1.2. Умягчение воды методами осаждения

Методы осаждения сводятся к переводу катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в малорастворимые соединения CaCO₃ и MgCO₃. Они делятся на термические и химические (реагентные).

1.2.1. Термический метод

При нагревании воды до 95-98 °С достаточно растворимые гидрокарбонаты переходят в малорастворимые карбонаты, выпадающие в осадок. При этом выделяется углекислый газ:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O ;

Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O^.

Влияние нагревания на происходящий процесс можно объяснить тем, что при повышении температуры растворимость углекислого газа в воде снижается и он удаляется из воды. Это приводит к смещению равновесия химической реакции вправо, в сторону образования карбоната и CO₂.

Этот метод частично умягчает воду, устраняет временную (гидрокарбонатную) жёсткость и, таким образом, снижает карбонатную жёсткость. Некарбонатная жёсткость при такой обработке не изменяется. Метод применим, когда нет необходимости в глубоком смягчении и лишь в тех случаях, когда вода должна подогреваться по условиям ее использования.

1.2.2. Реагентные методы

а) Известковый метод

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃↓ + 2H₂O;

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ = 2Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2H₂O.

Метод пригоден для снижения только карбонатной жёсткости. При этом в воду вносится сначала дополнительное количество кальция, но в результате в осадок выпадает и внесённый, и присутствующий в исходной воде кальций.

б) Содовый метод

Используется для уменьшения некарбонатной жёсткости. Основан на введении в качестве осадителя хорошо растворимого карбоната. Обычно используют соду Na₂CO₃. Избыточные ионы CO₃^2– приводят к выпадению кальция, находящегося в составе солей сильных кислот:

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl;

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + Na₂SO₄.

в) Содово-известковый метод

Может применяться для одновременного устранения карбонатной и некарбонатной жёсткости. При этом сода действует на компоненты некарбонатной жёсткости, а гидроксид кальция — на компоненты карбонатной жёсткости:

MgCl₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + 2NaCl;

MgCO₃ + Ca(OH)₂ = Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓.

г) Фосфатный метод (использование антинакипинов)

Антинакипины — вещества, вводимые в воду с целью предотвращения образования накипи. На практике для умягчения применяют фосфат натрия Na₃PO₄. Фосфат-ион образует с кальцием и магнием малорастворимые соли, выпадающие в осадок, который легко удаляется из воды, а не образует плотного слоя накипи на стенках:

CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂↓ + 2Na₂SO₄.

Этот метод применяется, когда надо производить глубокое умягчение воды после того, как бóльшая часть жёсткости устранена, поскольку фосфат натрия достаточно дорог.

Рассмотренные реагентные методы, основанные на процессах осаждения, все же не дают той степени умягчения, которая требуется в некоторых областях применения воды. Кроме того, их осуществление требует значительного расхода реагентов и использования громоздкого емкостного оборудования. В последние десятилетия широкое распространение получили методы ионного обмена.

1.3. Метод ионного обмена

1.3.1. Иониты и процессы ионного обмена

Ионный обмен происходит при контакте жидкости, содержащей какие-либо ионы, с так называемыми ионитами. Это твердые зернистые вещества, нерастворимые в воде. В составе молекул ионитов находятся функциональные группы, которые способны участвовать в процессах обмена ионами, поэтому такие группы называются ионогенными (буквально — «рождающие ионы»).

Иониты классифицируются 1) по заряду обмениваемых ионов; 2) химическому составу; 3) происхождению.

В зависимости от заряда обмениваемых ионов иониты разделяются на катиониты и аниониты.

В катионитах в раствор переходят катионы, которые могут обмениваться на катионы, находящиеся в растворе. Например, если ионит содержит кислотную группу —СООН, а в окружающий раствор поступит значительное количество катионов другого вида, например, ионов натрия, то произойдет ионный обмен:

—СООН + Na⁺ + Cl^– → —СООNa + Н⁺ + Cl^–.

Таким образом, ионы водорода из функциональных групп и катионы металла соли «меняются местами» друг с другом. Вместо соли в растворе появится эквивалентное количество кислоты. Функциональная группа, содержащая атом натрия вместо атома водорода, не утрачивает способности к ионному обмену. Ион натрия может замещаться на ионы других металлов. Такое состояние катионита называют Na⁺-формой. Исходную форму катионита, содержащую ионы водорода, называют H⁺-формой.

В практике широко применяются катиониты (например, сульфоуголь), содержащие в качестве кислотных групп фрагменты молекул серной кислоты: —(SО₂)–ОН (принято также записывать: —SО₃Н). Далее для простоты записи будем условно обозначать, что катионит вступает в процесс ионного обмена в виде некоторой молекулы R^(Kat)H₂ (H⁺-форма) или R^(Kat)Na₂ (Na⁺-форма).

В анионитах в раствор переходят анионы, которые могут обмениваться на анионы, находящиеся в растворе. В них активные группы имеют основной характер. Не указывая, как устроены эти группы, также условимся записывать, что анионит вступает в процесс ионного обмена в виде некоторой молекулы R^(An)(OH)₂, например:

R^(An)(OH)₂ + 2Na⁺ + 2Cl^– → R^(An)Cl₂ + 2Na⁺ + 2OH^– .

По химическому составу иониты бывают неорганические (например, алюмосиликаты, силикаты, Al(OH)₃) и органические (продукты химической переработки угля или лигнина^, а также полученные синтетическим путем ионообменные смолы).

По происхождению иониты разделяют также на естественные и искусственные. В практике чаще применяют искусственные иониты, к которым и принадлежат сульфированные угли (сульфоуголь) и ионообменные смолы.

Ионообменные смолы — это вещества, основу которых образуют макромолекулы полимера, «сшитые» между собой, поэтому сама основа нерастворима. Каким-либо химическим методом к полимерным цепям присоединяют («прививают») функциональные группы, способные участвовать в процессах обмена катионами или анионами.

Методы ионного обмена могут применяться не только для умягчения воды, но и для ее обессоливания. Вначале рассмотрим процессы обессоливания воды.