Теоретическая часть. 1 Присутствие каких солей в природной воде обусловливает ее жёсткость?

Лабораторная работа № 2

Контрольные вопросы

1 Присутствие каких солей в природной воде обусловливает ее жёсткость?

2 Какие виды жёсткости вы знаете?

3 Какая вода считается жёсткой, мягкой, средней?

4 Какую воду полезно пить?

5 Как влияет жёсткость воды на здоровье человека? Какова оптимальная для здоровья человека жёсткость воды? Какая жёсткость питьевой воды допускается?

6 Что такое минеральная вода? Назовите минеральные источники Башкортостана.

7 В каких единицах выражается жёсткость воды?

8 Какова жёсткость природных вод?

9 Источники жёсткости природных вод.

10 Написать формулу ЭДТА, объяснить её способность образовывать прочные комплексы.

11 Написать формулу эриохрома чёрного Т и объяснить способность этого соединения образовывать комплексы с металлами.

12 Объяснить изменение цвета раствора при титровании пробы воды раствором трилона Б.

Устранение жёсткости воды при помощи ионитов

Присутствие в воде значительного количества солей кальция и магния делает её непригодной для использования в ряде отраслей промышленности, в теплотехнике и в быту. Так, при продолжительном питании паровых котлов жёсткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи. Такая корка уже при толщине в 1 мм сильно ухудшает передачу тепла от стенок котла воде и ведет к увеличению расхода топлива. Кроме того, она может служить причиной образования вздутий и трещин как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла.

В жёсткой воде резко ухудшается моющая способность мыла и возрастает его расход, потому что вода с повышенным содержанием кальция и магния не образует пены с мылом, так как содержащиеся в мыле растворимые натриевые соли пальмитиновой и стеариновой кислот превращаются в нерастворимые кальциевые соли тех же кислот:

2C₁₇H₃₅COONa+CaSO₄ = (C₁₇H₃₅COO)₂Ca↓+Na₂SO₄ (1)

стеарат натрия стеарат кальция

Жёсткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических процессов, например, при крашении тканей.

Приведённые примеры указывают на необходимость удаления из воды, применяемой для технических целей, солей кальция и магния. Удаление этих солей, называется водоумягчением, входит в систему водоподготовки – обработки природной воды, используемой для питания паровых котлов и для различных технологических процессов.

Для водоумягчения применяют методы осаждения и ионного обмена. В первом случае катионы Са²⁺ и Мg²⁺ переводят в малорастворимые соединения, выпадающие в осадок. Это достигается либо кипячением воды, либо химическим путём – введением в воду соответствующих реагентов. Кипячением воды устраняется только карбонатная жёсткость. Химический метод осаждения применяют для устранения общей жёсткости. Чаще всего в качестве осадителя используют гашёную известь или соду. При этом в осадок (в виде СаСО₃ и Мg(ОН)₂) переводятся все соли кальция и магния.

Для устранения жёсткости методом ионного обмена воду пропускают через иониты – неорганические и органические материалы, способные к обмену ионов. Их делят на катиониты (для обмена катионов) и аниониты (для обмена анионов).

Органические и неорганические иониты представляют собой трёхмерный каркас, в который включены несущие заряд группы атомов, называемые потенциалопределяющими ионами. Ионы противоположного знака называют противоионами. Они связаны с потенциалопределяющими ионами каркаса электростатическими силами, а потому способны к обмену на другие ионы. Так, структуру стекла составляет трёхмерная сетка кремнекислородных (силикатных) ионов. В пустотах этой трёхмерной кремнекислородной решётки находятся катионы щелочных и щелочноземельных металлов, удерживаемые электростатическими силами и способные к обмену на другие катионы (в частности на ионы водорода). В органических ионитах трёхмерный каркас образован сеткой из углеродных атомов, с которыми ковалентно связаны, например, сульфо-, карбокси- или триметиламиновые группы.

В процессах водоочистки используют природные неорганические и органические иониты. К природным минеральным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, фторапатит [Ca₁₀(PO₄)₆](OH)₂, к органическим – гуминовые кислоты почв и углей.

В процессах водоочистки применяются разнообразные синтетические ионообменные материалы, которые выпускаются химической промышленностью в виде зернистых порошков, волокон и мембран: неорганические (силикагели и труднорастворимые оксиды и гидроксиды алюминия, хрома, циркония) и органические (главным образом ионообменные смолы). Наибольшее практическое применение в водоочистных сооружениях нашли синтетические ионообменные смолы – высокомолекулярные соединения, радикалы которых образуют пространственную сетку (каркас) с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами.

Иониты нерастворимы в воде, но они набухают, причем размеры их микропор возрастают от 0,5–1,0 до 4 нм, а объем ионита увеличивается в 1,5-3 раза. Набухание влияет на селективность ионита, так как при малом размере его пор крупные ионы не могут достичь внутренних функциональных групп.

Воду пропускают последовательно через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы (Н-катионит) или ионы натрия (Nа-катионит), и анионит, содержащий гидроксид-ионы (ОН-анионит). При этом все катионы, находящиеся в воде, обмениваются на катионы Nа⁺ или Н⁺, а все анионы обмениваются на гидроксильные ионы ОН^-. В итоге вода освобождается как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды называется ее обессоливанием.

Катионит схематично записывается как R^x-, анионит - R^x+. В общем виде реакции ионного обмена протекают по схеме: при контакте с катионитом

2R^х-хH⁺ + xCaSO₄ ↔ (R^х-)₂xCa²⁺ + хH₂SO₄, (2)

при контакте с анионитом

2R^х+хOH^- + xCaSO₄ ↔ (R^х+)₂хSO₄^- + хCa(OH)₂ (3)

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 (Na₂SO₄) или HCl (H₂SO₄). При этом ионы Са²⁺, Мg²⁺ и другие катионы выходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na⁺ или Н⁺. Для регенерации анионита его обрабатывают раствором щёлочи или соды (последний, вследствие гидролиза карбонатного иона, также имеет щелочную реакцию). В результате поглощенные анионы вытесняются в раствор, а анионит вновь насыщается ионами ОН^-.

Для умягчения воды применяют также методы, основанные на физических явлениях. К ним относятся метод электродиализа, магнитно-ионизационный метод, магнитная обработка, ультразвуковая обработка.

Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обусловливающие жёсткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.

Магнитно-ионизационный метод так же, как и метод электродиализа, использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля. Для увеличения в воде количества ионов её 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 так же, как и магнитная, приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка.

Цель данной работы – овладение знаниями, умениями и навыками по устранению жёсткости воды методом ионного обмена и оценка эффективности использования этого метода.

Дата добавления: 2014-12-08