Нормирование качества питьевой воды. Водоподготовка умягчением

   Лабораторная  работа №5. 

   Нормирование  качества питьевой воды.

   Водоподготовка умягчением. 
 

   Цель  работы:

     Ознакомление с основными процессами подготовки питьевой воды на примере умягчения воды. 

     Теоретическое введение. 

    Природная вода представляет собой не чистое индивидуальное химическое соединение, а сложную многокомпонентную систему, содержащую почти все элементы периодической системы. Среди веществ, содержащихся в природных водах, минеральные соли и газы, коллоидные и крупнодисперсные частицы, органические вещества и различные микроорганизмы. Наиболее часто встречаются в природной воде следующие ионы (расположены в порядке убывания частоты их присутствия): 

 

    При загрязнении водоисточников бытовыми сточными водами в воде могут быть обнаружены аммиак, соли аммония, нитриты, нитраты, фосфаты, сульфиды, сероводород.

    При загрязнении воды производственными  стоками в ней появляются ионы Cu²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺, As³⁺, As⁵⁺, радиоактивные вещества, фенолы, нефтепродукты и другие примеси. Большинство из них являются вредными веществами. По мере их накопления в водоемах вода в них становится непригодной для человека. Требуется более глубокая и тщательная очистка воды перед использованием в питьевых и промышленных целях. 

    Воду  с растворенными  в ней солями называют жесткой, а совокупность свойств такой воды — жесткостью. Жесткость — один из главных технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод. Согласно ГОСТ 6055-86 различают карбонатную, некарбонатную и общую жесткость.

    Карбонатная жесткость (Н_к) — это совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней гидрокарбонатов кальция, магния и железа и незначительной части их карбонатов. Часть карбонатной жесткости, которая может быть устранена кипячением, называют устранимой или временной. Последняя меньше карбонатной жесткости на величину так называемой остаточной карбонатной жесткости (Н_ок), обусловленной карбонатами, остающимися в растворе (хотя и незначительно, но они растворимы в воде). Все соли, оставшиеся в растворенном состоянии после кипячения, обусловливают так называемую постоянную или неустранимую жесткость воды (Н_п).

Некарбонатная жесткость (H_нк ) — совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов кальция, магния и железа.

    Общая жесткость (H₀) складывается из карбонатной и некарбонатной жесткости. Общую жесткость также можно рассматривать как сумму постоянной и временной жесткости.

    Количественно жесткость воды в России выражают единицами жесткости. Согласно ГОСТ 6055-86 за единицу жесткости принимают жесткость воды, в 1л которой содержится 1 ммоль экв ионов Са²⁺ или Mg²⁺. Одна единица жесткости по ГОСТ (1 ммоль экв/л) соответствует содержанию ионов кальция, равному 20,04 мг/л или ионов Mg²⁺, равному 12,15 мг/л.В других странах для выражения жесткости воды используют так называемые градусы жесткости:

Градусы жесткости и соответствующее  им содержание веществ

 

    По  величине общей жесткости (ммоль  экв/л) вода подразделяется на:

    очень мягкую — Н₀ < 1,5 ;

    мягкую  — Н₀ = 1,5...3,0;

    среднюю — Н₀ = 3,0...6,0;

    жесткую — Н₀ = 6,0...9,0;

    очень жесткую — Н₀ > 9,0 .

    Общая жесткость природных вод различна: жёсткость вод рек и озер в тайге и тундре составляет 0,1-0,2 ммоль экв/л, морей, океанов, подземных водоемов — 80-100 ммоль экв/л.  

    Нормативные требования к питьевой и технической воде. 

    Пресную природную воду применяют в сельском хозяйстве (~ 82 %), в быту (~ 10 %) и в промышленности (~ 8 %). Она не всегда может быть пригодна для использования в питьевых и промышленных целях из-за присутствия в ней веществ, являющихся вредными для объекта водоснабжения, поэтому различные примеси в водопроводной воде нормируются. Обычно нормируется БПК, содержание бактерий, ионов жесткости и других ионов.

    1.Общая  жесткость питьевой  воды не должна  превышать 7 ммоль экв/л (ГОСТ 2874-82). Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, приводит к нарушению обмена веществ и мочекаменной болезни. Особенно нежелательно присутствие в воде катионов магния, придающих ей горьковатый вкус. Катионы Са²⁺ образуют с белками пищевых продуктов нерастворимые соединения, поэтому в воде с высокой жесткостью плохо развариваются мясо и овощи. Из-за этого такая вода не пригодна и для приготовления напитков.

    Осадки  и пленки образуются при добавлении мыла в жесткую воду. Они представляют собой нерастворимые кальциевые и магниевые соли. По этой причине ухудшается качество тканей при их стирке в жесткой воде, а мыло плохо пенится в морской воде.

    2 Воду, расходуемую промышленными предприятиями, называют технической. Требования к технической воде определяются технологическим процессом. Например, жесткость воды, используемой для производства целлюлозы, не должна превышать 2 ммоль экв/л. Наиболее часто встречающимся компонентом солевых отложений является СаСО₃, поэтому нормируется жёсткость в воде, используемой в котлах. Переходя в пар и затем, осаждаясь на лопатках турбин, соли жёсткой воды изменяют их профиль и соответственно снижают КПД.  

    Основные  процессы водоподготовки. 

    Обработка воды, или водоподготовка, это комплекс технологических процессов по приведению качества воды в соответствие с требованиями потребителей. Она включает мероприятия по осветлению и обесцвечиванию, стабилизации, фторированию (или обесфториванию), опреснению, обессоливанию (обезжелезиванию, обескремниванию), дегазации, умягчению воды.

    Умягчение - это устранение или снижение жесткости  воды. Это один из главных процессов водоподготовки, заключающийся в удалении из воды катионов Са²⁺ и Mg²⁺ . 

    Методы  устранения (снижения) жесткости воды. 

    Существуют  три основных метода: термической обработки, химической обработки, ионного обмена.

    1. Термическая обработка воды.

      Сущность этого метода заключается  в предварительном нагревании воды до 70-80°С и ее кипячении. Метод позволяет устранить только временную жесткость, обусловленную наличием в воде хорошо растворимых гидрокарбонатов кальция, магния и железа. При этом катионы Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ осаждаются в виде нерастворимых соединений:

                      Са(НСО₃)₂ → CaCO₃ ↓ +CO₂ ↑ +H₂O

                      2Mg(HCO₃)₂ → Mg₂(OH)₂CO₃ ↓ + 3CO₂ ↑ + H₂O

                      4Fe(HCO₃)₂ + О₂ → 4FeO(OH)↓ + 8CO₂↑ +2H₂O

Если  временная жесткость предварительно не была устранена, то вышеприведенные  процессы протекают при нагревании воды в паровых котлах, системах водяного отопления и охлаждения, бытовой металлической посуде с образованием в них слоя накипи из нерастворимых соединений. Это снижает коэффициент теплопередачи и ухудшает их теплотехнические характеристики. При этом происходит перерасход топлива и перегрев металлических поверхностей. Чем больше железа содержится в воде, тем более бурым является цвет накипи.

    2. Химическая обработка  воды (реагентный  метод).

    Этот  метод позволяет устранять как  временную жесткость, так и постоянную. Сущность его заключается в обработке  воды специальными реагентами, образующими  с ионами, вызывающими жесткость, малорастворимые соединения.

    К числу таких реагентов относятся: сода (Na₂CO₃), негашеная (СаО) и гашеная (Са(ОН)₂) извести, различные фосфаты натрия (Na,PO₄, Na₆P₆O₁₈ и др.).

    При обработке воды известью (гашеной  или негашеной) устраняется временная  жесткость воды. Процесс называется известкованием или декарбонизацией и описывается уравнениями:

                      Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ → 2СаСО₃↓ + 2Н₂О 

                      Са(НСО₃)₂ + СаО → 2СаСО₃↓ + Н₂О     

    В отличие от извести, уменьшающей только временную жесткость, сода и фосфаты натрия позволяют устранить и временную, и постоянную жесткость воды. Происходящие при этом процессы описываются следующими уравнениями:

                      Са(НСО₃)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaHCO₃

                      CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄

                      3Са(НСO₃)₂ + 2Na₃PO₄ → Са₃(РО₄)₂↓ + 6NaHCO₃

                      3СаСl₂ +2Na₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6NaCl

    Для одновременного устранения карбонатной  и некарбонатной жесткости широкое  распространение в промышленности получил известково-содовый метод: обработка воды смесью СаО и Na₂CO₃. Вода, умягченная этим способом, имеет остаточную жесткость, равную 0,5-1,0 ммоль экв/л. Он становится еще более эффективным, если его проводить при нагревании, сочетая достоинства химического и термического методов (так называемое термохимическое умягчение). Остаточная жесткость воды в этом случае уже не превышает 0,3 ммоль экв/л.

    3. Ионообменный метод.

    Это современный физико-химический метод, позволяющий не только уменьшить  жесткость воды, но и достичь ее глубокой очистки. Вода после ионообменной обработки практически не содержит посторонних ионов: ни катионов, ни анионов, поэтому обладает низкой электрической проводимостью. Такая вода широко используется в электронной промышленности. Метод основан на способности некоторых веществ, нерастворимых в воде, обменивать свои ионы на ионы внешней среды (воды, растворов электролитов). Вещества, обладающие таким свойством, называются ионо-обменниками (ионообменными сорбентами) или сокращенно ионитами. Они состоят из каркаса (матрицы) и закрепленных на нем ионогенных (активных, или функциональных) или комплексообразующих групп.