Реферат подготовил Пулатов Х.Л.
Ташкентский химико-технологический институт
Кафедра иностранных языков
Ташкент – 2005
Введение
Жесткость воды
Накипь и отложения солей на бытовой технике (например, в чайниках), белые хлопья в воде, пленка на чае и т.д. - все это показатели жесткой воды. Использование такой воды для хозяйственных целей вызывает ряд неудобств. Например, увеличивается расход мыла при стирке, медленно развариваются мясо и овощи, уменьшается срок службы бытовой техники. В настоящее время известна взаимосвязь жесткости воды и образования камней в почках. Жесткость питьевой воды по действующим стандартам должна быть не выше 7 мг-экв/л, и лишь в особых случаях допускается до 10 мг-экв/л. Для производственных целей использование жесткой воды недопустимо.
Общая жесткость воды - это совокупность свойств, обусловленных содержанием в ней ионов кальция и магния. Если концентрация этих ионов велика, то воду называют жесткой, если мала - мягкой. При большом содержании ионов магния, вода горьковата на вкус и оказывает послабляющее действие на кишечник. Различают карбонатную и некарбонатную жесткость. Карбонатная жесткость вызвана присутствием растворенных гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются с образованием осадков малорастворимых карбонатов CaCO3, т.о. жесткость уменьшается, поэтому карбонатную жесткость называют временной. Т.о., при кипячении ионы Mg2+ и Ca2+ осаждаются в виде карбонатов. Например: Жесткость, сохраняющаяся после кипячения воды, называется постоянной или некарбонатной. Она обусловлена растворенными в воде кальциевыми и магниевыми солями сильных кислот (сульфатами и хлоридами). Жесткую воду перед употреблением умягчают.
Первый способ - реагентный. Т.е., добавление гашеной извести и соды Na2CO3 (известковый способ), добавление полифосфатов.
Второй способ - применение катионитов, т.е., синтетических ионообменных смол (фильтрование).
Ионообменные смолы
Это вещества, способные к ионному обмену при контакте с растворами электролитов. Ионообменная очистка позволяет извлекать и утилизировать широкий спектр загрязняющих веществ: тяжелые металлы, хром, нитраты и нитриты, ПАВ, цианистые соединения, радиоактивные вещества, а также умягчает и обезжелезивает воду. При этом достигается высокая степень очистки (до уровня ПДК). Кроме того иониты используются для обессоливания воды в процессе водоподготовки. Неорганические и органические иониты могут быть природными (например: цеолиты, целлюлоза, торф, древесина) и синтетическими (силикагель, сульфазол и наиболее важные ионообменные смолы).По знаку заряда обменивающихся ионов все иониты делятся на катиониты, проявляющие кислотные свойства и аниониты, обладающие основными свойствами. В зависимости от степени диссоциации ионообменные смолы могут быть сильными и слабыми. В зависимости от рода ионов, которые связаны с активными группами ионита, различают следующие его форму: для катионитов - водородную форму (H - форма) и солевую форму, когда активные группы связаны с ионами металлов (например, Na - форму, NH4 - форму), для анионитов OH - форму, Cl - форму и др.Способность ионита к полному обмену характеризуется обменной емкостью, которая равна числу его активных групп, принимающих участие в обмене. Для количественной характеристики ионообменных свойств ионитов обычно определяют их динамическую и иногда полную (общую) обменную емкость (статическую).Основные требования к ионитам, используемым для очистки воды: высокая обменная емкость, высокая скорость ионного обмена, достаточная устойчивость по отношению к кислотам, щелочам, окислителям и восстановителям, нерастворимость в воде, органических растворителях и растворах электролитов и ограниченная набухаемость. В Водоподготовке в бытовых условиях часто используются сильнокислотные катиониты отечественных и импортных производителей преимущественно для умягчения и обезжелезивания воды. Пример: Состав катионита можно выразить формулой Na2R, где Na+ - весьма подвижный катион. Если пропускать жесткую воду через слои катионита, то ионы натрия обмениваются на ионы кальция и магния:
Ca 2+ + Na2R = 2Na + + CaR
Mg 2+ + Na2R = 2Na + + MgR
Таким образом ионы Ca2+ и Mg2+ переходят из раствора в катионит, а ионы Na+ - из катионита в раствор, и жесткость устраняется. После обеднения катионита ионами Na+ катиониты обычно регенерируют. Их выдерживают в растворе NaCl, где происходит обратное замещение - ионы Na+ переходят в катионит, а ионы Ca2+ и Mg2+ - в раствор:
CaR + 2Na + = Na2R + Ca 2+
MgR + 2Na + = Na2R + Mg 2+
После этого регенерированный катионит может быть использован для смягчения новых порций жесткой воды. Аналогично и для анионитов. На степень регенерации влияет тип ионита, состав насыщенного слоя, природа, концентрация и раствор регенерирующего вещества, температура, время контакта и расход реагентов. Восстановление обменной емкости при регенерации обычно составляет 60 - 100 %. В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются.
| Катионы | Анионы |
| Кальций (Ca2+) | 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+).
Виды жесткости
Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.
Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).
Единицы измерения
В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м3).
Один моль на кубический метр соответствует массовой концентрации эквивалентов ионов кальция (1/2 Ca2+) 20.04 г/м3 и ионов магния (1/2Mg2+) 12.153 г/м3. Числовое значение жесткости, выраженное в молях на кубический метр равно числовому значению жесткости, выраженному в миллиграмм-эквивалентах на литр (или кубический дециметр), т.е. 1моль/м3=1ммоль/л=1мг-экв/л=1мг-экв/дм3.
Кроме этого в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO3.
| Единицы жесткости воды | ||||
| Моль/м3 (мг-экв/л) | Немецкий градус, do | Французский градус, fo | Американский градус | ppm мг/дм3 СаСО3 |
| 1.000 | 2.804 | 5.005 | 50.050 | 50.050 |
Соотношение этих единиц жесткости представлено в следующей таблице:
Примечание:
Один немецкий градус соответствует 10 мг/дм3 СаО или 17.86 мг/дм3 СаСО3 в воде.
Один французский градус соответствует 10 мг/дм3 СаСО3 в воде.
Один американский градус соответствует 1 мг/дм3 СаСО3 в воде.
Происхождение жесткости
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.
Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости.
Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg2+) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах - десятков граммов на один литр воды
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. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3)
Влияние жесткости
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 лежит (в пересчете на мг-эквивалент) 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 и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.