Краткие теоретические сведения

Среди основных факторов, определяющих качество воды, выделяют ее жесткость и кислотность.

Жесткость воды обусловлена наличием в ней преимущественно катионов Са²⁺ (кальциевая жесткость воды) и Мg²⁺ (магниевая жесткость воды). Сумма концентраций Са²⁺ и Мg²⁺ называется общей жесткостью воды. Она складывается из карбонатной (временной, устранимой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости воды. Карбонатная вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Са и Mg. Некарбонатная – наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов.

В России жесткость воды определяют в [моль·экв/л]: карбонатная жесткость отвечает той части катионов Са²⁺ и Мg²⁺, которая эквивалентна содержащимся в воде анионам HCO₃^-, некарбонатная – анионам SO₄^2-, NO₃^- и др. (1 моль·экв/л соответствует 20,04 мг/л катионов Са²⁺ или 12,16 мг/л катионов Мg²⁺). В других странах для выражения жесткости воды часто используют так называемые градусы жесткости. Например, 1 градус жесткости (немецкий), соответствующий содержанию 0,001 г СаО в 1 литре воды, равен 0,357 моль· экв/л.

Общую жесткость воды можно вычислить по формуле:

.

Различают воду мягкую (общая жесткость до 2 моль·экв/литр), средней жесткости (от 2 до 10 моль·экв/л) и жесткую (более

10 моль·экв/литр).

Повышенная жесткость воды способствует усилению образования накипи в паровых котлах, отопительных приборах и бытовой металлической посуде, что значительно снижает интенсивность теплообмена, приводит к большому перерасходу топлива и перегреву металлических поверхностей.

Для устранения или уменьшения жесткости воды применяют специальные методы.

а) Термический метод (нагревание) умягчения воды основан на смещении равновесия в сторону образования карбонатов:

.

Однако полностью карбонатную кальциевую жесткость устранить не удается, так как карбонаты кальция, хотя и незначительно (13 мг/л при 18 ^оС), но все же растворимы в воде.

Вначале образуется сравнительно хорошо растворимый (110 мг/л при температуре 18 ^оС) карбонат магния, который при продолжительном кипячении гидролизируется с образованием осадка малорастворимого (8,4 мг/л) гидроксида Mg:

.

б) Реагентны е методы умягчения воды основаны на обработке ее реагентами, анионы которых образуют с катионами Са²⁺ и Mg²⁺ малорастворимые соединения. Сущность известково-содового метода умягчения воды сводится к следующим основным процессам:

Умягчение воды известково-содовым методом применяют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости воды.

Этим методом остаточная жесткость может быть доведена до 0,5–1,0 моль^.экв/л.

При умягчении воды содо-натриевым методом ее обрабатывают содой и гидроксидом натрия:

Поскольку сода образуется при взаимодействии NaOH c Ca(HCO₃)₂, требуемая доза ее значительно уменьшается. Содо-натриевый метод обычно применяется для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного дольше некарбонатной.

в) Фосфатный метод умягчения воды как самостоятельный не применяют в связи с высокой стоимостью реагентов. Фосфаты используют для доумягчения воды после ее обработки другими реагентами, например, известью и содой.

Процесс фосфатного доумягчения воды проводят обычно при температуре свыше 100 ^оС (термохимический метод). Остаточная жесткость при этом составляет 0,04–0,05 моль·экв/л.

г) Ионообменные методы используют для умягчения воды с преобладанием некарбонатной жесткости воды (Na⁺-катионирование) или карбонатной (Н⁺-катионирование).