Жесткость воды и ее практическая значимость

 

Выполнение

 

Название опыта: Определение общей  жесткости воды.

Ход работы: в бюретку (на 50 мл) наливаем 0, 05 н трилона Б до нулевого деления и записываем точное значение по нижнему краю мениска. Пипеткой (на 100 мл) отбираем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной воды, добавляем в них 5 мл буферного раствора и сухой соли эриохрома черного, и перемешиваем. Ставим обе колбы на лист белой бумаги, затем одну из колб будем использовать в качестве контрольного образца для сравнения цвета растворов. Во вторую, по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0, 05 раствора трилона Б до перехода окраски от одной капли из винно – красной в фиолетовую. Ждем 1 – 2 минуты, перемешивая раствор. Если окраска не стала сине – голубой с зеленоватым оттенком, доведем ее до этого цвета, добавив еще несколько капель раствора трилона Б из бюретки. Сравним цвет рабочего раствора с окраской контрольного раствора в первой колбе. В момент изменения окраски запишем положение уровня раствора трилона Б в бюретки по нижнему мениску и вычислим израсходованный на титрование объем трилона Б.  Процесс титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Результаты титрования не должны отличаться друг от друга. Если все же отличаются, опыт придется повторить.

    Наблюдения: при добавлении эриохрома черного в раствор, цвет раствора становится розоватым. А при добавлении туда избытка раствора трилона Б цвет меняется на сине – голубой.

   Проведение расчетов: Рассчитаем среднее из полученных результатов значение объема трилона Б, пошедшего на титрование, и по нему вычислим общую жесткость воды.

 

Номер титрования	Объем трилона Б, мл.	Средний объем трилона Б, мл.
1	4, 68	4,68
2	4, 74
3	4, 61

 

 

                       V_{трилонаБ1} + V_{трилонаБ2} + V_{трилонаБ3}          4, 68 + 4, 74 + 4, 62

V_{ср трилонаБ} = ——————————————— = ————————— = 4, 68мл

                                              3                                                        3

 

                N_т * V_{ср трилонаБ}                       0, 05 * 4, 68

Ж_общ = ———————— * 1000 = —————— * 1000 = 2, 34 ммоль экв/л

                       VH2O                                           100

Вывод:

   По данным значениям можно сделать вывод, что вода обладает средней жесткостью в соответствии с ГОСТ Р 52029-2003, так как значение жесткости больше 2 °Ж.

 

 

2.2. Определение  карбонатной и некарбонатной  жесткости воды 

Определяют карбонатную  жесткость воды с помощью измерения  концентрации гидрокарбонат-иона HCO3^- и эквивалентной этим ионам концентрации ионов жесткости Ca²⁺ и Mg²⁺. При анализе пользуются методом кислотно-основного титрования, который основан на реакции нейтрализации.

Анион HCO₃^- в воде гидролизуется:

HCO₃^-+H₂O⇄H₂CO₃+OH^-

и вода имеет щелочную реакцию. При титровании протекает реакция  нейтрализации:

OH^-+H⁺=H₂O

В качестве индикаторов используют вещества, меняющие окраску в зависимости от рН среды. По химической природе индикатор представляет собой слабые органические основания или кислоты, молекулярная и ионная формы которых имеют различную окраску. Основой методики является титрование гидрокарбонат– и карбонат– ионов стандартным титрованным раствором соляной кислотой в присутствии индикатора метилоранжа. При этом растворенные в воде гидрокарбонаты количественно реагируют с соляной кислотой по уравнению:

Ме(НСО₃)₂+ 2НСl= МеСl₂+ 2СО₂+ 2Н₂О

 

Выполнение

 

Название опыта: определение временной  жесткости воды.

Ход работы: пипеткой на 100 мл отбираем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной  воды. В каждую колбу добавим по 3 капли индикатора – метилоранжевого (щелочной раствор имеет желтую окраску, а кислый – красную). В бюретку на 50 мл наливаем до нулевого значения 0,1н раствор соляной кислоты и записываем точное значение начального положения уровня кислоты (по нижнему уровню мениска). Ставим обе колбы на лист белой бумаги. Одну из них оставим в сторону, она будет служит контрольным образцом для сравнения цвета растворов. Во вторую по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0,1н раствора соляной кислоты до перехода окраски раствора от желтой до оранжево – красной и сравним с цветом раствора, находящимся в первой колбе.

В момент изменения окраски запишем значение положения уровня раствора кислоты (по нижнему краю мениска) в бюретке  и вычислим израсходованный на титрование объем соляной кислоты. Процесс  титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Результаты титрования не должны отличаться. Если полученные результаты отличаются, то эксперимент  придется повторить.

Наблюдения: при добавлении метилового оранжевого индикатора в воду она  становится желтой, а при добавлении потом туда соляной кислоты цвет меняется на красный.

Уравнения реакций:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂ ↑ + H₂O

Ca(HCO₃)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O + 2CO₂ ↑

Проведение расчетов: рассчитаем среднее  значение объема кислоты, пошедшей на титрование, и по нему вычислим временную  жесткость воды.

 

Номер титрования	Объем HCl, мл.	Средний объем HCl мл.
1	2, 12	2,123
2	2, 19 мл
3	2, 06 мл

 

             

      VHCl1 +VHCl3 +VHCl2          2, 12 + 2, 19 +2, 06      6, 37

V_срHCl = —————————— = ————————— = ——— = 2, 123 мл

                                3                                        3                      3

      

 

           N_HCl * VсрHCl                    0, 1 * 2, 123      

Ж_вр = —————— * 1000= ——————— * 1000 = 2, 123 ммоль экв/л

                    V_H2O                                  100          

 

Выводы:

    По полученным данным, можно утверждать, что вода имеет среднюю жесткость, так как значение жесткости больше 2 °Ж  в соответствии с ГОСТ Р 52029-2003, вода с показателями от 2 до 10 °Ж обладает средней жесткостью.

 

Если известны общая и  временная жесткость воды, то по разнице между ними можно вычислить  и постоянную  жесткость по следующей  формуле:

Ж_пост= Ж_общ- Ж_вр

Таким образом  подставляем значения и получаем :

2, 34 -2, 123 =0,217 ммоль экв/л

 

 

2.3. Умягчение воды  методом катионирования

 

Широкое распространение  в промышленности получил метод  устранения жесткости воды путем  катионного обмена (катионитовый метод). Этот метод основан на способности  некоторых алюмосиликатов типа Na₂Al₂Si₂O8* _n H₂O

 обменивать входящие в их состав ионы натрия на содержащиеся в воде ионы кальция и магния, и таким образом уводить последние из раствора. Такие алюмосиликаты получили название катионитов.

Жесткая вода, пропущенная  через слой измельченного катионита, полностью освобождается от ионов  кальция и магния, происходящие при  этом реакции могут быть схематически представлены уравнениями:

Na₂R+Ca(HCO₃)₂ = CaR+2NaHCO₃

Na₂R+CaSO₄=CaR+Na₂SO₄

Где буквой R обозначен сложный алюмосиликатный анион(Al₂Si₂O₈*nH₂O). Когда весь натрий в катионите заместится кальцием или магнием катион утрачивает способность смягчать воду; но он может быть легко регенерирован, если подействовать на него концентрированным раствором хлористого натрия. Происходит обратная реакция, и кальций снова замещается натрием. Таким образом, при этом способе очистки воды расходуется только один продукт - хлористый натрий.

Для поглощения из воды  ионов  растворенных в ней веществ применяют также различные искусственные смолы, представляющие собой, высокомолекулярные органические вещества, содержащие кислотные или основные функциональные группы. В качестве катионитов применяются смолы, содержащие карбоксильные группы –COOH, сульфогруппы –SO₃H и др., способные обменивать ионы водорода на ионы металлов. Такие катиониты называются Н-катионитами. Обозначив остаток молекулы, соединенный с функциональной группой, через R, можно выразить реакцию Н-катионита с ионами металлов, например с ионами натрия и кальция, уравнениями:

RCOOH+Na^∙⇄RCOONa+H^∙

2RCOOH+Ca^∙∙⇄(RCOO)Ca+2H^∙

 В результате этих реакций раствор, содержавший соли ( например, хлористый натрий, сернокислый кальций и др.) превращаются в раствор соответствующих кислот ( соляной, серной) [7].

Жесткую воду пропускают через  катионообменную смолу в Na ⁺-форме, при этом ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ эквивалентно замещают ионы Na⁺ в смоле. Через колонку заполненную катионитом пропускают 300-400 мл. жесткой воды. Скорость фильтрования регулируют зажимом, она не должна превышать 15 капель в минуту. Умягченную воду собирают  в стакан, ополоснутый первыми порциями фильтрата. Отбирают 100 мл умягченной воды и определяют общую жесткость умягченной воды [7].

Выбор метода катионирования зависит от требований, предъявляемых к умягченной воде, свойств исходной воды и технико-экономических соображений.  Простой является схема одноступенчатой Na-катионитовой установки. Вода, пройдя Na-катионитовые фильтры, попадает в сборный бак, а далее насосом подается потребителю. При работе по этой схеме отсутствуют вода и растворы с кислой реакцией, отпадает необходимость в применении кислотостойкой арматуры труб и защитных покрытий фильтров [7].

 

Рис. Схема одноступенчатого натрий-катионирования воды.

1,7 — подача  исходной и отвод умягченной  воды; 2 — натрий- катионитовый фильтр; 3 — бак с раствором поваренной соли; 4 — бак с частично умягченной водой для взрыхления катионита; 5 — резервуар умягченной воды; 6 — насос

 

Регенерация Na-катионита достигается  фильтрованием через него со скоростью 3-4 м/ч хлористого натрия концентрацией 5-8%. При жесткости умягченной воды до 0,2 мг-экв/л принимают концентрацию соли 5%, при жесткости менее 0,05 мг-экв/л предусматривают ступенчатую регенерацию: сначала 5%-ным раствором NaCl в количестве 1,2 м3 раствора на 1 м3 катионита, затем остальным количеством соли в виде 8%-ного раствора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В данной курсовой работе была рассмотрена проблема жесткости воды, методы определения  и устранения жесткости. Эффективными и наиболее распространенными методами устранения жесткости воды можно  назвать такие как термоумягчение, реагентное умягчение, катионирование, обратный осмос и электродиализ. Каждый из методов имеет свои недостатки. Недостаток термического способа в том, что с его помощью можно устранить только временную жесткость. Такой способ применяется на ТЭЦ и в быту. Реагентное умягчение используют большие станции водоподготовки, поскольку недостатками данного метода являются проблемы, связанные с утилизацией твердых осадков, необходимость специально оборудованных хранилищ для реагентов, точная дозировка химикатов и их правильная подача в исходную воду. Метод катионирования широко применяются на ТЭС с целью обессоливания, умягчения, обескремнивания воды, подпиточной воды для тпеловых сетей и загрязненных конденсатов. Были рассмотрены такие методы умягчения как обратный осмос и электродиализ. Метод обратного осмоса является наиболее эффективным так как степень очистки может достигать около 99,9%. Данный метод широко применяется в быту для подготовки питьевой воды. Недостатки обратного осмоса и электродиализа в том что это два дорогостоящих метода, перед их применением необходима предварительная очистка воды, удаление из нее всех солей, а также и необходимых для человека микроэлементов.

Рассмотрены методы определения жесткости воды.  Важно отметить, что комплексонометрический метод является  наиболее точным и быстрым. Данный метод обладает рядом преимуществ: возможность титрования трехвалентного железа, предварительно не восстанавливая его, что делает анализ проще. Т.к. метод точен и не требует много времени, его применяют практически во всех случаях, широкое применение метода связано с постоянством состава образующихся в результате реакции комплексных соединений.