных резервуаров и дополнительных насосов. Система может работать даже при низкой температуре обрабатываемой воды. Осадок, получаемый в процессе реагентного устранения жесткости воды, представляет собой круглые гранулы размером 1–2 мм и влажностью 20–25%.
Источник
chemistry11b
Just another WordPress.com site
Методы устранения жёсткости воды
1) Для избавления от временной жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:
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.
2) Умягчить жёсткую воду можно и обработкой воды различными химическими веществами. Так, временную (карбонатную) жёсткость можно устранить добавлением гашеной извести:
Са 2+ +2НСО – 3 + Са 2+ + 2ОН – = 2СаСО3↓+ 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:
3) 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.
4) 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:
5) 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.
6) 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 Са 2+ и Mg 2+ .
Схематически эти процессы можно выразить уравнением:
Ca 2+ + 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+ Ca 2+
Регенерированный катионит снова может быть использован для умягчения новых порций жесткой воды.
7) 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.
8) 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.
Источник
