Жесткость воды и методы ее устранения

Жесткость воды обусловливается содержанием в ней растворимых солей, преимущественно гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов кальция, магния, железа (II) и др., которые делают воду непригодной для многих технологических процессов.

В зависимости от того, какие соли присутствуют в воде, различают два вида жесткости: карбонатную (временную) Ж_в и некарбонатную (постоянную) Ж_п.

Карбонатную жесткость воде придают гидрокарбонаты кальция, магния и железа (II): Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, Fe(HCO₃)₂ и др. При кипячении карбонатная жесткость устраняется за счет разложения гидрокарбонатов, при этом выпадает осадок в виде накипи:

Ca(HCO₃)₂CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Mg(HCO₃)₂MgCO₃ + CO₂ + H₂O

Разложение гидрокарбоната магния сопровождается гидролизом образующегося карбоната с образованием осадков (MgOH)₂CO₃ и Mg(OH)₂:

3MgCO₃ + 2H₂O (MgOH)₂CO₃ + Mg(OH)₂ + 2CO₂

Разложение гидрокарбоната железа (II) сопровождается полным его гидролизом до Fe(OH)₂ с одновременным окислением в Fe(OH)₃:

4Fe(HCO₃)₂ + O₂ +2H₂O = 4Fe(OH)₃ + 8CO₂.

Карбонатную жесткость можно устранить также добавлением в виде щелочи (обычно гидроксида кальция), например:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ + 2H₂O.

Некарбонатную жесткость воде придают хлориды и сульфаты кальция и магния: CaCl₂, MgCl₂, CaSO₄, MgSO₄ и др. Эти соли при кипячении воды остаются в растворе, поэтому некарбонатную жесткость нельзя устранить кипячением воды. Ее устраняют химическим путем, например добавлением карбоната натрия (соды) Na₂CO₃, фосфата натрия (Na₃PO₄) или гидроксида кальция (гашеной извести) Са(ОН)₂.

Жесткость измеряется в единицах по ГОСТу. Единица жесткости по ГОСТу - жесткость воды, содержащей 1 мг-эквивалент Ca²⁺ или Mg²⁺ на 1 л воды или 1 г-эквивалент на 1 м³ воды. 1° жесткости равен 1 г СаО в 100 л воды. Содержание других металлов пересчитывается на эквивалентное количество СаО. Вода, жесткость которой равна до 4 мг-экв/л, считается мягкой, свыше 12 мг-экв/л — очень жесткой.

Общая жесткость воды показывает содержание миллимоль гидрокарбонатов, сульфатов и хлоридов кальция и магния в 1 дм³ воды. Жесткость карбонатная и некарбонатная составляют общую жесткость Ж_о воды: Ж_о = Ж_в + Ж_п.

В промышленности жесткость воды устраняют при помощи ионитов. Обменной емкостью катионита называется максимальное количество ионов, поглощаемое 1 г катионита обменным путем. Обменная емкость катионита выражается в мг-экв/г или мг-экв/л.

Пример 1. Определение общей жесткости воды по количеству содержа­щихся в воде солей. Рассчитайте общую жесткость воды (в мг-экв/л и градусах), если в 0,15 л воды содержится 16,20 мг гидрокарбоната кальция, 2,92 мг гид­рокарбоната магния, 11,10 мг хлорида кальция и 9,50 мг хлорида магния.

Решение. Жесткость воды Ж выражается в миллиграмм-эквивалентах двухзарядных катионов металлов Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и других или соответствую­щих им солей, содержащихся в 1 л воды:

где m₁, m₂, m₃ - содержание в воде двухзарядных катионов металлов (или соответствующих им солей), мг; Э₁, Э₂, Э₃ - эквиваленты катионов металлов (или соответствующих им солей); V - объем воды, л.

Определяем эквиваленты солей, обусловливающих жесткость воды

Са(НСО₃)₂ Мg(НСО₃)₂

Э=М/2= 162,11/2=81,05; Э=М/2= 146,34/2=73,17;

CaCl₂ MgCl₂

Э=М/2= 110,99/2=55,49; Э = М/2 = 95,21/2 = 47,60.

Общая жесткость данного образца воды равна сумме временной и постоянной жесткости и обусловливается содержанием в ней солей, придающих ей жест­кость; она равна:

мг·экв/л

1° жесткости соответствует 0,357 мг-экв катионов двухзарядных метал­лов. Общая жесткость образца воды в градусах жесткости равна 2,560/0,357= 7,17°. Вода данного образца считается мягкой.

Пример 2. Определение временной (гидрокарбонатной) жесткости воды по объему соляной кислоты, пошедшей на ее титрование. Найдите временную жесткость воды, если на титрование 0,1 л образца воды, содержащей карбонат магния, израсходовано 7,2· 10^-3 л 0,13 н. НС1.

Решение. При титровании воды соляной кислотой происходит следующая химическая реакция:

Mg(HCO₃)₂ + 2НС1 = MgCl₂ + 2CO₃ + 2Н₂О

В соответствии с законом эквивалентов число грамм-эквивалентов всех участвующих в химической реакции веществ должно быть одинаково. На тит­рование 0,1 л воды израсходовано 0,13·7,2·10^-3 = 0,936·10^-3 грамм-экви­валентов НС1. Следовательно, такое же число грамм эквивалентов магния содер­жится в воде, т. е.

Жесткость данного образца воды равна 9,36 мг-экв/л (вода средней жесткости)

Пример 3. Определение временной и постоянной жесткости воды по количеству реагентов, необходимых для устранения жесткости. Для устра­нения общей жесткости по известково-содовому методу к 50 л воды добавлено 7,4 г Са(ОН)₂ и 5,3 г Na₂СО₃. Рассчитайте временную и постоянную жесткость воды.

Решение. Добавление к воде Ca(OH)₂ может устранить временную жест­кость, а добавление Na₂CO₃ — постоянную жесткость. При добавлении этих реагентов к воде происходят следующие химические реакции:

Ме(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = ↓ МеСО₃ + ↓ CaCO₃ + 2Н₂О

Ме(NО₃)₂ + Na₂CO₃ = ↓ МеСО₃ + 2NaNO₃

(Me²⁺: Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и др.)

Временная жесткость воды Ж_вр измеряется числом миллиграмм-эквивалентов гидроксида кальция, участвующего в реакции, а постоянная жесткость Ж_пост - числом миллиграмм-эквивалентов карбоната натрия:

Ж_вр == 7400/(37,04 • 50) = 4 мг-экв/л;

Ж_пост = 5300/(53,0 • 50) == 2 мг-экв/л.

Общая жесткость воды равна

Ж_общ = Ж_вр + Ж_пост =4+2=6 мг-экв/л (вода средней жесткости).

Пример 4. Определение обменной емкости катионита, применяемого для устранения жесткости воды. Вычислите обменную емкость сульфоугля, если через адсорбционную колонку, содержащую 50 г сульфоугля, пропущено 11,35 л воды с общей жесткостью 8,5 мг-экв/л (до появления катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в фильтрате).

Решение. Обменная емкость ε катионита определяется с помощью соотно­шения

ε=ЖV/m,

где V — объем воды, пропущенной через катионит, л; т— масса катионита, г.

Обменная емкость сульфоугля равна

ε=8,5 ·11,35/50=1.93 мг-экв/г.

Задачи

161. Один литр образца воды содержит 48,6 мг дикарбоната каль­ция и 29,6 мг сульфата магния. Сколько молей Са²⁺ и Mg²⁺ содержится в 1 л образца воды? Чему равна общая жесткость воды?

162. Растворимость CaSO₄ в воде при 20° С равна 0,202 г/100 г раствора. Плотность насыщенного раствора CaSO₄ равна 1000 кг/м³. Вычислите жесткость этого раствора.

163. Чему равна жесткость (в г-экв/л и градусах) 0,005 М CaCI₂?

164. Жесткость некоторого образца воды обусловливается только дикарбонатом железа. При кипячении 0,25 л воды в осадок выпадает 4 мг FeCO₃. Чему равна жесткость воды?

165. На титрование 0,05 л образца воды израсходовано 4,8·10^-3 л 0,1 н. НСl. Чему равна карбонатная жесткость воды?

166. При определении временной жесткости на титрование 0,1 л воды израсходовано 5,25·10^-3 л 0,101 н. НСl. Чему равна временная жесткость воды?

167. Сколько гашеной извести надо прибавить в 2,5 л воды, чтобы устранить ее временную жесткость, равную 4,43 мг-экв/л?

168. Для умягчения 100 л воды потребовалось 12,72 г Na₂CO₃. Чему равна жесткость воды (в градусах и мг-экв/л)?

169. Жесткость, некоторого образца воды обусловливается только нитратом кальция. При обработке 0,25 л образца воды карбонатом натрия в осадок выпало 37,8 мг СаСО₃. Чему равна жесткость воды (в градусах)?

170. Общая жесткость волжской воды равна 6,52 мг-экв/л, а вре­менная 3,32 мг-экв/л. Сколько Са(ОН)₂ и Na₂CO₃ надо взять, чтобы устранить жесткость 5 л воды?

171. Некарбонатная жесткость воды равна 3,18 мг-экв/л. Сколько Na₃PO₄ надо взять, чтобы умягчить 1 м³ такой воды?

172. Чему равна постоянная жесткость воды, если для ее устра­нения к 25 л воды добавлено 21,6 г буры Na₂B₄O₇· 10H₂O?

173. Рассчитайте обменную емкость катионита марки КУ-2, если через адсорбционную колонку, содержащую 100 г этого ионита, пропустили 25 л воды общей жесткостью 13,6 мг-экв/л.

174. Обменная емкость катионита-пермутита Nа₂О·Аl₂О₃·nН₂О равна 7,2 мг-экв/л. Какова величина устраненной жесткости воды, если через 200 г этого катионита пропущено 50 л воды?

175. Обменная емкость каолиновой глины составляет 13,5 мг-экв/л. Сколько литров воды общей жесткостью 3,5 мг-экв/л можно профильт­ровать через 150 г глины для полного удаления катионов Ca²⁺ и Mg²⁺?

176. Какие соли обусловливают жесткость природной воды? Какую жесткость на­зывают карбонатной, не карбонатной? Как можно устранить карбонатную, некарбонат­ную жесткость? Напишите уравнения соответствующих реакций. Чему равна жесткость воды, в 100 л которой содержится 14,632 г гидрокарбоната магния?

177. Какую массу карбоната натрия надо прибавить к 400 л воды, чтобы устра­нить жесткость, равную 3 мэкв.

178. Вычислите жесткость воды, зная, что в 600 л ее содержится 65,7 г гидрокар­боната магния и 61,2 сульфата калия.

179. Какие ионы надо удалить из природной воды, чтобы сделать ее мягкой? Вве­дением каких ионов можно умягчить воду? Составьте уравнения соответствующих реакций. Какую-массу Са(ОН)₂ надо прибавить к 2,5 л Воды, чтобы устранить ее же­сткость, равную 4,43 мэкв/л?

180. Чему равна карбонатная жесткость воды, если в 1 л ее содержится 0,292 г гидрокарбоната магния и 0,2025 г гидрокарбоната кальция?