Жорсткість води, усунення
Природна вода зазвичай містить різні розчинені солі та інші домішки, небажані для використання води в промисловості та побуті. Найбільш чистою є дощова вода, але і вона містить деякі кількості різних речовин, які вона захоплює, проходячи через атмосферу.
Поняття «Жорсткість води»
Тимчасова (карбонатна) жорсткість
Обумовлена присутністю гідрокарбонатів кальцію і магнію Ca (HCO3) 2 і Mg (HCO3) 2. Наявність цих солей у воді пояснюється розчиненням карбонатів кальцію і магнію під дією природної води і розчиненого в ній вуглекислого газу (діоксиду вуглецю) при контакті з породами (таких як, доломіт або гіпс), що містять ці солі, наприклад:
Карбонатна жорсткість називається тимчасової тому, що ці солі розкладаються просто при кип'ятінні води.
Постійна жорсткість
Обумовлена присутністю у воді, головним чином, сульфатів і хлоридів кальцію і магнію CaSO4. MgSO4. СаСl2. MgCI2. Найбільш складним для видалення є сульфат CaSO4. що володіє невеликою розчинністю.
В сумі тимчасова і постійна жорсткість складають загальну жорсткість води:
ВУкаіни жорсткість води характеризується числом міліграм-еквівалентів іонів кальцію і магнію, що містяться в одному літрі води. Один міліграм-еквівалент (мг-екв) жорсткості відповідає змісту 20,4 мг / л іонів Са 2+ і 12,16 мг / л іонів Mg 2+ (20,04 мг Са 2+ і 12,16 мг Mg 2+ - міліграм-еквівалентні маси цих катіонів, тобто питомої маси 1 10 -3 еквівалентів цих іонів).
Так як в воді, як правило, містяться одночасно катіони обох металів, то жорсткість води визначається наступним виразом:
У таблиці 1 наведені величини жорсткості води деяких рекУкаіни в літню пору.
Таблиця 1. Величини жорсткості води в літній період.
Співвідношення карбонатних і Постійної жорсткості води визначається породами, омиваються вододжерел.
Поняття «Лужність води»
Лужність води визначається сумою що містяться у воді гідроксильних іонів і аніонів слабких кислот - вугільної, органічних, а також бікарбонатних і карбонатних іонів. Таким чином, значення лужності води є складовим Жорсткості з боку аніонів.
Розрізняють бикарбонатную, карбонатну і гідрадну лужність.
Під лужністю природних або очищених вод розуміють спроможність деяких їхніх компонентів зв'язувати еквівалентну кількість сильних кислот. Лужність обумовлена наявністю у воді аніонів слабких кислот (карбонатів, гідрокарбонатів, силікатів, боратів, сульфітів, гідросульфітів, сульфідів, гідросульфідів, аніонів гумінових кислот, фосфатів). Їх сума називається загальною лужністю. Загальна лужність води звичайно визначається тільки аніонами вугільної кислоти (карбонатна лужність). Аніони, гідролізуючись, утворюють гідроксид-іони:
CO3 2- + H2 O <=> HCO3 - + OH-
HCO3 - + H2 O <=> H2 CO3 + OH-
Таким чином, лужність визначається кількістю сильної кислоти, необхідної для нейтралізації 1 дм3 води. Лужність більшості природних вод визначається тільки гідрокарбонатами кальцію і магнію, pH цих вод не перевищує 8,3.
Усунення жорсткості іонообмінним методом
У світі існують різні способи усунення жорсткості (термічний (кип'ятіння), реагентний, діаліз, іонного обміну). Вибір методу пом'якшення, як правило, визначається якістю вихідної води, необхідної глибиною пом'якшення і техніко-економічними факторами. У нашій компанії поширений метод іонного обміну (катіонітових), на якому ми докладніше зупинимося.
Метод іонного обміну заснований на обміні іонів Са 2+ і Mg 2+. що містяться у воді, на іони Na 2+ або H + шляхом пропускання води через іоніти.
В якості фільтруючого завантаження виступає катіонообменная смола. Процес усунення жорсткості води методом іонітні очищення з використанням Н-катіоніту можна описати наступними рівняннями:
В останньому випадку усунення жорсткості супроводжується утворенням сильної соляної кислоти, яка буде викликати корозію труб і інших металевих конструкцій. Щоб уникнути цього, краще використовувати Na-катіоніт:
Наведені реакції показують, що при натрій-катіонірованіе карбонатні жорсткість вихідної води переходить в пом'якшеній воді в натрієву лужність. Іншими словами, при натрій-катіонірованіе величина лужності води не змінюється, що є основним недоліком цього процесу. Не змінюється також і аніонний склад води: присутні у вихідній воді аніони SO4 2-. Cl - і інші цілком переходять в пом'якшену воду. Відбувається лише більш-менш повна заміна катіонів кальцію і магнію катіонами натрію, внаслідок чого жорсткість натрій-катіонірованной води знижується, а сухий залишок її дещо зростає.
М'які води відповідають усім вимогам, що пред'являються багатьма галузями промисловості до води для охолодження або отримання пара. М'які води піддаються мінімальній обробці при створенні синтетичного волокна, пластмас, приготування розчинів мила і багато чого іншого. У м'яких водах пригнічується життєдіяльність бактерій, що дозволяє знижувати дози біоцидів в оборотній воді.
Однак, крім своїх позитивних властивостей, м'які води приховують в собі ряд серйозних недоліків, одним з яких є підвищена корозійна активність до основних матеріалів водопроводу. Пов'язано це з недоліком іонів жорсткості в воді. Для оцінки корозійної активності були розроблені різні індекси, в тому числі індекс Ланжельє і індекс стабільності Різнер.
Індекс Ланжельє і індекс стабільності Різнер
Американський вчений Ланжельє в 1936 році для оцінки стабільності розчину запропонував використовувати формулу, засновану на визначенні ступеня насичення розчину карбонатом кальцію. Нестабільність цього розчину призводить до корозії або утворення накипу.
Формула індексу Ланжельє: pH pHs.
Для визначення індексу Ланжельє необхідно наступне:
За допомогою формул визначаються допоміжні коефіцієнти і розраховується проміжне значення - pHs.
Значення Індексу Ланжельє:
індекс Ланжельє <0 образования накипи нет, раствор агрессивен (высокая коррозия);
індекс Ланжельє = 0 розчин стабільний;
індекс Ланжельє> 0 спостерігається утворення накипу, корозії не спостерігається.
Пізніше, в 1944р. Різнер звернув внимани е на те, що шар накипу на поверхні металу може перешкоджати корозії. Грунтуючись на коефіцієнтах розрахунку індексу Ланжельє, Різнер запропонував свою формулу розрахунку стабільності розчину.
Електрохімічна корозія труб
Накип в трубопроводі
RSI = 2pHs - pH
2pHs - pH> 6 розчин схильний до корозії
2pHs - pH = 6 розчин стабільний
2pHs - pH <6 раствор склонен к образованию накипи
У підсумку обидва цих індексу можна привести до однієї класифікації оцінки агресивності вод, наведеної в таблиці 2.