 |
Реагентные методы умягчения воды.
|
|
|
|
Введение.
Вода. Свойства воды.
Вода – самое распространенное в природе вещество, она покрывает ¾ земной поверхности, входит в состав минералов, горных пород, почв, атмосферы. Она играет огромную роль в технике, с/х, промышленности, медицине и т.д. Вода обладает рядом аномальных свойств, обуславливающих ее исключительную роль в природе:
1. Из всех жидких и твердых тел вода обладает аномально высокой теплоемкостью, это объясняется тем, что при нагревании значительное количество тепла расходуется сначала на разрыв водородных связей и только затем на тепловое движение молекул, поэтому вода медленно нагревается летом и медленно остывает зимой, регулируя т.о. температуру и климат на Земле.
2. Плотность воды при переходе из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как для большинства других веществ, а увеличивается. Плотность льда 0,92 г/см3, при плавлении льда рвется 15% водородных связей частично разрушается структура льда, молекулы сближаются, заполняя пустоты и плотность воды в жидком состоянии 1 г/см3. Лед легче воды, водоемы до дна не промерзают.
3. Температура кристаллизации и испарения воды гораздо больше, чем у гомологов (водородных соединений элементов VI группы - H2S, H2Se, H2Te). Вода в обычном состоянии - жидкость, гомологи – газы. (Рис1.)
4. Молекулы воды обладают высокой полярностью М = 5,52*19-30 Кл*м, поэтому вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, так при 298К ε (H2O) = 78,5, а ε (H2S) = 10, поэтому вода является хорошим растворителем для веществ с полярной и ионной связью.
5. Вода образует гристаллогидраты со многими соединениями: Fe2O3*2H2O (ржавчина), CuSO4*5H2O (медный купорос), Na2CO3*10H2O (питьевая сода), CaO*SiO2*2H2O (глина).
|
|
|
6. Вода в твердом состоянии (лед) имеет особую кристаллическую структуру.
Все эти свойства обусловлены, в основном, тремя причинами: полярным характером молекул воды, наличием неподеленных пар электронов у атома кислорода и способностью воды образовывать водородные связи.
Строение молекулы воды. Молекула воды имеет угловое строение в форме равнобедренного треугольника, вершина которого – ядро кислорода.
О +8)) 1s2 2s2 2p4
2 6
В электронной формуле кислорода есть две неподеленные пары электронов. ЭО(н) =2,1, ЭО (о) =3,44, кислород является более электроотрицательным элементом, поэтому связь О-Н – полярная и 
молекула воды тоже полярна и представляет собой диполь.
Электроны, образующие связи О-Н, смещены
к кислороду, атомы водорода приобретают поэтому эффективные заряды, центры отрицательных зарядов неподеленных пар атома кислорода смещены относительно ядра и создают два отрицательных полюса. Валентный угол НОН близок к тетраэдрическому (109,50) и равен 104,30.
Благодаря этому вода способна к образованию водородных связей. В твердой воде атом кислорода каждой молекулы связан с 4 атомами водорода согласно схеме:
О О
Н Н Н
О
Н Н
Вода образует ассоциаты общей формулой (Н2О)х. В твердом состоянии вода образует кристаллическую структуру – тетраэдр. В кристалле льда много пустот, размер их гораздо больше размеров молекул воды, поэтому лед имеет невысокую плотность. При плавлении льда структура частично разрушается, исчезает 10-15% ассоциатов, молекулы сближаются, плотность воды возрастает.
Наличие ассоциатов повышает температуру и замерзания и испарения воды и диэлектрическую проницаемость. При испарении воды ассоциаты исчезают полностью.
Химические свойства воды
Молекула воды обладает высокой устойчивостью к нагреванию. Пар начинает разлагаться при температурах > 10000С:
2 Н2О ↔ 2Н2 + О2
|
|
|
причем разлагается только 2% и только при 40000С Кдисс = 1. Этот процесс называется термической диссоциацией.
Вода вступает в реакции взаимодействия со щелочными и щелочно-земельными металлами, кислотными и основными оксидами, в реакции гидролиза, является необходимой средой для реакций ионного обмена и многих других реакций.
Вода обладает каталитическими свойствами – катализирует большинство реакций, с серной кислотой, с хлором, реакции окисления.
Диаграмма состояния воды
Диаграммы состояния или фазовые диаграммы – это графическое изображение зависимостей фазовых превращений от давления и температуры. Они широко применяются в химии. Диаграмма состояния воды состоит из трех кривых, соответствующих условиям существования воды в трех агрегатных (фазовых) состояниях: лед, жидкость, пар.
На диаграмме температуре 00С соответствует давление 4,6 ммрт.ст., 100 0С – 760 мм рт.ст.
Кривая ОА (кривая кипения-конденсации) соответствует равновесию жидкость ↔ пар, при котором скорость испарения жидкости равна скорости конденсации. Пар в этом состоянии называется насыщенным, а его давление – давлением насыщенного пара.. Вода кипит, когда давление в жидкости равно давлению насыщенного пара, т.е. при давлении 760 мм рт.ст. вода кипит при 100 0С. При понижении давления температура кипения уменьшается.
Кривая ОС (кривая плавления-кристаллизации) соответствует равновесию лед ↔ жидкость. Она соответствует тем парам значений t и P, при которых твердая и жидкая вода находятся в равновесии. С повышением давления температура замерзания уменьшается незначительно и вода замерзает при 00С при давлении 4,6 мм рт.ст.
Кривая ОВ (кривая сублимации) соответствует равновесию лед ↔пар, отражает условия перехода воды из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.
Все три кривые пересекаются в точке О – это тройная точка, соответствующая единственной паре значений t и P, при которых в равновесии находятся все три фазы: лед, жидкая вода и пар.
Состав природных вод
В природе идет непрерывный круговорот воды. Природная вода непрерывно взаимодействует с окружающей средой – реагирует с атмосферой, почвой, минералами, растительностью. При этом в воде растворяются органические и неорганические соединения. Все примеси в зависимости от размера частиц делятся на истинные растворы, коллоидные и взвешенные. По химическому составу различают органические и неорганические примеси.
|
|
|
Примеси, содержащиеся в природной воде, можно разделить на группы:
1). Образующиеся вследствии диссоциации растворенных в соде солей. К ним относятся катионы:Na+, K+, Ca2+, Al3+, Fe2+, Fe3+
анионы: HCO3-, Cl-, SO42-, F-, NO3-.
2). Растворенные газы: CO2, O2, N2, H2S.
3). Кремниевая кислота в коллоидной и ионной формах.
4). Продукты жизнедеятельности организмов (биогенные вещества): различные соединения азота, фосфора, аминокислоты.
5).бактерии и другие м/о.
6). Микроэлементы – Co2+, Ni2+.
7). Прочие вещества – взвешенные, окрашивающие, гуминовые, придающие запах.
Состав природных вод характеризуют солесодержанием, щелочностью и жесткостью.
Солесодержание равно общей концентрации солей и составляет для речной воды – 0,5 – 0,6 г/л (невысокое),
Для подземных вод – 2-12 г/л (минеральные воды)
Для вод морей и океанов – до 35 г/л.
Щелочность выражается суммой концентраций ионов ОН-, HCO3-, CO32-.
Жесткость воды отражает содержание в ней ионов кальция и магния (т.к. они наиболее распространены в природе).
Суммарное содержание солей Ca2+, Mg2+ в воде называется общей жесткостью Ж0. Она подразделяется на карбонатную и некарбонатную, или Ж0 = Жврем + Жпост
Карбонатная или временная жесткость обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2. Временная жесткость может быть атмосферного или подземного происхождения и обусловлена растворением карбонатных пород водами, содержащими избыток углекислоты.
Количественно временную жесткость характеризуют содержанием гидрокарбонатов, удаляющихся из воды при ее кипячении в течении часа.
t
Ca(HCO3)2→ CaCO3 + CO2↑ +H2O
Жесткость, остающаяся после кипячения, называется постоянной.
Постоянная или некарбонатная жесткость обусловлена содержанием солей кальция и магния серной, соляной, кремниевой и азотной кислоты. Постоянная жесткость - результат растворения солей CaCl2, CaSO4, MgCl2, MgSO4 из земной коры, и эти соли вносят основной вклад в постоянную жесткость.
|
|
|
Жесткость воды выражается суммой миллимоль эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 литре воды. Один мг эквивалентов жесткости соответствует 20 мг/л ионов Ca2+ или 12 мг/л ионов Mg2+.
Жесткость воды в Черном море составляет 65 ммоль/л, воды Мирового океана – 130 ммоль/л, в Волге – 5,9 ммоль/л, в Неве – 0,5 ммоль/л.
По величине солей жесткости воду условно делят на:
- мягкую – жесткость до 4 ммоль/л
- средней жесткости – 4-8 ммоль/л
- жесткую – 8-12 ммоль/л
- очень жесткую – выше 12 ммоль/л.
Жесткость воды может быть рассчитана по формуле:
1000 • mв-ва
Ж = Мэкв • V
Жесткость природных вод не является вредной для человека, норма общей жесткости в питьевой воде – 7 ммоль/л. Для технических целей жесткая вода непригодна. В питательной воде паровых котлов жесткость д.б. до 303,5 ммоль/л, т.к соли кальция и магния образуют накипь CaCO3 на стенках котлов и кипятильных труб, теплообменниках, что приводит к снижению их экономичности. Незначительне содержание в воде железа приводит к образованию Fe(OH)3 и ржавчины.
Жесткость воды лимитируется при использовании ее на предприятиях бумажной и текстильной промышленности, при производстве искусственного волокна, в фармацевтической промышленности, производстве мыла (0,35 ммоль/л) и т.д.. Вода для нужд с/х может содержать до 14 ммоль/л жесткости.
Для использования воду подвергают водоподготовке, при этом вода освобождается от грубодисперсных, взвешенных и коллоидных частиц. Взвешенные и коллоидные частицы удаляют коагуляцией Al2(SO4)3 с последующей фильтрацией. С помощью деаэрации удаляют растворенный кислород. Далее проводят умягчение – удаление солей жесткости.
Реагентные методы умягчения воды.
Реагентные методы основаны на введении реагентов, осаждающих соли кальция и магния.
1). Термический метод применяется, когда не требуется глубокого умягчения воды, позволяет устранить карбонатную жесткость, т.к. при кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием углекислоты СО2 и выпадают в осадок карбонат кальция и гидроксид магния:
t
Ca(HCO3)2→ CaCO3 ↓+ CO2↑ +H2O
t
Mg(HCO3)2→ Mg(OH)2 + 2CO2↑
В зависимости от используемых реагентов методы водоумягчения классифицируют на известковый, известково-содовый, содово-натриевый, фосфатный, оксалатный и бариевый.
2). Вводимый реагент Ca(OH)2 соответствует известковому методу умягчения воды, используется для устранения карбонатной (временной) жесткости. Метод обычно сочетают с содовым или катионитовым методом.
Сначала нейтрализуется свободная углекислота:
|
|
|
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓+ H2O
Затем происходит распад гидрокарбонатов:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓+ 2H2O
Далее осаждаются соли магния:
Mg(HCO3)2 +Ca(OH)2 → Mg(OH)2 ↓ + CaCO3 ↓
Метод самый дешевый из всех реагентных методов.
3). При введении реагента NaOH происходят следующие процессы:
NaOH + CO2 → Na2CO3+ H2O
Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3↓+ Na2CO3 +2H2O
MgCl2 + 2NaOH → Mg(OH)2 + 2 NaCl
Метод позволяет устранить и временную и постоянную жесткость, остаточная жесткость – до 1 ммоль/л, стоимость гидроксида натрия больше стоимости извести.
4). Содовый метод основан на введении Na2CO3, обычно используется совместно с известковым методом.
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaCl
Глубина умягчения – 1-2 ммоль/л, при нагревании – 0,2 ммоль/л, при использовании содово-известкового метода удаляется и временная и постоянная жесткость.
5). Фосфатный метод умягчения при использовании Na3PO4 является наиболее эффективным реагентным методом, проводится при подогреве воды, достигается умягчение 0,02 ммоль/л. Обычно метод используется для остаточного доумягчения, т.к. реагент дорогостоящий.
3Ca(HCO3)2 + 2 Na3PO4→ Сa3(PO4)2 ↓+ 6 NaHCO3
3CaSO4 + 2 Na3PO4→ Сa3(PO4)2 ↓+ 6 Na2SO4
Реагентные методы имеют ряд недостатков:
- не дают достаточной степени умягчения
- требуют значительного расхода реагентов
- сложны по технологическому осуществлению
Реагентные методы являются рентабельными только для небольших количеств воды. В промышленных масштабах жесткость воды устраняют методом ионного обмена, который основан на способности природных или искусственных ВМС – ионитов- обменивать входящие в их состав подвижные ионы на ионы жесткости. Иониты это твердые, нерастворимые в воде вещества, разделяются на катиониты и аниониты.
Катиониты – Na – R, H-R, обменивают ионы натрия и водорода на катионы кальция и магния из воды:
Ca(HCO3)2 + 2 Na – R → CaR2 + 2NaHCO3
Катионит
CaSO4 + 2Na -R → CaR2 + Na2SO4
R – неподвижная матрица.
Аниониты – R-OH обменивают свои анионы на анионы солей из воды. При последовательном пропускании воды через катионит и анионит происходит химическое обессоливание воды.
CaSO4 + 2Н -R → CaR2 + Н2SO4 среда кислая
Катионит
Н2SO4 + 2R-ОН → R2SO4 + H2O среда нейтральная
Анионит
Катионитовые фильтры регенерируют 5-10% р-ром NaCl:
CaR2 + 2NaCl → 2 NaR + CaCl2
Для регенерации анионита его обрабатывают раствором щелочи или соды.
Вывод: Исключительно важное значение воды в природе и производстве обусловлены особенностями строения молекулы воды. Для использования воды в промышленности, с/х, питьевых источников ее необходимо подвергать водоочистке и водоподготовке.
|
|
|
