Химические и физико-химические методы устранения жесткости воды

Жесткая вода обладает рядом качеств, которые делают ее менее превликательной в производственных процессах. В жесткой воде мыла и стиральные порошки плохо пенятся, что приводит к перерасходу а процессах стирки и мойки оборудовании 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 (рис.1). 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.

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

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 для опреснения воды, например морской, используемой для бытовых нужд, так и для получения воды особой чистоты, используемой при получения ультрачистых веществ.

Цель работы: Умягчить водопроводную воду катионитовым или известково-содовым методом: определить жесткость воды до и после умягчения. Ознакомиться с методом приготовления катионита, пригото­вить катионит.