Общую жесткость определяют как сумму постоянной и временной (карбонатной) жесткости

Современным методом определения общей жесткости воды является титрование воды раствором трилона Б в присутствии спе­циальных индикаторов- хромогенов, чаще всего эрихрома черного. Титрование проводится в аммиачной среде при значении рН раствора в пределах 9-10.

Хромогены образуют с ионами магния и другими ионами относительно непрочные комплексные соединения, окрашенные в красно-фиолетовый цвет. При титровании трилоном Б, содержащиеся в воде ионы Са²⁺ и Mg²⁺, а также ионы Cu²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Al³⁺, Fе²⁺, Fe³⁺ реагируют с ним и образуют мало диссоциированные бесцветные прочные комплексные соединения. В конце титрования ионы магния, кальция и другие переходят от комплексного соеди­нения с хромогеном к трилону Б, с образованием прочных, бесцветных комплексов. Трилон-Б или комплексон III - динатриевая соль этилендиамминтетрауксусной кислоты (NaO₂CCH₂)₂N(CH₂)₂N(CH₂CO₂H)₂ или сокращенно-(Na₂H₂ЭДТА).

Na₂H₂ЭДТА + Са²⁺ (или Mg²⁺) Na₂CaЭДТА + 2H⁺.

Поэтому, в точке эквивалентности, красно-фиолетовая окраска раствора исчезает. Однако раствор не обесцвечивается, а окрашивается в сине-фиолетовый цвет - цвет самого хромогена - эрихрома при рН = 9-10 (аммиачный буфер), что ука­зывает на окончание титрования.

Так как трилон-Б образует прочные комплексы со всеми катионами кальция и магния, вне зависимости от характера аниона, поэтому комплексометрическим методом определяют именно общую жесткость воды.

Проба воды должна характеризовать действительный ее состав, поэтому при отборе пробы из водопровода воду спус­кают в течение 10-15 мин. Когда склянка наполнится, воду некоторое время переливают через край.

Из рек и ручьев отбирают пробы воды на глубине 0,75 м в нескольких местах, около берегов и в середине реки. Отдельные пробы смешивают вместе. Анализ воды прово­дят сразу же после взятия пробы или, в крайнем случае, при соответствующем хранении спустя несколько часов.

Карбонатную жесткость воды определяют кислотно-основным титрованием анализируемой воды. Для этого оттитровывают воду в колбе 0,1н раствором НСl. С помощью рН-метра фиксируют значения рН воды после каждого раза прибавления по 0,5мл кислоты из бюретки, строят интегральную и дифференциальные кривые титрования. Из кривых титрования определяют точку эквивалентности. Пользуясь данными табл.1 выбирают соответствующий индикатор для экспресс анализа.

Карбонатную жесткость воды (Х₁ ммоль/л) определяют по формуле:

Х₁= (1)

где V(HCl) – объем раствора НСl концентрацией С(HCl), израсходованного до точки эквивалентности;

V(Н₂О) – объем исследуемой воды.

Общую жесткость воды определяют комплексометрическим титрованием. В коническую колбу отмеряют пипеткой соответствующее количество исследуемой воды (100-150 мл), добавляют 5 мл аммиачного буфера, несколько кристаллов эрихрома, до образования заметной вишнево-красной окраски. При слабой окраске универсальной индикаторной бумагой проверяют рН раствора. Он должен соответствовать значениям 8-11. При необходимости корректируют рН добавлением в раствор буферной смеси.

Раствор оттитровывают стандартным раствором трилона-Б, до точки резкого перехода вишнево - красной окраски в синюю. Окраска раствора от избытка трилона-Б остается неизменной, поэтому в конце титрования рабочий раствор трилона прибавляют по каплям, энергично перемешивая. Титрование повторить два раза и взять среднее значение объема израсходованного раствора трилона. Общую жесткость воды - Ж_об (ммоль/л), определить по формуле:

Ж_об = ;

где V₁ – объем рабочего раствора трилона - Б на титрование пробы воды,

объемом V₂,

N – молярная концентрация эквивалента рабочего раствора трилона Б,

моль/л.

По разности значений общей и карбонатной жёсткости определяют постоянную жесткость.

Жесткая вода обладает рядом качеств, которые делают ее непригодной в производственных процессах. В жесткой воде мыла и стиральные порошки плохо пенятся, что приводит к перерасходу их в процессах стирки и мойки оборудования и деталей. В паровых котлах и компрессорах во время их эксплуатации образуется накипь- отложение мраморного слоя на стенках металла, что часто приводит к аварии или взрывам.

Умягчение воды проводится с целью предотвращения образования в паровых котлах и теплообменных аппаратах накипи и для экономии стиральных средств в процессах стирки и мойки.

Жесткость воды чаще всего устраняется при помощи ионитов и известково-содовым методом. Другие методы находят более ограниченное применение в виду их нерентабельности (высокая стоимость и трудоемкость).

Умягчение воды может быть достигнуто:

1) осаждением иона кальция (обычно совместно с ионом магния) и после­дующим удалением осадка;

2) удалением иона кальция (и магния) методом ионного обмена.

Метод ионного обмена основан на способности ионитов поглощать из растворов одни ионы и отдавать взамен дру­гие. Иониты, способные обменивать находящиеся в раст­воре катионы, называются катионитами. К катионитам относятся: алюмосиликаты, сульфированные угли, синте­тические смолы. Характерной особенностью катионитов является наличие в них большого числа кислотных групп: силикатных, карбоксильных и сульфогрупп. Эти кислот­ные группы содержат ионы водорода, которые подвижны и могут быть заменены на различные катионы (R-SO₂OH + Me⁺ R-SO₂OMe + H⁺).

Иониты, обменивающие анионы с находившимися в растворе ионами солей и кислот, называются анионитами. Аниониты представляют собой аминосмолы, содержащие амино (-NH₂) и имино (-NH) группы. Способность этих групп образовывать соли с различными анионами и исполь­зуется для анионного обмена:

R-NH₂ + HOH [R-NH₃]⁺OH^-

[R-NH₃]⁺OH^- + А^- [R-NH₃]⁺ A^- + OH^-

Для умягчения воды применяются обычно катиониты в водородной (Н-катиониты) и натриевой (Na-катиониты) форме. Если обозначить весь катионит, кроме подвижного иона (например, натрия), буквой R, то реакции ионного обмена в жесткой воде (содержащей ионы кальция и маг­ния) могут быть выражены следующими уравнениями:

Na₂R + (Са,Mg) (НСО₃)₂ (Са, Mg)R + 2NаНСО₃

Na₂R + (Са,Mg) SO₄ (Са, Mg)R + Na₂SO₄

Na₂R + (Са, Mg)Cl₂ (Са, Mg)R + 2NaCl

Количество катионов кальция и магния, которое может быть поглощено определенным количеством катионита, называется емкостью поглощения Е и выражается в моль эквивалентах на 1 м³ ионита. Например, емкость погло­щения сульфоугля равна 1000 моль экв/м³; эспатита -1700 моль экв/м³; алюмосиликатов - 850 моль экв/м³.

После длительной работы иониты насыщаются и теряют свои эксплуатационные качества. С целью возобновления работы ионита их подвергают процессу регенерации.

Для регенерации катионитов нат­рия на кальций, ионит регенерируют, т. е. пропускают через него насыщенный раствор хлорида натрия. При этом ионы кальция вытесняются ионами натрия.

Другой распространенный способ умягчения воды - известково-содовый. Для очистки воды по известково-содовому методу используют смесь соды и гашеной изве­сти. При действии извести соли, дающие карбонатную жест­кость, и растворенный в воде оксид углерода (IV) пере­водятся в осадок:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ 2СаСО₃ + 2Н₂0

Mg(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ MgCO₃ + СаСО₃ + 2Н₂0

СО₂ + Са(ОН)₂ СаСО₃ + Н₂О

Одновременно магниевая жесткость заменяется на каль­циевую, так как образовавшийся в качестве продукта ионного обмена гидроксид магния в воде растворим хуже, чем гидроксид кальция:

MgCl₂ + Са(ОН)₂ Mg(OH)₂ + CaСl₂

Содой удаляют соли, обусловливающие наличие некар­бонатной жесткости:

CaSO₄ + Nа₂СО₃ СаСО₃ + Na₂SO₄

CaCI₂ + Na₂CO₃ СаСО₃ + 2NaCl

Карбонаты выпадают в виде взвеси. После фильтрования вода содержит соли, не дающие накипи, поэтому вполне пригодна для многих промышленных целей.

В последние годы все большее значение приобретает метод удаления солей с помощью постоянного электриче­ского тока, называемый электродиализом. Этот метод ока­зался более экономичным по сравнению с ионообменным.

Принцип метода заключается в следующем (рисунок 1).

1,2 - катодное и анодное пространства; 3 - межэлектродное пространство (обессоливаемая вода); 4, 5 - катодная и анодная мембраны; 6,7- катод и анод.

Рисунок 1 – Схема обессоливания воды электродиализом

Если через воду, находящуюся в ванне, разделенной полу­проницаемыми диафрагмами на три отделения, пропускать постоянный электрический ток, то при соответствующем напряжении будет происходить электролиз растворенных солей. Катионы из анодного пространства и из средней камеры под действием электрического поля перемещаются в катодное пространство, где накапливается раствор гидроксидов натрия, калия, магния и др.

Анионы, в свою очередь, из катодного пространства и из средней камеры перемещаются в анодное пространство, где накапливаются кислоты – соляная и серная. На катоде происходит разрядка ионов водорода и выделение водоро­да.

На аноде выделяется кислород и частично хлор за счет разрядки молекул воды, а частично гидроксид-ионов, а также хлорид-ионов. По мере прохождения электролиза в средней камере количество катионов и анионов кислот уменьшается и получается обессоленная вода. Загрязненную солями воду из катодного и анодного пространства выливают, поскольку она является отходом, а из среднего пространства частично очищ6енная вода поступает в другой электродиализатор. Описанный метод применяется как для опреснения воды, например морской, используемой для бытовых нужд, так и для получения воды особой чистоты, используемой для получения ультрачистых веществ.

Дата добавления: 2015-06-29