Исследование воды в селе Уральский

         Сначала приготовим жёсткую воду. Способов есть множество. Можно,  например, развести в стакане водопроводной воды две столовые ложки продающегося в аптеках 10 -проиентного раствора хлорида кальция. Или в таком же количестве воды растворить чайную ложку морской соли — сложной смеси различных солей, в которой присутствуют соединения магния. А можно использовать и «готовую» жёсткую воду — кальциевую или магниевую минеральную. Растворим в жёсткой воде кусочек хозяйственного мыла размером с 2—3 спичечных головки и для сравнения такой же кусочек — в стакане обычной водопроводной воды. В обоих случаях получится мутный раствор. Теперь через трубочку или соломинку продуем в мыльные растворы воздух. В обычной воде появится пена, а в жёсткой — нет.

         Причина в том, что ионы двухвалентных металлов реагируют со стеаратом натрия, из которого состоит мыло. При этом образуются нерастворимые стеараты, и мыльная пена разрушается: 2С₁₇Н₃₅СООNа + МС1₂ = = (С₁₇Н₃₅СОО)₂М + 2NаСl  [3] 

Влияние жесткости на качество воды

         С точки зрения применения  воды для питьевых нужд, ее  приемлемость по степени жесткости  может существенно варьироваться  в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

         Всемирная Организация Здравоохранения  (ВОЗ) не предлагает какой-либо  рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

         Вместе с тем, в зависимости  от рН и щелочности, вода с  жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л). [www.mosvodokanal.ru] 

         Кроме того, при взаимодействии  солей жесткости с моющими  веществами (мыло, стиральные порошки,  шампуни) происходит образование  "мыльных шлаков" в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жестких" волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие средства для восстановление той защиты кожи, которой нас и так снабдила  природа.

         Вместе с тем, необходимо упомянуть  и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее  2 мг-экв/л имеет низкую буферную  емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.  [www.chemport.ru ]                        

Таблица 2  [3]

Виды  жесткости

Различают следующие виды жесткости:

Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

         Жесткость воды колеблется в  широких пределах и существует  множество типов классификаций  воды по степени ее жесткости.  В приложении 1 приведены  четыре  примера классификации. [4]

Происхождение жесткости 

                  Ионы кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

         Ионы попадают в водоёмы из  трёх источников. Первый источник — атмосферные осадки, формирующиеся над океанами. Штормовой ветер срывает с водной поверхности мельчайшие капельки, а затем воздушные потоки переносят их на тысячи километров. Поскольку морская вода содержит в основном ионы С1^- и Na ⁺, их с осадками выпадет больше всего — несколько тонн на 1 км² за год. В реки и озёра Европейской России 2/3 всех хлорид-ионов поступают с дождем и снегом.

         Второй источник солей — горные  породы. Часть воды, выпавшей в  виде осадков, впитывается в  грунт, а из него попадает в реки. При этом многие компоненты грунта реагируют с водой или с растворённым в ней углекислым газом. Так, известняк легко образует растворимый (до 1,6 г/л) гидрокарбонат кальция:

СаС0₃ + Н₂0 + С0₂ = Са (НС0₃)₂.

Почти на всей европейской части России (кроме Карелии и Мурманской области) известняки, а также доломиты МgСО₃ • СаС0₃ залегают довольно близко к поверхности. Поэтому вода здесь содержит преимущественно гидрокарбонаты кальция и магния. В таких реках, как Волга, Дон, Северная Двина, и основных их притоках гидрокарбонаты кальция и магния составляют от 3/4 до 9/10 всех растворённых солей.

         Соли попадают в водоёмы и  в результате деятельности человека. Так, хлориды натрия и кальция зимой в изобилии сыплют на дороги, чтобы растапливать лёд. За один сезон на 1 м² дорог приходится до 100 кг соли. Весной вместе с талой водой она стекает в реки. Треть хлоридов в реках европейской части России привнесена туда человеком. В реках, на которых стоят крупные города, эта доля гораздо больше. Например, концентрация хлоридов в Москве-реке на выходе из города в 4—5 раз выше, чем на входе. Вода, попавшая на земную поверхность, частично просачивается в грунт и доходит до водонепроницаемого слоя (как правило, глин). Так образуются подземные воды. Пока вода фильтруется через грунт, она очищается от большинства микропримесей. Поэтому питьевую воду для многих городов, особенно небольших, берут не из поверхностных источников, а из подземных. Однако с глубиной минерализация воды растёт. [5]

Единицы измерения жесткости

        В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м³). Кроме этого, в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (d^o, dH), французский градус (f^o), американский градус, ppm CaCO₃.

Соотношение этих единиц жесткости представлено в  таблице 3:      [www.alhimik.ru]

Методы устранения жесткости

         Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Этот метод нашёл наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды. В качестве недостатка данного метода следует отметить необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану.

         Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.

         Термический способ. Основан на нагреве воды, устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту. В промышленности применяется, например, на ТЭЦ.

         Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду соды или гашеной извести. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.

         Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. Как правило, жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом — до 0,01 мг-экв/л. [7]

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

  Цель проведения эксперимента: проведение анализа воды на содержание в ней ионов жесткости и основных ионов.

         При контроле качества воды определяют ее жесткость. Для этого применяют метод титрования.    Титрование – один из методов объемного анализа, при котором измеряют объемы растворов взаимодействующих веществ, причем концентрация одного из растворов известна. Такой раствор называют стандартным, или титрованным. Его добавляют к раствору анализируемого вещества до тех пор, пока количество прибавленного реактива не станет эквивалентно количеству реагирующего с ним компонента. Этот момент называется точкой эквивалентности. Ее устанавливают с помощью индикаторов – веществ, резко изменяющих окраску титруемых растворов вблизи точки эквивалентности. [6 ]