Жесткость воды и ее практическая значимость

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3 
1.Жесткость воды и ее практическая значимость……………………………5 
1.1.Вода в промышленности и быту. Показатели качества воды…………6 
1.2.Постоянная и временная жесткость воды. Единицы измерения жесткости……………………………………………………………………………11 
1.3.Методы определения и устранения жесткости воды (краткий обзор)…..12 
2.Определение и устранение жесткости воды…………………………………17 
2.1Комплексонометрическое определение общей жесткости воды…………….17

2.2.Определение  карбонатной и некарбонатной  жесткости воды…………20 
2.3.Умягчение воды методом катионирования………………………………..22 
Заключение………………………………………………………………………...25 
Список литературы………………………………………………………………26 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 
         Одной из  актуальных проблем воды является  ее жесткость, обусловленная присутствием  в воде значительного количества  углекислых и сернокислых солей  кальция, магния и железа –  солей жесткости. Вода, содержащая  более 7 мг-экв/л солей жесткости, считается жесткой. Такая вода неблагоприятно воздействует на организм человека, бытовую технику, автономные системы горячего водоснабжения и отопления и т.д. Жесткость делает воду непригодной для приготовления пищи и питья, жесткую воду нельзя использовать также для стирки и мытья посуды. (повышенная жесткость вызывает затруднение при варке мяса и овощей, перерасход мыла, усиленный износ белья при стирке) [1].

Жесткая вода приводит к повышению риска многих заболеваний. Отмечено увеличение онкологической заболеваемости и болезней мочеполовой системы, болезней системы кровообращения и органов дыхания, врожденных пороков, заболевания эндокринной и нервной системы, часты осложнения во время беременности в связи с использованием вод с повышенной жесткостью в системах централизованного хозяйственно-питьевого водопользования [2].

При употреблении воды обладающей повышенной жесткостью (выше 5-7 мг-экв/л) в кровеносных сосудах происходит образование наростов, а на зубах и в желудке – камни.

Отрицательное воздействие жесткая вода оказывает  на кожу человека при умывании и  принятии душа, это объясняется тем, что соли жесткости взаимодействуя с моющими средствами, образуют на коже человека нерастворимые корки. Таким образом, разрушается естественная жировая пленка, которая всегда покрывает  нормальную кожу и волосы, появляется сухость, перхоть, шелушение, забиваются поры [3],[4].

Если в систему отопления залить жесткую воду, то под воздействием высокой температуры соли кальция образуют накипь, которая представляет собой сильнейший теплоизолятор. Так, слой накипи, имеющий толщину в 1,5 мм, уменьшает теплопередачу на 15 %, в 3 мм – на 25 %, а если наросты достигают 10 мм – потери тепла составят 50 % .

В химической промышленности использование жёсткой  воды может оказаться недопустимым в тех случаях, когда соли, придающие  ей жёсткость, препятствуют протеканию запланированных в данном производстве химические процессов или загрязняют получаемый продукт (например, полупроводниковое  производство).

В строительной практике жёсткость воды должна учитываться, если гидротехническое сооружение или  фундаментальные части зданий подвергаются действию грунтовых вод. Из солей, придающих  воде жёсткость, вредное действие на бетон оказывают MgCI_2, МgSO_{4 ,} СаSO_4. MgCI₂ вызывает так называемую магнезиальную коррозию бетона, МgSO₄ - сульфатно-магнезиальную, СаSO₄ ― сульфатную коррозию бетона. На стальные строительные конструкции, находящиеся в воде, вредное действие оказывают все соли, обусловливающие постоянную жёсткость. Причины ускорения коррозии стали те же, что и для паровых котлов [5].

Т.о. в  каждом отдельном случае необходимо учитывать характер возможного воздействия природных вод. Для этого необходимо знать ее важнейшую характеристику - жёсткость.

В данной курсовой работе излагаются методики определения временной и постоянной жёсткости воды, а также способы  её устранения [6].

Цели и  задачи данной курсовой работы рассмотреть:

1. Жёсткость  воды и причины её образования.  Единицы измерения жёсткости.

2. Виды жёсткости:  временная, постоянная, общая. 

3. Негативные последствия использования жёсткой воды в промышленности.

4. Основные методы умягчения воды.

 

 

1. Жесткость воды и ее практическая значимость

 

Природная вода является сложной многокомпонентной  системой, в которой содержатся в  растворенном виде различные органические и неорганические соединения. Содержащиеся в воде вещества условно можно  разделить на пять групп:

1) Главнейшие  ионы. Катионы: Na⁺, Ca^2+, Mg²⁺, K⁺ (реже Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺); Анионы: HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, CO₃^2- (реже HSiO3^-, SO₃²-, S₂O₃^2-).

2) Растворенные  газы. В воде чаще всего растворены: углекислый газ, кислород, азот, сероводород, метан и др.

3) Биогенные  вещества. К биогенным веществам относятся те соединения, которые возникают в связи с жизнедеятельностью организмов. В их состав входят различные формы азота(аммиачный, нитритный, нитратный), фосфора, кремния, железа.

4) Микроэлементы.  К ним относятся элементы, которые содержатся в воде в количествах меньших10^-3 %.

5) Органические  вещества. Это могут быть различного рода растительные и животные организмы, микроорганизмы и продукты их взаимодействия с окружающей средой.

Природные воды сильно различаются по общему содержанию растворенных солей и  по относительному содержанию различных  ионов. Это различие может существенно  влиять на свойства воды и, следовательно, на применение ее в различных областях.

Качество природной воды в значительной степени определяется концентрацией  растворенных в ней минеральных  солей. Жесткость воды – одно из важнейших свойств, имеющее большое  значение при водопользовании. Если в воде находятся ионы металлов, образующие с мылом нерастворимые  соли жирных кислот, то в такой воде затрудняется образование пены при  стирке белья или мытье рук, в  результате чего возникает ощущение жесткости. К солям жесткости  относятся, главным образом, соли кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺). Жесткость, обусловленная присутствием в воде гидрокарбонатов (НСО₃^–), называется временной, или карбонатной. Она устраняется при кипячении воды (точнее, при температуре более 60°С).

Жесткость воды - один из технологических показателей, характеризующий состав и качество природных вод, который является основным критерием пригодности  воды для использования ее в промышленных и бытовых целях.

Формирование  жесткости воды происходит в результате растворения горных пород, содержащих кальций и магний. В основном преобладает  кальциевая жесткость, обусловленная  растворением известняка и мела, однако в районах, где больше доломита, чем  известняка, может преобладать и  магниевая жесткость.

   Ионы кальция, магния и других щелочноземельных металлов имеются в составе всех минерализованных вод. Их источниками являются природные залежи известняка, гипса и доломита. Ионы магния и кальция попадают в воду при взаимодействии растворенного диоксида углерода с минералами, а так же в результате других процессов растворения и химического выветривания горных пород. Кроме того источниками этих ионов могут быть микробиологические процессы, которые протекают в почве на площади водосбора, в донных отложениях и сточные воды предприятий.

Анализ воды на жесткость  имеет значение в первую очередь  для подземных вод разной глубины  залегания и для вод поверхностных  водотоков, берущих начало из родников. Важно знать жесткость воды в  районах, где есть выходы карбонатных  пород, в первую очередь известняков. Высокая жесткость придает воде горьковатый вкус и оказывает  негативное воздействие на пищеварительные  органы.

Жесткость воды образует накипь в чайниках и других устройствах  используемых для кипячения воды. Налет или накипь на поверхностях теплообмена, равно как и углекислый газ, ведущий к интенсивной коррозии металлов, являются факторами, существенно  влияющими на эффективность парового оборудования, прежде всего паровых  котлов. Поэтому глубокое умягчение  воды требует последующего удаления образующегося углекислого газа и удаления нерастворимых солей.

Свойство  воды омывать поверхности, не оставляя налета, хорошо известно в быту. В  отличие от жесткой мягкая вода хорошо мылится, и после нее остается только естественный слой жира, выделяемый поверхностным слоем кожи. Жесткая  вода также не подходит для стрики. На нагревателях стиральных машин образуется накипь, которая выводит их из рабочего состояния, накипь оказывает негативное воздействие и на моющие свойства мыла. Катионы кальция и магния реагируют с жирными кислотами входящими в состав мыла, образуя при этом малорастворимые соли, создающие осадки и пленки, что повышает расход моющих средств и снижает качество стирки. При взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (шампуни, мыло, стиральные порошки) образуются «мыльные шлаки» в виде пены. После высыхания такая пена остается в виде налета на белье, сантехнике, на волосах и человеческой коже. Главное отрицательное воздействие таких шлаков на организм человека-это разрушение естественной жировой пленки, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Жесткая вода оседая на стенках трубопровода, образует накипь, вызывает коррозию и закупоривает трубопровод, снижает его теплопроводность. Около 60% электроэнергии тратится на чтобы нагреть отложившуюся накипь, так как известь проводит тепло в 20 раз хуже, чем сталь [7].

 

 

1.1. Вода в промышленности  и быту. Показатели качества воды

 

Вода является одним из наиболее распространенных, доступных и дешевых веществ. Доступность и незаменимость  обусловили широкое применение воды в промышленности, быту, сельском хозяйстве, медицине- во всех сферах человеческой деятельности.

Вода в промышленности служит в качестве растворителя, тепло- и хладоносителя, химического реагента, сырья, иногда применяется как катализатор. Служит для получения таких веществ как основания, щелочи, кислоты, фенолы, спирты, уксусный альдегид и т.д. Вода применяется как растворитель жидких, твердых, газообразных веществ. Используется при проведении экзо- и эндотермических реакций [8].

Вода как растворитель. Вода,  универсальный  растворитель  и  проявляет  эти  свойства  намного  сильнее  других жидкостей.  Благодаря  своей  подвижности  и  текучести,  вода  способна  подниматься  по  капиллярам  намного  тоньше  человеческого  волоса.  Эта способность  позволяет  ей  подниматься  из  недр  земли  к  поверхности,  перемещаться  от  корней  деревьев  к  кроне,  заполнять  мельчайшие  трещины  в  горных  породах.  А  затем,  замерзая,  раскалывать  их. Вода  является хорошим растворителем и если у нее достаточно времени, она  способна растворить любое даже самое твердое  вещество. Растворяя вещества, вода,  в  большинстве  случаев,  химически  не  изменяется и не изменяет вещества,  которые  в  ней  растворились. Это  характеризует воду, как универсальный  инертный  растворитель, что очень важно для всех живых организмов на Земле [9].

Вода как теплоноситель. Вода является одним из основных теплоносителей. Широкое применение воды в качестве теплоносителя, обусловили ее качества. Во-первых, вода обладает высокой теплоемкостью. Теплоемкостью называют соотношение количества переданного веществу тепла с повышением его температуры. Так удельной теплоемкостью называют количество тепла которое нужно передать 1 кг или 1м³ вещества чтобы его температура повысилась на 1 ⁰С. Во-вторых, вода хорошо пропускает через себя тепло, то есть обладает хорошей теплопроводностью. В-третьих, вода обладает великолепной текучестью, практически не оказывая гидравлического сопротивления при ее перемещении [10].

Вода-химический реагент. В качестве реагента вода участвует в химических реакциях, таких как: В процессе фотосинтеза растений водород, находящийся в составе воды переходит в органические вещества,  также происходит выделение свободного кислорода в атмосферу. Вода принимает участие в гидролизе- это процесс когда разрушается вещество и присоединяется вода. Примером может служить гидролиз белков, жиров и углеводов- процессы, происходящие при переваривании пищи, при гидролизе АТФ происходит выделение энергии обеспечивающей нужды клеток. Вода при гидролизе служит источником электронов и протонов [11].

Вода-замедлитель. Вода используется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Благодаря высокой плотности атомы водорода обеспечивают защитные свойства воды. Быстрые нейтроны замедляются водой до тепловых скоростей, после чего поглощаются ею. Хорошим замедлителем нейтронов является также тяжелая вода, которая широко используется в реакторах на тепловых нейтронах [11].

Вода как инструмент. Струей воды можно удалить с поверхности отложения и загрязнения любого химического состава и физической природы, сюда можно отнести : коррозию, консервирующие смазки, битум, смолы, нагар, лакокрасочные покрытия, окалину и др. При добавлении в струю воды абразива можно легко удалить поверхностный слой бетона, металла, гранита.

Воздействие водяной струи  на поверхности можно разделить  на два вида: -гидроабразивное (струя высокого давления с добавлением абразива),

 -гидродинамическое (гидродинамические удары струей воды по поверхности); Чистка металлической поверхности высоким и сверхвысоким давлением снимает с него неоднородные покрытия (коррозия, смола, полимерная пленка, краска) и не вызывает нарушений в структуре металла.

При очистке корпусов судов  происходит «вымывание» солей из пор поверхности металла. Подачей  в водяную струю абразива  можно  значительно усилить чистящие свойства [12].