USUWANIE TWARDOŚCI WODY METODAMI TERMICZNYMI

Część teoretyczna

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z termicznymi metodami usuwania twardości wody,

takimi jak gotowanie i destylacja.

Wstęp

Twardość wody jest umownym wskaźnikiem określającym zawartość w niej kationów

dwuwartościowych, głównie wapnia i magnezu, gdyŜ w wodach naturalnych zwykle

występuje znaczna przewaga ilościowa jonów wapniowych i magnezowych w stosunku do

innych kationów. Całkowita zawartość tych jonów w wodzie określana jest jako twardość

ogólna - To.

Twardość

węglanowa

(przemijająca) - Tw

odpowiada

głównie

zawartości

wodorowęglanów wapnia i magnezu. Twardość przemijającą moŜna usunąć przez

zagotowanie wody. Gotowaniu wody towarzyszy osadzanie się na powierzchni naczynia

nierozpuszczalnych węglanów wapnia i magnezu, tworząc tak zwany kamień kotłowy.

Zachodzą następujące reakcje:

Ca(HCO

↓

3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O

Mg(HCO

↓

3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O

Inne mogące występować w wodzie sole wapnia i magnezu takie jak siarczany, azotany

i chlorki nie mogą być tą metodą usunięte. Ich zawartość określa twardość niewęglanowa.

Twardość niewęglanowa jest róŜnicą między twardością ogólną i twardością węglanową.

Tn = To – Tw

Jednostką twardości wody jest mval/dm3 (milival = 10─3 vala). Dla jonów

dwuwartościowych val odpowiada połowie mola. Często stosowane jest równieŜ podawanie

twardości w mg CaCO3/dm3.

Twardość 1 mval/dm3 odpowiada umownie 50 mg CaCO3/dm3 (niezaleŜnie od tego czy

twardość powodują jony wapnia, magnezu czy – najczęściej – ich mieszanina).

Twardość wód naturalnych waha się w szerokich granicach, od 1 do 20 mval/dm3. Wody

uzdatnione mogą mieć twardość bliską 0 mval/dm3.

Twarda woda jest niepoŜądana, zarówno w przemyśle jak i w gospodarstwach domowych, ze

względu

na

konieczność

stosowania

zwiększonej

ilości

detergentów

(środków

powierzchniowo czynnych) oraz na łatwość tworzenia osadów w postaci kamienia.

Dlatego teŜ zalecane jest, aby twardość wody przeznaczonej do celów gospodarczych i do

picia nie przekraczała 7,14 mval/dm3.

Wodzie uŜywanej przez róŜne gałęzie przemysłu stawiane są na ogól specjalne wymagania

dotyczące jej twardości i przewaŜnie dopuszczana jest tylko woda miękka.

Przy ocenie wody stosowanej do zasilania kotłów parowych brana jest pod uwagę nie tylko

jej twardość, lecz równieŜ rodzaj poszczególnych związków wapniowych i magnezowych,

powodujących tę twardość. Najbardziej szkodliwy jest siarczan wapniowy, gdyŜ z niego

powstaje, trudny do usuwania, twardy kamień kotłowy. NiepoŜądanym związkiem jest takŜe

chlorek magnezu, powodujący korozję kotłów parowych.

Opisowe określenia skali twardości, stosowane do wody naturalnej, przedstawione są

w poniŜszej tabeli:

Twardość ogólna

Woda

mval/dm3

mg CaCO3/dm3

<1,5

<75

bardzo miękka

1,5 – 3,0

75 - 150

miękka

3,0 – 6,0

150 - 300

średnio twarda

6,0 - 10

300 - 500

twarda

>10

>500

bardzo twarda

Woda destylowana to woda, która była doprowadzona do wrzenia, a następnie ponownie

skondensowana w chłodnicy, czyli doprowadzona do postaci ciekłej. Proces ten nosi nazwę

destylacji. Rozpuszczone zanieczyszczenia, w tym sole nieorganiczne, pozostają w naczyniu,

w którym zachodzi wrzenie, a woda ulatnia się w postaci pary wodnej.

Teoretycznie proces destylacji powinien doprowadzić do całkowitego usunięcia związków

mineralnych czyli demineralizacji wody. W praktyce do destylatu mogą dostać się niewielkie

ilości soli i dwutlenek węgla.

Znacznie trudniej usunąć jest tą metodą związki organiczne, poniewaŜ temperatura

wrzenia szeregu z nich jest niŜsza niŜ temperatura wrzenia wody, a ponadto wiele związków

organicznych, o wysokich temperaturach wrzenia, podlega tzw. procesowi destylacji z parą

wodną i przedostaje się do destylatu. Przykładem takich związków są pochodne fenolu, które

nadają wodzie nieprzyjemny zapach i nie są usuwane w procesie destylacji.

W przemyśle, ze względu na wysokie koszty energii cieplnej, destylacja rzadko znajduje

zastosowanie na duŜą skalę. Wyjątkiem są instalacje do produkcji wody pitnej w krajach

o duŜym nasłonecznieniu, gdzie w procesie destylacji wykorzystywana jest energia słoneczna.

Roztwór wodny zawierający jony wykazuje właściwość przewodzenia prądu elektrycznego

pod wpływem napięcia przyłoŜonego do zanurzonych w nim elektrod. Właściwość ta nosi

nazwę przewodności elektrycznej. Pomiar przewodności wody daje informacje o zawartości

w wodzie związków mineralnych (przewodność wody wynikająca z obecności

zanieczyszczeń organicznych jest zwykle nieznaczna), a więc moŜe słuŜyć do oceny procesu

usuwania twardości wody. (Więcej na temat przewodności w opisie ćwiczenia „Oznaczanie

parametrów fizykochemicznych wody”).

Część doświadczalna

Sprzęt, szkło i odczynniki

Zestaw do destylacji wody, konduktometr z elektrodą zanurzeniową, naczyńko pomiarowe,

roztwór wzorcowy chlorku potasu o stęŜeniu: 0,0100 mol/dm3, 4 kolby stoŜkowe

o pojemności 250-300 cm3, małe szkiełko zegarkowe, cylinder miarowy o pojemności 250

cm3, pipeta jednomiarowa o pojemności 50 cm3, biureta z roztworem HCl o stęŜeniu

0,05 mol/dm3, wskaźnik - roztwór oranŜu metylowego, lejek ilościowy, sączki średnie.

Usuwanie twardości wody przez gotowanie

Przed rozpoczęciem gotowania oznaczyć twardość przemijającą badanej próbki wody

metodą opisaną na końcu instrukcji.

Do kolby stoŜkowej o pojemności 300 cm3 nalać (przy pomocy cylindra miarowego)

200 cm3 wody, kolbę postawić na siatce umieszczonej na trójnogu i przykryć szkiełkiem

zegarkowym. Następnie ogrzać próbkę płomieniem palnika do wrzenia, gotować – przy

niezbyt intensywnym wrzeniu – przez 5 minut, a następnie na gorąco przesączyć przez sączek

o średniej szybkości sączenia do drugiej kolby. Przesącz ochłodzić do temperatury pokojowej

i ponownie wykonać oznaczenie twardości przemijającej.

Obliczyć jaki procent twardości przemijającej usunięto przez gotowanie wody.

Demineralizacja wody metodą destylacji

Skuteczność procesu destylacji sprawdzić przez pomiar przewodnictwa właściwego.

Pomiar wykonać dla wody przed i po destylacji wg opisu umieszczonego w końcowej części

instrukcji.

Do kolby destylacyjnej nalać, przy pomocy cylindra miarowego, 150 cm3 badanej wody,

wrzucić 2 zarodniki wrzenia, zestawić aparaturę do destylacji i przeprowadzić destylację

wody do uzyskania ok. 100 cm3 destylatu. Destylat ochłodzić do temperatury pokojowej i

zmierzyć przewodność właściwą.

Oznaczanie twardości przemijającej wody

Oznaczenie twardości przemijającej wody polega na miareczkowaniu określonej ilości

badanej wody roztworem kwasu chlorowodorowego o znanym stęŜeniu, w obecności oranŜu

metylowego jako wskaźnika. Podczas miareczkowania wodorowęglany wapnia i magnezu

reagują z kwasem chlorowodorowym wg równań reakcji:

Ca(HCO3)2 + 2 HCl = CaCl2 + 2H2O + 2CO2

Mg(HCO3)2 + 2 HCl = MgCl2 + 2H2O + 2CO2

Zmiana zabarwienia wskaźnika wskazuje na koniec miareczkowania.

Sposób wykonania oznaczenia jest analogiczny z oznaczeniem zasadowości ogólnej wody,

która nie wykazuje zasadowości mineralnej (ćwiczenie „Oznaczanie parametrów

fizykochemicznych wody”).

Do kolby stoŜkowej odmierzyć pipetą 50cm3 badanej wody, dodać 2-3 krople oranŜu

metylowego. Napełnić biuretę roztworem HCl o stęŜeniu 0,05 mol/dm3 do kreski oznaczonej

„0” i miareczkować przygotowaną wodę ze wskaźnikiem, dodając do niej kroplami z biurety

roztwór kwasu, do momentu zmiany zabarwienia z Ŝółtego na (pomarańczowoczerwone).

Odczytać na biurecie objętość zuŜytego roztworu HCl. Miareczkowanie powtórzyć. W razie

duŜej rozbieŜności wyników (powyŜej 0,5 cm3) wykonać miareczkowanie trzeci raz.

Do obliczeń wziąć średnią z uzyskanych wyników. Obliczenia wykonać wg wzoru:

twardość przemijająca:

Tw = 2·(VHCl·CM(HCl)/Vp)·1000 [mval/dm3]

gdzie:

VHCl - objętość roztworu HCl zuŜyta do zmiareczkowania próbki badanej wody, cm3;

Vp - objętość próbki wody uŜytej do oznaczenia, cm3;

CM(HCl) - stęŜenie roztworu HCl, mol/dm3.

Twardość przemijającą podać równieŜ w mg CaCO3/dm3.

Pomiar przewodności właściwej wody

Przeprowadzić kalibrację konduktometru, zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu, za

pomocą wzorcowego roztworu KCl.

Po kalibracji konduktometru kilkakrotnie opłukać elektrodę i naczyńko pomiarowe wodą

dejonizowaną z tryskawki, a następnie badaną próbką wody. Następnie napełnić naczyńko

pomiarowe badaną próbką wody i zanurzyć elektrodę. Po ustaleniu się wskazań przyrządu

odczytać wartość przewodności właściwej.

Więcej informacji na temat przewodności właściwej moŜna znaleźć w instrukcji do

ćwiczenia „Oznaczanie parametrów fizykochemicznych wody”.