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, gdyż 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 można 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 różnicą 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 również podawanie
twardości w mg CaCO3/dm3.
Twardość 1 mval/dm3 odpowiada umownie 50 mg CaCO3/dm3 (niezależnie 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 niepożądana, 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 też zalecane jest, aby twardość wody przeznaczonej do celów gospodarczych i do
picia nie przekraczała 7,14 mval/dm3.
Wodzie używanej przez różne gałęzie przemysłu stawiane są na ogól specjalne wymagania
dotyczące jej twardości i przeważnie dopuszczana jest tylko woda miękka.
Przy ocenie wody stosowanej do zasilania kotłów parowych brana jest pod uwagę nie tylko
jej twardość, lecz również rodzaj poszczególnych związków wapniowych i magnezowych,
powodujących tę twardość. Najbardziej szkodliwy jest siarczan wapniowy, gdyż z niego
powstaje, trudny do usuwania, twardy kamień kotłowy. Niepożądanym związkiem jest także
chlorek magnezu, powodujący korozję kotłów parowych.
Opisowe określenia skali twardości, stosowane do wody naturalnej, przedstawione są
w poniższej 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, ponieważ temperatura
wrzenia szeregu z nich jest niższa niż 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 dużą skalę. Wyjątkiem są instalacje do produkcji wody pitnej w krajach
o dużym nasłonecznieniu, gdzie w procesie destylacji wykorzystywana jest energia słoneczna.
Roztwór wodny zawierający jony wykazuje właściwość przewodzenia prądu elektrycznego
pod wpływem napięcia przyłożonego 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 może służyć 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 stężeniu: 0,0100 mol/dm3, 4 kolby stożkowe
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 stężeniu
0,05 mol/dm3, wskaźnik - roztwór oranżu 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 stożkowej 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 stężeniu, w obecności oranżu
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 stożkowej odmierzyć pipetą 50cm3 badanej wody, dodać 2-3 krople oranżu
metylowego. Napełnić biuretę roztworem HCl o stężeniu 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 żółtego na (pomarańczowoczerwone).
Odczytać na biurecie objętość zużytego roztworu HCl. Miareczkowanie powtórzyć. W razie
dużej rozbieżności wyników (powyżej 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 zużyta do zmiareczkowania próbki badanej wody, cm3;
Vp - objętość próbki wody użytej do oznaczenia, cm3;
CM(HCl) - stężenie roztworu HCl, mol/dm3.
Twardość przemijającą podać również 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 można znaleźć w instrukcji do
ćwiczenia „Oznaczanie parametrów fizykochemicznych wody”.