Твердість води та методи її усунення

Твердість води зумовлюють катіони Са²⁺, Mg²⁺ та катіони деяких важких металів. Оскільки в природних водах переважають іони Са²⁺ і Mg²⁺, а інші присутні не завжди і в незначних кількостях, то загальна твердість природних вод може бути охарактеризована сумою концентрацій іонів Са²⁺ та Mg²⁺ (ммоль∙екв/л). Один ммоль∙екв відповідає вмісту у воді 20,04 мг/л іонів Са²⁺ або 12,156 мг/л іонів Mg²⁺.

Твердість природних вод змінюється в широких межах. За величиною загальної твердості природні води поділяються на груди: вода дуже м'яка (менше ніж 1,5 ммоль∙екв/дм³), вода м'яка (від 1,5 до 3,0 ммоль∙екв/дм³), вода середньої твердості (від 3,0 до 5,4 ммоль∙екв/дм³), вода тверда (від 5,4 до 10,7 ммоль∙екв/дм³), вода дуже тверда (понад 10,7 ммоль∙екв/дм³).

Найбільш м'якими є води атмосферних осадів, твердість яких становить 0,07 - 0,1 ммоль∙екв/дм³. Найбільша твердість спостерігається в водах світового океану, для яких середнє значення твердості дорівнює 130,5 ммоль∙екв/дм³. Припустима твердість вода для господарчо-питного водопостачання становить не більше, ніж 7 ммоль∙екв/дм³.

Загальна твердість поділяється на карбонатну і некарбонатну. Перша з них зумовлена присутністю гідрокарбонатів та карбонатів кальцію і магнію (Са(НСО₃)₂, Mg(HCO₃)₂, СаСО₃, MgCO₃). Оскільки карбонати кальцію та магнію важкорозчинні речовини, то часто під карбонатною твердістю розуміють гідрокарбонатну твердість, зумовлену добре розчинними гідрокарбонатами Са(НСО₃)₂, Mg(HCO₃)₂. Ці солі при нагріванні розкладаються з виділенням оксиду Карбону (IV) і осаду карбонатів. Таким чином, при кип'ятінні твердість води, спричинена гідрокарбонатами кальцію та магнію, усувається. Тому така твердість називається усувною або тимчасовою.

Сульфати, хлориди, а також кальцієві та магнієві солі інших кислот характеризують некарбонатну або постійну твердість води. Солі, що зумовлюють твердість води, не шкідливі для живих організмів, однак наявність їх у великих кількостях небажана, оскільки вода стає непридатною для господарчо-побутових потреб. Тверда вода не дає піни з милом, оскільки розчинні натрієві солі жирних кислот, що входять до складу мила, переходять у нерозчинні кальцієві солі цих кислот.

У твердій воді погано розварюються овочі, крупи, м'ясо, скорочується термін служби тканин, утворюються осади у водопровідних трубах та ін. Тверду воду неможна використовувати у деяких технологічних процесах, наприклад, при фарбуванні. Вода, що містить солі твердості, цілком непридатна для постачання парових котлів через утворення накипу, що призводите до перегріву котла і сприяє його швидкому руйнуванню. Вода з підвищеною тимчасовою твердістю непридатна для охолодження теплообмінної апаратури, оскільки при нагріванні гідрокарбонати кальцію та магнію розкладаються до карбонатів, які осідають на стінках теплообмінника.

Наведені приклади вказують на необхідність видалення з води, що використовується з технічною метою, солей кальцію та магнію. Цей спосіб водопідготовки називають водопом'якшенням. Зниження концентрації іонів Са²⁺ і Mg²⁺ можна досягти термічними, реагентними та іонообмінним методами.

При кип'ятінні води усувається переважно тимчасова твердість через виділення осадів СаСО₃ та MgCО₃:

Крім того, частково усувається також сульфатна твердість, оскільки розчинність CaSO₄ зменшується при підвищенні температури.

Такі методи як виморожування та дистиляція дозволяють позбутися не тільки солей твердості а і взагалі знесолити воду.

Реагентні методи пом'якшення води засновані на переведенні іонів Са²⁺ і Mg²⁺ у важкорозчинні сполуки (карбонати, фосфати та інші). 3 цією метою використовують вапно, соду, фосфати, поліфосфати та ін.:

Са(ОН)₂ + Са(НСО₃)₂ → 2CaСО₃ ↓ + 2H₂O

Na₂CO₃ + СаС1₂ → СаСО₃↓ + 2NaCl

2Na₃РО₄ + ЗСа(НСО₃)₂ → Са₃(РО₄)₂↓ + 6NaHCO₃.

Іонообмінний метод пом'якшення води полягає в обміні іонів Са²⁺, Mg²⁺ та інших металів, що знаходяться у воді, на іони Н⁺ або Na⁺, що входять до складу іоногенних груп катіонітів

Оскільки іонний обмін — оборотний процес, то відновити обмінні властивості катіонну можна, пропускаючи розчини NaCl або НСl через шар катіоніту, який насичений іонами Са²⁺, Mg²⁺ або інших металів.

Якщо природну воду пропустити не тільки через Н-катіоніт, а ще й через ОН^--аніоніт, то можна позбутися всіх катіонів металів і аніонів, розчинених у воді, тобто повністю знесолити воду.

Приклад 1. Обчисліть загальну(ТЗ), карбонатну(ТК) і не карбонатну(ТН) твердість води: а) якщо на титрування 100 см³ води витрачено 7,6 см³ розчину комплексону ІІІ з молярною концентрацією 0,1 моль/дм³; б) якщо на титрування 100 см³ води витрачено 2,5 см³ розчину HCl з молярною концентрацією 0,1 моль/дм³.

Розв’язання. Загальну і карбонатну твердість обчислюють по формулі

де С(Х) - молярна концентрація титранту (розчинів комплексона III або НСl), моль/см³;

V(X) - об'єм титранту (розчинів комплексона III або НСl), моль/см³;

Тоді

ммоль/дм³.

ммоль/дм³.

ТЗ = ТН + ТК

ТН = 7,6 – 2,5 = 5,1 ммоль/дм³.

 

Приклад 2. Яку масу карбонату натрію необхідно додати до 1 м³ води для усунення жорсткості, рівної 5 ммоль/дм3?

Розв’язання. В 1 м3 води міститься 1000·5 = 5000 ммоль еквівалентів солей, що зумовлюють жорсткість води. Мольна масса еквівалента карбонату натрію:

(г/моль).

 

Для усунення твердості до 1 м³ води слід додати карбонату натрію:

5000·53 = 265000 мг (або 265 г).

 

Приклад 3. Обчисліть твердість води, знаючи, що в 500 л її міститься 202,5 г Са(НСО₃)_2.

Розв’язання. В 1 л води міститься 202,5:500=0,405 г Са(НСО₃)₂, що складає 0,405:81=0,005 еквівалентних мас або 5 мекв/л [81 г/моль — еквівалентна маса Са(НСО₃)₂]. Отже, твердість води 5 мекв.

 

Приклад 4. Скільки грамів CaSO₄ міститься в 1 м³ води, якщо твердість, обумовлена присутністю цієї солі, дорівнює 4 мекв?

Розв’язання. Мольна маса CaSO₄ 136,14 г/моль; еквівалентна маса дорівнює 136,14:2=68,07 г/моль. В 1 мл води твердістю 4 мекв міститься 4·1000=4000 мекв, або 4000·68,07=272,280 мг = 272,280 г CaSO₄.

 

Приклад 5. Яку масу соди треба додати до 500 л води, щоб усунути її твердість, яка дорівнює 5 мекв?

Розв’язання. В 500 л води міститься 500·5=2500 мекв солей, що обумовлюють твердість води. Для усунення твердості слід додати 2500·53=132500 мг = 132,5 г соди (53 г/моль - еквівалентна маса Na₂CO₃.

 

Приклад 6. Обчисліть карбонатну твердість води, знаючи, що на титрування 100 см³ цієї води, що містить гідрокарбонат кальцію, потрібно було 6,25 см³ 0,08 н. розчину НС1.

Розв’язання. Обчислюємо нормальність розчину гідрокарбонату кальцію. Позначивши число еквівалентів розчиненої речовини в 1 л розчину, тобто нормальність, через х, складаємо пропорцію:

Таким чином, в 1 л досліджуваної води міститься 0,005·1000=5 мекв гідрокарбонату кальцію або 5 мекв Са²⁺-іонів. Карбонатна твердість води 5 мекв. Наведені приклади розв’язують, застосовуючи формулу

Т = m/ЕV

де т - маса речовини, що зумовлює твердість води або вживаного для усунення твердості води, мг; Е - еквівалентна маса цієї речовини; V - об'єм води, л.

Розв’язання прикладу 1. Т = m/ЕV = 202500/81·500=5 мекв. 81 - еквівалентна маса Са(НСО₃)₂, яка дорівнює половині його мольної маси.

Розв’язання прикладу 2. З формули Т = m/ЕV, m =4·68,07·1000=272280 мг = 272,280 г CaSO₄.

13.3. Запитання та задачі для самоконтролю

1. Яку масу Na₃PO₄ треба додати до 500 л води, щоб усунути її карбонатну твердість, яка дорівнює 5 ммоль екв?

2. Які солі обумовлюють твердість природної води? Яку твердість називають карбонатною, некарбонатною? Як можна усунути карбонатну, некарбонатну твердість? Напишіть рівняння відповідних реакцій. Чому дорівнює твердість води, в 100 л якої міститься 14,632 г гідрокарбонату магнію?

3. Обчисліть карбонатну твердість води, знаючи, що для реакції з гідрокарбонатом кальцію, що міститься в 200 см³ води, потрібно 15 см³ 0,08 н розчину НСl.

4. В 1 л води міститься іонів магнію 36,47 мг і іонів кальцію 50,1 мг. Чому рівна твердість цієї води?

5. Яку масу карбонату натрію треба додати до 400 л води, щоб усунути твердість, що дорівнює 3 ммоль екв.

6. Вода, що містить тільки сульфат магнію, має твердість 7 ммоль екв. Яка маса сульфату магнію міститься в 300л цієї води?

7. Обчисліть твердість води, знаючи, що в 600 л її міститься 65,7 г гідрокарбонату магнію і 61,2 сульфату калію.

8. В 220 л води міститься 11 г сульфату магнію. Чому дорівнює твердість цієї води?

9. Твердість води, в якій розчинений тільки гідрокарбонат кальцію, дорівнює 4 ммоль екв. Який об'єм 0,1 н. розчину НCl потрібно буде для реакції з гідрокарбонатом кальцію, що міститься в 75 см³ цієї води?

10. В 1 м³ води міститься 140 г сульфату магнію. Обчисліть твердість цієї води.

11. Вода, що містить тільки гідрокарбонат магнію, має твердість 3,5 ммоль екв. Яка маса гідрокарбонату магнію міститься в 200 л цієї води?

12. До 1 м³ твердої води додали 132,5 г карбонату натрію. Наскільки знизилася твердість?

13. Чому дорівнює твердість води, якщо для її усунення до 50 л води потрібно було додати 21,2 г карбонату натрію?

14. Яка маса CaSO₄ міститься в 200 л води, якщо твердість, обумовлена цією сіллю, дорівнює 8 ммоль екв?

15. Вода, що містить тільки гідрокарбонат кальцію, має твердість 9 ммоль екв. Яка маса гідрокарбонату кальцію міститься в 500 л води?

16. Які іони треба видалити з природної води, щоб зробити її м'якою? Введенням яких іонів можна пом'якшити воду? Складіть рівняння відповідних реакцій. Яку масу Са(ОН)₂ треба додати до 2,5 л води, щоб усунути її твердість, що дорівнює 4,43 ммоль екв/л?

17. Яку масу карбонату натрію треба додати до 0,1 м³ води, щоб усунути твердість, що дорівнює 4 ммоль екв?

18. До 100 л жорсткої води додали 12,95 г гідроксиду кальцію. Наскільки знизилася карбонатна твердість?

19. Чому дорівнює карбонатна твердість води, якщо в 1 л її міститься 0,292 г гідрокарбонати магнію і 0,2025 г гідрокарбонату кальцію?

20. Яку масу гідроксиду кальцію треба додати до 275 л води, щоб усунути її карбонатну твердість, що дорівнює 5,5 ммоль екв?