1. Цели и задачи

В процессе изучения теоретического материала и выполнения эксперимента студент должен:

1. Ознакомиться с методами устранения жесткости воды;

2. Определить жесткость воды (морской, котловой, водопроводной), сравнить величины жесткости и сделать вывод о пригодности исследуемой воды;

3. Определить щелочность и рН исследуемых вод.

2. Краткий теоретический материал

Питательная и котловая вода должны удовлетворять определенным требованиям, которые обуславливаются необходимостью обеспечения высокой надежности и достаточной экономичности котла.

Для обеспечения главных задач водного режима судовых установок качество воды обычно нормируется по следующим показателям: сухому остатку, общему солесодержанию, концентрации ионов хлора, кислорода, значению рН и активности, жесткости, щелочности.

Сухой остаток представляет собой суммарное содержание растворенных в воде неорганических и органических веществ. Определяется сухой остаток выпариванием через плотный бумажный фильтр пробы воды с последующим высушиванием полученного остатка при Т = 110-I20 С. Количественно сухой остаток выражают в мг/л. Его величина не должна превышать 1,0-1,5 мг/л.

Соленость отражает содержание в воде хлоридов и выражается в градусах Брандта (°Бр). 1 °Бр соответствует содержанию 10 мг/л NaCl. В последнее время количественно соленость воды выражается в мг/л Сl^- (1 °Бр соответствует 6,06 мг/л Сl). Присутствие ионов хлора крайне нежелательно из-за разрушающего воздействия его на некоторые металлы. Содержание хлор /ионов в котловой воде многократной циркуляции допустимо до 0,5-1,0 мг/л.

Кислородосодержание обуславливается содержанием в воде кислорода, растворенного в ней, и измеряется в миллиграммах на литр кислорода. Присутствие кислорода в воде интенсифицирует процессы коррозии металла, а поэтому крайне нежелательно. Кислородосодержание не должно быть больше 0,01-0,020 мг/л.

Концентрация водородных ионов зависит от состава и соотношения растворенных солей и газов. От этого зависит реакция воды - щелочная или кислая.

Количественно реакция воды определяется по концентрации водородных ионов (или водородному показателю рН = - lg С_H⁺. Обычно в практике считают, что при показателе рН = от 6,5-7 вода (раствор) имеет слабощелочную реакцию, при рН > 7 - щелочную.

Величина рН в котловой воде для углеродистых сталей должна быть в пределах 8,5-9,5.

Жесткостью воды обусловлена содержанием в ней растворенных солей кальция и магния.

Жесткость воды подразделяется на карбонатную и некарбонатную.

Карбонатная жесткость (временная) обуславливается присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния:

Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂.

Некарбонатная жесткость (постоянная) определяется наличием в воде солей кальция и магния сильных кислот-сульфатов или хлоридов. Суммарное содержание ионов кальция и магния называется общей жесткостью.

Карбонатную жесткость воды называют временной, т.к. при длительном кипячении воды в ней появляется осадок, состоящий из CaCO₃ и одновременно выделяется СО₂. При нагревании происходит разложение гидрокарбоната кальция:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + CO₂ + H₂O_.

Жесткость, остающаяся после такого кипячения, называется постоянной жесткостью.

Измеряют жесткость числом миллимолей эквивалентов ионов жесткости (Са²⁺ и Мg²⁺) в 1 дм³ или 1л воды (ммоль/дм³ или ммоль/л). При расчетах следует учитывать, что Э(Са²⁺) = 1/2Са²⁺ и Э(Мg²⁺) = 1/2Мg²⁺, а МэСа²⁺ = ½ Ми (Сa²⁺) = 20 г/моль и Мэ(Мg) = ½ Ми (Мg²⁺) = 12 г/моль. Мэ- молярная масса эквивалентов, Ми – молярная масса иона. Например: 0,2 г – это масса 0,01моль или 10 ммоль эквивалентов Са²⁺ .

Присутствие в воде значительного количества солей кальция или магния делает воду непригодной для многих технических целей. Так при продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи. Такая корка уже при толщине в 1 мм сильно понижает передачу теплоты стенками котла и, следовательно, ведет к увеличению расхода топлива. Кроме того, она может служить причиной образования вздутий и трещин как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла. А это может привести к аварии.

Жесткая вода не дает пены с мылом, так как содержащиеся в мыле растворимые натриевые соли жирных кислот переходят в нерастворимые кальциевые соли тех же кислот.

2C₁₇H₃₅COONa + CаSO₄ = (C₁₇H₃₅COO)₂Ca + Na₂SO₄.

Жесткой водой нельзя пользоваться при некоторых технологических процессах, например, при крашении.

Щелочность воды характеризуется содержанием в воде NaOH, NaHCO₃, Na₃PO₄ и др. Основной причиной повышения щелочности воды является введение в нее химических соединений с целью устранения жесткости. Щелочное число Аz представляет собой сумму свободной и связанной щелочи в котловой воде, а количественно это соответствует содержанию NaOH в мг/л.

Приведенные выше примеры указывают на необходимость удаления из воды ионов Са²⁺ и Мg²⁺ , ионов Сl^- и РО. Удаление солей кальция и магния называется водоумягчением, входит в систему водоподготовки - обработки природной воды, используемой для питания парогенераторных установок, паровых котлов и для различных технологических процессов.

В ходе водоподготовки вода освобождается от грубодисперсных и коллоидных примесей и от растворенных веществ. Взвешенные и коллоидные примеси удаляются их коагуляцией при добавлении к воде солей (обычно Al₂(SO₄)₃) с последующей фильтрацией.

Для водоумягчения применяют методы осаждения и ионного обмена. Путем осаждения катионы Са²⁺ и Мg²⁺ переводят в малорастворимые соединения, выпадающие в осадок. Это достигается либо кипячением воды, либо химическим путем: введением в воду соответствующих реагентов.

Сa(HCO₃)₂ = СaCO₃ + CO₂ + H₂O;

Мg(НCO₃)₂ = Мg(ОН)₂ + 2CO₂.

В результате устраняется только карбонатная жесткость.

При химическом методе чаще всего пользуются известью или содой. При этом в осадок (так же в виде СaCO₃ и Мg(ОН)₂) переводятся все соли кальция и магния.

СaCl₂ + Na₂CO₃ = СaCO₃ + 2NaCl.

Для устранения жесткости методом ионного обмена или катионирования воду пропускают через слой катионита (разнообразные синтетические ионнообменные материалы, химической промышленностью выпускаются в виде зернистых порошков, волокон, мембран).

При катионировании, находящиеся в воде катионы Са²⁺ и Мg²⁺, обмениваются на катионы Nа⁺, которые содержатся в применяемом катионите. В некоторых случаях требуется удалить из воды не только катионы Са²⁺ и Мg²⁺, но и другие катионы и анионы. В таких случаях воду пропускают последовательно через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы (Н⁺ - катионит}, и анионит, содержащий гидроксид ионы (ОН^- - анионит). В итоге вода освобождается как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды называется ее обессоливанием.

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит перестает работать, так как утрачивает способность умягчать воду. Однако любой ионит легко подвергается регенерации. Для этого через катионит пропускают концентрированный раствор NaCl, Na₂SO₄, HCl, H₂SO₄.

При этом ионы Са²⁺ и Мg²⁺ выходят в раствор, а катионит снова насыщается ионами Nа⁺ или Н⁺. Для регенерации анионита его обрабатывают раствором щелочи или соды (последний, вследствие гидролиза карбонат - иона также имеет щелочную реакцию). В результате поглощенные анионы вытесняются в раствор, а анионит вновь насыщается ионами ОН^- .