15 Лабораторная работа №15.

Методы устранения жесткости воды

Цель работы: умягчить водопроводную воду катионитным или известково-содовым методом, определить жесткость воды до и после умягчения.

Оборудование и реактивы: колонка с катионитом, 0,1н. раствор трилона Б (18,61 г в 1 л раствора), индикатор эриохром черный кристаллический, мерный цилиндр на 250 мл, 6 – 8%-ный раствор хлорида натрия, аммиачный буферный раствор, бюретки; пипетки на 100 мл или мерные цилиндры; конические колбы на 250 мл и 500 мл, коническая колба на 2 литра, сода, известь, весы, воронка для фильтрования со складчатым бумажным фильтром, стаканы на 200 – 250 мл, мерные колбы на 200 мл.

15.1 Теоретические пояснения

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 катионов кальция и магния с последующим удалением осадка; 2) удалением катионов кальция и магния методом ионного обмена.

Метод ионного обмена основан на способности ионитов поглощать из растворов одни ионы и отдавать в раствор в эквивалентных количествах другие. Иониты, способные обмениваться с раствором катионами, называются катионитами. К катионитам относятся: алюмосиликаты, сульфированные угли, синтетические смолы. Характерной особенностью катионитов является наличие в них большого числа кислотных групп: силикатных, карбоксильных, сульфогрупп. Эти группы содержат подвижные катионы водорода, способные замещаться другими катионами, например,

R-SO₂OH + Me⁺  R-SO₂OMe + H⁺

Иониты, способные обмениваться с раствором анионами, называются анионитами. Аниониты представляют собой аминосмолы, содержащие амино- и имино-группы.

R-NH₂ + HOH  [R-NH₃]⁺OH^-

[R-NH₃]⁺OH^- + А^-  [R-NH₃]⁺ A^- + OH^-

Для умягчения воды применяются обычно катиониты в водородной и натриевой форме (Н-катиониты и Na-катиониты). Если обозначить весь катионит, кроме подвижного иона, например, натрия, буквой R, то реакции ионного обмена в жесткой воде 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 и выражается в моль эквивалента на 1 м³ ионита. Например, емкость поглощения сульфоугля равна 1000 моль экв./м³; апатита – 1700 моль экв./м³; алюмосиликатов – 850 моль экв./м³.

После длительной работы иониты насыщаются и теряют свои эксплуатационные качества. С целью возобновления работы иониты подвергают регенерации.

Для замены катионов жесткости на катионы натрия, через ионит пропускают насыщенный раствор хлорида натрия. При этом катионы кальция и магния вытесняются катионами натрия.

В известково-содовом методе умягчения воды используют смесь соды и гашеной извести. Соли, дающие карбонатную жесткость, и растворенный в воде оксид углерода (IV) под действием извести переводятся в осадок:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ → 2СаСО₃ + 2Н₂О

Mg(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ → MgCO₃$ + СаСО₃$ + 2Н₂О

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂$ + 2CaCO₃$ + 2H₂O.

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 некарбонатную жесткость воды:

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.

Принципиальная схема этого метода представлена на рисунке 15.1. 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 в результате электролиза накапливается раствор гидроксидов натрия, калия, магния и выделяется водород.

Анионы из катодного пространства и из средней камеры перемещаются в анодное пространство, где накапливаются за счет электролиза соляная и серная кислоты, а также выделяется кислород и частично хлор.

Рисунок 15.1 – 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.

По мере прохождения электролиза в средней камере количество катионов и анионов уменьшается, вода обессоливается. Загрязненную солями воду из катодного и анодного пространства сливают, поскольку она является отходом, а из среднего пространства частично очищенная вода поступает в другой электродиализатор для более глубокого обессоливания.

Описанный метод применяется для опреснения воды, например морской, используемой как для бытовых нужд, так и для получения воды особой чистоты, используемой при получении ультрачистых веществ.

15.2 Методика проведения опытов

15.2.1 Опыт №1. Умягчение воды методом ионного обмена

В качестве катионитной колонки применяют стеклянную трубку диаметром 2-3 см и длиной 80-90 см.

Для того чтобы катионит не высыпался, в нижнюю часть трубки впаивают стеклянную пластинку с отверстиями и конец трубки оттягивают. Можно также использовать и обычную трубку, закрыв ее нижнюю часть пробкой с узкой стеклянной трубкой.

Колонку наполняют катионитом так, чтобы высота слоя составляла 50-60 см. Приготовляют 6-8 %-ный раствор хлорида натрия (плотность 1,06–1,085 г/см³) и пропускают 600 – 700 мл его через колонку. Затем избыток соли отмывают дистиллированной водой до практически полного исчезновения реакции на хлорид-ион (проба с нитратом серебра). Обычно на отмывку расходуется около 1000 мл воды.

После отмывки катионита через него пропускают 200 мл воды, подлежащей умягчению, например, водопроводной. Затем определяют жесткость профильтрованной (умягченной) воды и сырой водопроводной воды. Для этого в коническую колбу емкостью 250 мл отмеряют 100 мл анализируемой воды и 5 мл буферного раствора. Затем титруют 0,1 н. раствором трилона Б в присутствии индикатора до перехода вишнево-красной окраски раствора в сине-фиолетовую в соответствии с методикой, описанной в лабораторной работе №14.

По результатам титрования рассчитайте жесткость воды до и после ее умягчения. Сделайте вывод об эффективности метода.

15.2.2 Умягчение воды известково-содовым методом

При умягчении воды известково-содовым методом предварительно определяют карбонатную жесткость воды, ее некарбонатную и магниевую жесткость, а также содержание оксида углерода (IV) (данные о магниевой жесткости и содержании оксида углерода (IV) студенты получают у преподавателя). На основании этих данных рассчитывают количество извести и соды, необходимых для устранения жесткости.

Например, найдено, что карбонатная жесткость равна 5 ммоль экв./л, некарбонатная – 3 ммоль экв./л, магниевая жесткость – 2 ммоль экв./л, содержание оксида углерода (IV) – 11 мг/л. Тогда извести для устранения карбонатной жесткости необходимо 5 ммоль экв./л, для устранения магниевой жесткости – 2 ммоль экв./л и на нейтрализацию СО₂ потребуется 11^∙= 0,5ммоль экв./л извести (– это фактор пересчетаCO₂ в эквивалентах на литр). Всего извести потребуется 7,5 ммоль экв./л.

Масса извести на 1 литр воды:

m(Ca(OH)₂)= ν(1/2Ca(OH)₂)∙М(1/2Ca(OH)₂)=7,5∙37 = 277,5 (мг) = 0,277(г)

Для устранение некарбонатной жесткости 1 литра воды потребуется 3 ммоль экв./л соды, что составит в массовом выражении

m(Na₂CO₃) = ν(1/2 Na₂CO₃)∙М(1/2 Na₂CO₃) = 3∙53 = 159 (мг) = 0,159 (г).

После расчета отвешивают с точностью до 0,01 г известь и соду и растворяют их в 1 л воды, налитой в двухлитровую колбу. Содержимое колбы взбалтывают в течение 2-3 мин, дают отстояться и фильтруют через складчатый фильтр.

Первые порции фильтрата отбрасывают. Отфильтровав 200 мл воды, берут пробу для анализа ее жесткости. Анализ проводят в соответствии с методикой, приведенной в лабораторной работе №14. По результатам анализа сделайте вывод об эффективности метода.

15.3 Требования к уровню подготовки студентов

• Знать понятия: общая, временная (карбонатная) и постоянная (некарбонатная) жесткость воды.

• Понимать для чего необходимо умягчение воды.

• Иметь представление о методах устранения временной и постоянной жесткости.

• Уметь производить расчеты жесткости воды, а также расчеты количеств реактивов, необходимых для ее устранения.

15.4 Задания для самоконтроля

1. Для устранения карбонатной жесткости применяют одно из следующих веществ: едкий натр, гашеную известь, ортофосфат натрия. Какое из названных веществ окажется наиболее эффективным, если взять их в одинаковых количествах? Обоснуйте ответ, приведя уравнения реакций и соответствующие расчеты.

2. Почему для регенерации катионита его промывают раствором хлорида натрия, а затем водой? Можно ли применить для регенерации катионита раствор хлорида кальция?

3. Вода содержит 0,12 г/л растворенного гидрокарбоната кальция. Сколько нужно прибавить извести к 10 л такой воды, чтобы осадить гидрокарбонат в виде карбоната?

4. Почему для полного обессоливания воды необходимо применять смесь катионитов и анионитов? Почему нельзя их применять в отдельности?

5. Какую реакцию среды имеет: а) Na-катионированная вода, б) Н-катионированная вода?

6. Карбонатная жесткость исходной воды 3,8 ммоль экв/л. Определить концентрацию (мг/л) NaHCO₃ после умягчения воды на натрий-катионитовом фильтре.

7. Вычислить количество 60%-ной извести, необходимое для умягчения 500 м³ воды с исходной карбонатной жесткостью 3,8 ммоль экв/л и содержанием СО₂ 15,4 мг/л.

8. Какое количество 70%-ной извести и соды Na₂CO₃∙10H₂O необходимо для умягчения 1 м³ воды. Общая жесткость – 3,8 ммоль экв/л, карбонатная жесткость – 2,4 ммоль экв/л, содердание СО₂ – 3,8 ммоль экв/л.

9. Почему при использовании реагентных методов не достигается полное удаление ионов Са²⁺ и Mg²⁺?

15.5 Список рекомендуемой литературы

15.5.1 Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 кн. Кн. 1: Титриметрические и гравиметрический методы анализа: учеб. для студ. вузов, обучающихся по химико-технол. спец. – М.: Дрофа, 2009. – 368 с.