Особенности тепловых, химических и физических свойств воды. Жёсткость воды и основные пути её устранения, методы определения жёсткости. Характеристика методов устранения жёсткости воды. Значение жёсткости воды и её неблагоприятное влияние на человека.
И если на качество питьевой воды жесткость хоть и влияет, но не столь сильно, то для современной бытовой техники, автономных систем горячего водоснабжения и отопления, новейших образцов сантехники необходимость борьбы с жесткостью крайне актуальна. Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, т.е. воду очень трудно заморозить, а лед - растопить. Алюминий (Al3 ) и трехвалентное железо (Fe3 ) также влияют на жесткость, но при уровнях РН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, "вклад" в жесткость ничтожно малы.
Введение
В настоящее время все большую актуальность приобретает проблема очистки, или правильнее сказать подготовки воды. Причем не только воды для питья и приготовления пищи, но и той, которая используется в быту - для стирки, мытья посуды и т.д. Существует проблема, общая как для загородных домов с автономной системой водоснабжения, так и для городских квартир. Имя этой проблемы - жесткость воды. И если на качество питьевой воды жесткость хоть и влияет, но не столь сильно, то для современной бытовой техники, автономных систем горячего водоснабжения и отопления, новейших образцов сантехники необходимость борьбы с жесткостью крайне актуальна.
1. Вода. Особенности тепловых свойств воды
Вода - одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца еще не понята. Внешне вода кажется достаточно простой, в связи с чем долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen - от греч. hydrogenes), которое можно истолковать как «порождающий воду».
Дальнейшее исследование показали, что за незатейливой химической формулой Н2О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами.
Первая особенность воды: вода - единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум.
Изза того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37?С, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38?С.
Вторая особенность воды: теплоемкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определенное ее количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, - по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло.
Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, т.е. воду очень трудно заморозить, а лед - растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.
Имеются особенности и в поведении объема воды. Плотность большинства веществ - жидкостей, кристаллов и газов - при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4?С (точнее, до 3,98?С) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4?С, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4?С (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0?С.
Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности более чем на 8% тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.
2. Физические свойства воды
Несмотря на свой, казалось бы, предельно простой химический состав, вода - одно из самых загадочных веществ на Земле. Достаточно упомянуть, что это единственное химическое вещество, которое существует в условиях нашей планеты одновременно в трех агрегатных состояниях - газообразном, жидком и твердом.
Физические свойства воды своеобразны. Не совсем обычна зависимость вязкости жидкой воды от давления: в области сравнительно низких давлений при температурах до 30?С вязкость с ростом давления уменьшается. Вода - полярная, и жидкая вода, и лед являются диэлектриками. Вода диамагнитна. Свойства воды зависят от ее изотопного состава. Так, давление пара D2 O при 20?С на 13% ниже, чем пара Н2 O.
Высокая диэлектрическая проницаемость, большой дипольный момент молекулы, обеспечивающие хорошую растворимость в воде многих веществ, широкий температурный интервал существования жидкого состояния наряду с распространенностью воды обуславливают ее широкое применение для многих технологических процессов.
3. Химические свойства воды
Вода - простейшее устойчивое химическое соединение водорода и кислорода (окись водорода - Н2O), одно из самых распространенных соединений в природе, играющее исключительно важную роль в процессах, происходящих на Земле.
Известно 3 изотопа водорода (1 Н - протий; 2 Н, или Д, - дейтерий; 3 Н, или Т, - тритий) и 6 изотопов кислорода (14 О, 15 О, 16 О, 17 О, 18 О, 19 О), так что существует большое количество изотопных разновидностей молекул воды. Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с ядрами О и Н в вершинах.
Химически чистая вода состоит почти исключительно из молекул Н2O. Незначительная доля молекул (при 25?С - примерно одна на 5·109) диссоциирует по схеме
Н2 O - Н ОН-
Протон Н в водной среде существовать в свободном состоянии не может и, взаимодействуя с молекулами воды, образует комплексы Н5 О2 . Хотя степень диссоциации в воде ничтожна, она играет большую роль в химических процессах, происходящих в различных системах, в том числе и биологических. В частности, она является причиной гидролиза солей слабых кислот и оснований и некоторых других реакций, протекающих в воде.
Вода взаимодействует со многими элементами и веществами. Так, при реакции воды с наиболее активными металлами выделяется водород и образуется соответствующая гидроокись. При реакции со многими окислами образуются кислоты или основания. Вода гидролизует гидриды и карбиды щелочных и щелочноземельных металлов и другие вещества.
Жесткость воды и методы ее устранения
4. Определение жесткости воды
Природная вода обязательно содержит растворенные соли и газы (кислород, азот и др.). Присутствие в воде ионов Mg2 и Са2 и некоторых других, способных образовывать твердые осадки при взаимодействии с анионами жизненных органических кислот, входящих в состав различных мыл (например, со стеарат-ионом С17 Н35 СОО2- ), обуславливает так называемую жесткость воды.
Во всех просмотренных нами научных источниках, понятие жесткости воды обычно связано с катионами кальция (Са2 ) и в меньшей степени магния (Mg2 ). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na ) таким свойством не обладают.
В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются: Катионы Анионы
Кальций (Са2 ) Гидрокарбонат (HCO3-)
Магний (Mg2 ) Сульфат (SO42-)
Стронций (Sr2 ) Хлорид (Cl-)
Железо (Fe2 ) Нитрат (NO3- )
Марганец (Mn2 ) Силикат (SIO32- )
На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3 ) и трехвалентное железо (Fe3 ) также влияют на жесткость, но при уровнях РН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, "вклад" в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва2 ).
Чем выше концентрация указанных двухзарядовых катионов Mg2 и Са2 в воде, тем вода жестче. Наличие в воде этих катионов приводит к тому, что при использовании, например, при стирке, обычного мыла (но не синтетического моющего средства) часть его расходуется на образование с этими катионами нерастворимых в воде соединений так называемых жирных кислот (мыло представляет собой смесь натриевых и калиевых солей этих кислот): жесткость вода устранение
2С17Н35СОО- Са2 = (С17Н35СОО)2Саv
2С17Н35СОО- Mg2 = (С17Н35СОО)2Mgv и пена образуется лишь после полного осаждения ионов.
Мыла - это натриевые (иногда калиевые) соли органических кислот, и их состав можно условно выразить формулой NAR или KR, где R - кислотный остаток. Анионы R образуют с катионами кальция и магния нерастворимые соли CAR2 и MGR2. На образование этих нерастворимых солей и расходуется бесполезно мыло. Таким образом, при помощи мыльного раствора мы можем оценить общую жесткость воды, общее содержание в ней ионов кальция и магния.
Ионы кальция (Ca2 ) и магния (Mg2 ), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий. В маломинерализованных водах больше всего ионов кальция. С увеличением степени минерализации содержание ионов кальция быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния в минерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых водах нескольких десятков граммов.
В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой.
Жесткость - это особые свойства воды, во многом определяющие ее потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение.
Для тушения пожаров, полива огорода, уборки улиц и тротуаров жесткость воды не имеет принципиального значения. Но в ряде случаев жесткость воды может создать проблемы. При принятии ванны, мытье посуды, стирке, мытье машины жесткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая. Это обуславливается некоторыми фактами: · При использовании мягкой воды расходуется в 2 раза меньше моющих средств;
· Жесткая вода, взаимодействуя с мылом, образует “мыльные шлаки”, которые не смываются водой и оставляют малосимпатичные разводы на посуде и поверхности сантехники;
· Во многих промышленных процессах соли жесткости могут вступить в химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты.
Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях, чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Накипь является причиной 90% отказов водонагревательного оборудования. Поэтому к воде, подвергаемой нагреву в котлах, бойлерах и т.п. предъявляются на порядок более высокие требования по жесткости. Тонкий слой накипи на греющей поверхности вовсе не безобиден, так как продолжительность нагревания через слой накипи, обладающей малой теплопроводностью, постепенно возрастает, дно прогорает все быстрее и быстрее - ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться так, что дно сосуда не выдержит и начнет протекать. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы.
Жесткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает еще и моющие свойства мыла. Катионы Ca2 и Mg2 реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства. А при стирке тканей жесткой водой образующиеся нерастворимые соединения осаждаются на поверхности нитей и постепенно разрушают волокна.
Различают временную и постоянную жесткость воды. Обусловлено это различие типом анионов, которые присутствуют в растворе в качестве противовеса кальцию и магнию.
Временная жесткость воды обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов, например, гидрокарбоната кальция Ca(HCO3 )2 и магния Mg(HCO3 )2.
При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната: Ca(HCO3)2 = САСО3 v СО2^ Н2О, Mg(HCO3)2 = Mg2(ОН)2 СО3v 3СО2^ Н2О, и жесткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жесткость называют временной.
Остальная часть жесткости, сохранившаяся после кипячения воды, называется постоянной жесткостью (или некарбонатная) . Она обусловлена присутствием в ней сульфатов, хлоридов и других растворимых соединений кальция и магния, которые хорошо растворимы и так просто не удаляются.
Также различают и общую жесткость воды . Она определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.
Жесткость воды измеряется в миллиграммах эквивалент на литр (м-экв/л). Обычно, жесткой вода считается с жесткостью 1 м-эвк/л и более.
Единицы измерения жесткости воды Миллиграмм на литр, мг/л Миллиграмм эквивалент на литр, м-экв/л
Мягкая <17,1 мг/л <0,35 мг-экв/л
Средней жесткости 60-120 мг/л 1,2-2,4 мг-экв/л
Жесткая 120-0180 мг/л 2,4-3,6 мг-экв/л
Очень жесткая >180 мг/л >3,6 мг-экв/л
Особенно большой жесткостью отличается вода морей и океанов. Так, например, кальциевая жесткость воды в Черном море составляет 12 мг-экв/л, магниевая - 53,5 мг-экв/л, а общая - 65,5 мг-экв/л. В океанах же средняя кальциевая жесткость равняется 22,5 мг-экв/л, магниевая - 108 мг-экв/л, а общая - 130,5 мг-экв/л.
5. Методы определения жесткости
5.1 Обзор возможных методов
Для определения жесткости могут быть использованы: · визуально-колориметрический метод, пригодный для анализа воды с очень малой жесткостью порядка десятых долей микрограмм - эквивалента в литре;
· объемный олеатный метод, применяемый относительно редко, обычно в тех случаях, когда трилонатный метод оказывается неэффективным.
· кислотно-основное титрование.
Колориметрический метод
Этот метод основан на различной интенсивности окраски хром темно - синего в зависимости от концентрации ионов Са2 и Mg2 в анализируемой воде и может быть использован для быстрого определения малых жесткостей воды (от 10 мкг - экв/л).
Олеатный метод
Этот метод основан на малой растворимости олеатов кальция и магния. Поэтому добавление раствора олеата калия к анализируемой пробе воды и ее взбалтывание вызывает сначала осаждение всех содержащихся в воде ионов кальция и магния в виде олеата, и лишь затем избыток олеата калия приводит к образованию устойчивой пены, что и служит признаком окончания титрования.
Минимальное количество олеата, уже вызывающее при взбалтывании пробы воды появление пены, зависит от концентрации в ней ионов кальция и магния. Эта зависимость не имеет характера прямой пропорциональности и является более сложной, что указывает на отсутствие простых стехиометрических соотношений при взаимодействии олеата калия с ионами щелочноземельных металлов.
Отсутствие стехиометрической закономерности не является, однако, препятствием для использования олеатного метода в целях определения жесткости, так как при соблюдении точного оговоренных условий в отношении температуры титруемой жидкости, ее объема, величины РН, частоты и интенсивности взбалтывания, характера пены, скорости прибавления олеатного раствора и т.д. можно получать этим методом хорошо воспроизводимые результаты.
Олеатный метод определения жесткости применим для анализа вод, жесткость которых не превышает 0,5 мг-экв/л. Наименьшая жесткость, которая может быть достаточно надежно зафиксирована олеатным методом, составляет 2 мкг - экв/л. Таким образом, чувствительность этого метода практически такая же, как и трилонометрического.
Метод кислотно-основного титрования
В основе кислотно-основного титрования в водных растворах лежат реакции взаимодействия между кислотами и основаниями: Н ОН- = Н2О
С помощью этого метода прямым титрованием можно определить концентрацию кислоты или основания или содержание элементов, образующих кислоты или растворимые основания (например, фосфора - в виде фосфорной кислоты, мышьяка - в виде мышьяковой кислоты и т.п.)
Обратным титрованием или косвенными методами находят содержание некоторых солей (например, солей аммония, кальция и др.). Применяя специальные приемы, титруют смеси кислот с их солями, смеси кислых и средних солей и т.д.
5.2 Обоснование комплексонометрического метода
Введение комплексонов в аналитическую практику расширило возможности химического анализа вообще и объемного метода в частности.
Наиболее ценным свойством комплексонов, широко используемым в анализе, является их способность давать внутрикомплексные соли с ионами щелочноземельных металлов: магнием, кальцием и барием, которые, как известно, трудно или невозможно перевести в комплексные соединения другими средствами.
Комплексы, образуемые комплексонами с большинством катионов металлов, весьма устойчивы, что вполне обеспечивает практически полное связывание определяемого металла в комплекс.
Объемно - аналитические методы анализа отличаются простотой, скоростью, что имеет решающее значение в практике промышленных лабораторий. Но до введения комплексонов объемно-аналитическими методами можно было определять лишь ограниченное число металлов. Комплексоны же позволяют определять объемными методами почти все металлы. Только ЭДТА образует комплексы с 44 катионами, из которых только Ag , Hg2 , Ва2 и катионы щелочных металлов обычно комплексонометрически не определяются.
Большим достоинством комплексонов является то, что в ряде случаев представляется возможность титровать одни катионы в присутствии других, не прибегая к предварительному их разделению.
Комплексоны, являясь кислотами или их кислыми солями, при взаимодействии с катионами независимо от их степени окисления образуют ионы водорода, например: Са2 Н2Y2-> CAY2- 2Н
Поэтому титрование комплексонами можно проводить по методу нейтрализации, пользуясь кислотно-основными индикаторами.
Комплексонометрически можно определять не только катионы, но и анионы. Например, фосфат-ион в анализируемом растворе можно осадить солью магния, отделить осадок, растворить и в полученном растворе оттитровать магний рабочим раствором комплексона.
Комплексонометрия предъявляет высокие требования к чистоте применяемых реактивов и дистиллированной воды, в качестве которой лучше применять бидистиллят, полученный в аппарате из химически стойкого стекла.
Аналитические свойства комплексонов не исчерпываются применением их в объемном анализе. Они позволяют облегчить выполнение многих определений и в гравиметрическом анализе, так как могут связывать мешающие ионы в практически недиссоциированные комплексы, освобождая аналитика от отделения их осаждением.
В заключение обзора аналитических свойств комплексонов следует отметить их применимость и в физико-химических методах анализа - в фотометрии, потенциометрии, полярографии и др.
5.3 Теоретические основы комплексонометрического метода
В основе метода комплексонометрии лежит образование комплексных соединений анализируемых катионов с органическими реагентами - комплексонами. В комплексонометрическом анализе в качестве рабочего вещества чаще всего используют трилон Б.
Трилоном Б называется двузамещенная натриевая соль органической этилендиаминотетрауксусной кислоты.
Трилон Б - это фирменное название вещества; его называют также хелатон, версен, комплексон III.
Это соединение легко образует прочные внутрикомплексные соли со многими катионами. Соли образуются, с одной стороны, за счет замещения металлом водорода карбоксильных групп, с другой - за счет образования координационных связей между ионами металла и атомами азота.
При комплексонометрическом титровании к раствору, содержащему определяемые ионы, добавляют постепенно титрованный раствор комплексона. По мере титрования определяемые ионы связываются в комплекс, и в точке эквивалентности они практически отсутствуют в растворе. Реакцию в общем виде можно записать так: Mg2 Na2H2Tp = Na2MGTP 2H
Чтобы реакция комплексообразования шла до конца, нужно связать выделяющиеся ионы водорода. Поэтому при титровании к анализируемому раствору добавляют смесь хлорида и гидроксида аммония - аммиачно-буферный раствор.
Для определения момента окончания титрования служат индикаторы - вещества, образующие окрашенные соединения с ионами кальция и магния или с одним из этих катионов. Такими индикаторами являются кислотный хром синий К, дающий переход от розовой к серо-голубой окраске при РН=10-11; магнезон и эриохром черный Т, называемый также хромом черным специальным ЕТ00, изменяющие окраску от вино-красной к синей; мурексид и др.
Индикаторы обладают различной чувствительностью, т.е. их окрашенные соединения с ионами кальция и магния возникают при различных, но определенных для данного индикатора и для выбранных условий концентрациях этих ионов (табл.1.1). Например, эриохром черный Т образует окрашенное соединение с кальцием при концентрации этого иона около 7 мкг - экв/л; по отношению к ионам магния этот индикатор более чувствителен, и окраска возникает уже при 4 - 5 мкг-экв/л.
Таблица 1.1
Индикатор Четкая окраска отмечается при концентрации, мкг-экв/л Значение РН
Са2 Mg2
Эриохром черный Т 7 4 - 5 8 - 10
Кислотный хром темно-синий 2 1 9 - 10
Кислотный хром синий К 2 1 8 - 10
Кислотный однохром синий 4 1 9 - 10
Мурексид 1 - 10
В таблице 1.1 приведены концентрации ионов, при которых окраска изменяется достаточно четко и при титровании визуально хорошо отмечается.
В то же время, если взять ряд растворов с различной концентрацией магния, например, 0; 0,2; 0,5; 0,7; 1,0; 1,5 мкг - экв/л, то при добавлении к таким растворам индикатора хром темно-синего или хром синего К визуально можно различить разницу в оттенках получающихся окрасок.
Таким способом можно определять визуальным колориметрированием малые величины жесткости. Для повышения чувствительности следует только предварительно превратить кальциевую жесткость в магниевую. Это можно выполнить, добавляя в анализируемую жидкость раствор трилоната магния. Поскольку комплекс с кальцием имеет большую прочность, то будет протекать реакция: Са2 Na2MGTP.> Mg2 Na2САТР. и ионы кальция будут заменены в анализируемой воде ионами магния в эквивалентном отношении.
Устойчивость комплекса существенно зависит от РН раствора. Поэтому комплексонометрическое титрование ведут в заданном интервале РН, используя различные буферные растворы.
Методом комплексонометрии можно определить катионы магния, кальция, цинка, алюминия, бария, свинца и многие другие - более 40 различных катионов. Этот метод широко применяется для определения жесткости воды.
6. Методы устранения жесткости воды
Для избавления от временной жесткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната: Ca(HCO3)2 = САСО3 v СО2^ Н2О, Mg(HCO3)2 = Mg2(ОН)2 СО3v 3СО2^ Н2О, и жесткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жесткость называют временной.
С ионами железа реакция протекает сложнее изза того, что FECO3 неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)3, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.
Умягчить жесткую воду можно и обработкой воды различными химическими веществами. Так, временную (карбонатную) жесткость можно устранить добавлением гашеной извести: Са2 2НСО3 Са2 2ОН- = 2САСО3 v 2Н2 О
Mg2 2НСО3- Са2 ЧОН- = Mg(ОН)2 v 2САСО3v 2Н2О.
При одновременном добавление извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жесткости (известково-содовый способ). Карбонатная жесткость при этом устраняется известью, а некарбонатная - содой: Са2 СО2-3 = САСО3 v
Mg2 СО2-3 =MGCO3 и далее
Mg СО3 Са2 2ОН- =Mg(ОН)2v САСО3v
Вообще, с постоянной жесткостью бороться труднее. Кипячение воды в данном случае не приводит к снижению ее жесткости.
Для борьбы с постоянной жесткостью воды используют такой метод, как вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лед превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жесткость, остаются в не замершей воде.
Еще один способ борьбы с постоянной жесткостью - перегонка, т.е. испарение воды с последующей ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, то они остаются, а вода испаряется.
Также, чтобы избавиться от постоянной жесткости, можно, например, к воде добавить соду: CACL2 Na2 CO3 = CACO3 v 2NACL.
Также известны методы обработки воды (магнитное и электромагнитное воздействие, добавление полифосфатов или других "антинакипинов"), позволяющие на время "связать" соли жесткости, не давая им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи. Однако эти методы не нейтрализуют соли жесткости химически и поэтому нашли ограниченное применение в водоподготовке технической воды. Единственным же экономически оправданным методом удаления из воды солей жесткости является применение ионообменных смол. Пропуская воду через слой специального реагента - ионообменной смолы (ионита), ионы кальция, магния или железа переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят ионы Н или Na , и вода умягчается, ее жесткость снижается.
Но такие методы, как замораживание и перегонка, пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность имеет дело с тоннами. Поэтому для устранения жесткости в данном случае принимается современный метод устранения - катионный. Этот способ основан на применении специальных реагентов - катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия. Катиониты - синтетические ионообменные смолы и алюмосиликаты.
Их состав условно можно выразить общей формулой Na2 R. Если пропускать воду через катиониты, то ионы Na будут обмениваться на ионы Са2 и Mg2 .
Схематически эти процессы можно выразить уравнением: Ca2 Na2R = 2Na CAR
Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, а ионы натрия - из катионита в раствор, жесткость при этом устраняется.
Катиониты обычно регенерируют - выдерживают в растворе NACL, при участии которого происходит обратный процесс: CAR 2Na = Na2 R Ca2
Регенерированный катионит снова может быть использован для умягчения новых порций жесткой воды.
С последствием жесткости воды - накипью, с точки зрения химии, можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.
В качестве средства для удаления накипи применяются также адипиновая кислота и малеиновый ангидрид, которые добавляются в воду. Эти вещества слабее сульфаминовой кислоты, поэтому для снятия накипи необходимо так же кипячение.
Эффективным способом борьбы с высокой жесткостью считается применение автоматических фильтров-умягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде "жесткие" соли заменяются на "мягкие", которые не образуют твердых отложений.
Автоматический умягчитель представляет собой пластиковый корпус с управляющим блоком и баком для приготовления и хранения регенерирующего раствора. Жесткая вода, поступая в фильтр, проходит через слой засыпки из высококачественной ионообменной смолы. При этом происходит изменение химического состава растворенных солей за счет замены ионов кальция и магния на ионы натрия, которыми насыщена смола. В момент, когда поглощающая способность смолы снижается до определенного уровня, блок управления автоматически начинает цикл регенерации.
Периодичность регенерации определяется количеством воды, которое может пройти через умягчитель до его полного истощения, и рассчитывается с учетом множества факторов, таких как параметры смолы, качество воды, величины ее расхода и т.д. Сигнал на начало регенерации в управляющий блок подается специальным расходомером. Непосредственно восстановление свойств ионообменной смолы осуществляется при подаче в фильтр водного раствора высокоочищенной поваренной соли (NACL) за счет обратного замещения накопленных в смоле ионов кальция и магния на ионы натрия. Затем все загрязнения вымываются из фильтра в дренаж.
В зависимости от размеров умягчителя цикл регенерации/промывки может продолжаться до 2-3 часов. Во время регенерации разбор воды производить не рекомендуется, так как на выход будет поступать несмягченная вода. Именно по этой причине большинство одиночных систем (состоящих из одного фильтра с одним блоком управления) запрограммированы таким образом, чтобы регенерация производилась только в ночное время.
Современные синтетические смолы чрезвычайно надежны и долговечны, позволяют работать на высоких скоростях потоков, благодаря чему находят применение в системах с высокой производительностью. Срок службы смолы может достигать 6 - 8 лет в зависимости от качества исходной воды (и, как следствие, от количества фильтроциклов).
В настоящее время, благодаря большому разнообразию смол, фильтры-умягчители помимо своего основного назначения могут быть использованы также для удаления из воды железа и марганца, тяжелых металлов, органических соединений, а также селективного удаления нитратов, нитритов, сульфидов и т.п.. Значение жесткости воды
Как мы уже говорили, жесткость воды определяется содержанием в воде растворенных солей кальция и магния, которые при нагревании выпадают в осадок, образуя налет, всем хорошо известный как накипь. Сравнительно безобидная на стенках чайника накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин (недаром дорогие модели бытовой техники снабжены встроенными умягчителями).
Накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин
На бытовом же уровне жесткость проявляет себя значительным (на 30-50%) перерасходом моющих средств при стирке белья и умывании, а также ухудшением потребительских свойств воды. При кипячении достаточно жесткой воды на ее поверхности образуется пленка, а сама вода приобретает характерный привкус. При заваривании чая или кофе в такой воде может выпадать бурый осадок, теряется вкусовые качества чая. В жесткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи невкусны. К тому же диетологами установлено, что в жесткой воде хуже разваривается мясо. Связано это с тем, что соли жесткости вступают в реакцию с животными белками, образуя нерастворимые соединения. Это приводит к снижению усвояемости белков.
С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус.
Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.
Вместе с тем, в зависимости от РН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень строгие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л).
К сожалению, далеко не всем известно также о неблагоприятном влиянии жесткости на здоровье человека при умывании.
Связано это с тем, что при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) может происходить образование нерастворимых "мыльных шлаков" в виде пены. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жестких" волос хорошо известное многим). При этом разрушается естественная жировая пленка, которой всегда покрыты здоровые волосы и нормальная кожа, забиваются поры, появляются сухость, шелушение, перхоть. Первым тревожным признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых людей раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой, является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она-то и скользит. В противном случае, приходится пользоваться лосьонами, умягчающими и увлажняющими кремами, необходимые для восстановление защиты. Недаром косметологи рекомендуют использовать для умывания очень мягкую дождевую или талую воду.
Как мы уже говорили, «мыльные шлаки» в виде пены, высыхая, остается на сантехнике, белье и т.д. В результате, ткань становится грубой и неэластичной; она перестает пропускать воздух и влагу. Портится и внешний вид изделия: ткань приобретает серо-желтый оттенок, блекнут краски рисунка. Осевшие на ткани "известковые мыла" лишают ее прочности.
Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня РН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.
Список литературы
1. Белянин В. Жизнь, молекула воды и золотая пропорция // Наука и жизнь. - 2004г. - № 10. - с. 2-9.
