ZMIĘKCZANIE WODY METODAMI CHEMICZNYMI

Część teoretyczna

Twardość wody jest umownym wskaźnikiem określającym zawartość w niej kationów dwuwartościowych, głównie wapnia i magnezu.

Całkowita zawartość tych jonów w wodzie określana jest jako twardość ogólna -To.

Twardość węglanowa (przemijająca) -Tw odpowiada zawartości węglanów i wodorowęglanów wapnia i magnezu.

Twardość niewęglanowa jest różnicą między twardością ogólną i twardością węglanową.

Tn = To – Tw

Znając zawartość w wodzie jonów wapnia i magnezu można obliczyć twardość wapniową –TCa i twardość magnezową - TMg. Ponieważ w naturalnych wodach zawartość innych jonów dwuwartościowych jest bardzo mała można w uproszczeniu zapisać: To = TCa + TMg

Jednostką twardości wody jest mval/dm3 (milival = 10-3 vala). Dla jonów dwuwartościowych val odpowiada połowie mola, tak więc twardość wapniowa wody zawierającej w 1 dm3 0,0035 mola jonów wapniowych będzie wynosiła 7 mval/dm3.

Woda do zasilania kotłów parowych powinna wykazywać jak najmniejszą twardość gdyż

zawarte w niej sole powodują powstawanie kamienia kotłowego. Kamień kotłowy składa się głównie z węglanu wapnia (CaCO3) i magnezu (MgCO3) oraz siarczanu wapnia (CaSO4), odwodnionego kwasu krzemowego i tlenków żelaza. Nagłe odpryśnięcie kamienia kotłowego może doprowadzić do przegrzania wody i wybuchu kotła. Tworzeniu się kamienia kotłowego zapobiega zmiękczanie wody.

Najprostszym sposobem zmiękczania wody jest jej zagotowanie w wyniku czego usuwa się twardość węglanową (przemijającą). Proces usuwania twardości węglanowej nosi nazwę dekarbonizacji i w tym przypadku przebiega zgodnie z reakcjami:

Ca2+ +

−

2HCO3 = CaCO3 ↓ + H2O + CO2 ↑

−

Mg2+ +

2HCO3 = MgCO3 ↓ + H2O + CO2 ↑

W skutek podwyższenia temperatury następuje rozkład wodorowęglanów a powstające, słabo rozpuszczalne, węglany wapnia i magnezu wypadają w postaci osadu. Woda ulega zmiękczeniu, ale osadzające się na ściankach naczynia węglany to główne składniki kamienia kotłowego, który łatwo można zaobserwować w czajniku.

Chemiczne metody usuwania twardości polegają na przeprowadzeniu rozpuszczonych związków wapnia i magnezu w związki nierozpuszczalne przez wprowadzenie odpowiednich reagentów i oddzielenie od wody powstających zawiesin. Woda zmiękczona metodami chemicznymi nadaje się do kotłów nisko- i średnioprężnych. Do kotłów wysokoprężnych używana jest woda demineralizowana metodami jonitowymi.

W zależności od wymaganej jakości otrzymywanej wody stosuje się reagenty, które usuwają część lub prawie całą twardość.

Do usuwania twardości węglanowej (dekarbonizacji) używane jest wapno palone – CaO

lub gaszone Ca(OH)2.

Do usuwania całej twardości może być stosowana metoda wapienno-sodowa polegająca na wytrąceniu soli wapnia i magnezu mieszaniną wodorotlenku wapnia i węglanu sodu.

Wodorotlenek wapnia usuwa twardość przemijającą:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 ↓ + 2H2O,

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 = Mg(OH)2 ↓ + 2CaCO3 ↓ + 2H2O

(W drugiej reakcji wytrąca się wodorotlenek magnezu, gdyż jest trudniej rozpuszczalny niż

węglan magnezu.)

i powoduje wytrącenie magnezu z jego soli powodujących niewęglanową twardość magnezową:

MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 ↓ + CaSO4,

MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 ↓ + CaCl2.

Zawarte w wodzie i powstające w powyższych reakcjach rozpuszczalne sole wapnia usuwane są w reakcjach z węglanem sodu (sodą):

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 ↓ + 2NaCl

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 ↓ + Na2SO4

Pozostające w wodzie po jej zmiękczeniu rozpuszczalne sole sodu nie powodują powstawania kamienia kotłowego.

Do obliczenia dawek reagentów potrzebnych do zmiękczenia wody można zastosować następujące przybliżone zależności:

mCaO = 28(Tw + TMg)

m

= 53 T

Na

n

2CO3

gdzie:

mCaO

- dawka wapna, mg/dm3

Tw

- twardość węglanowa, mval/dm3

TMg

- zawartość magnezu, mval/dm3

28

- przelicznik mvali na mg CaO

m

- dawka sody, mg/dm3

Na 2CO3

Tn

- twardość niewęglanowa, mval/dm3

53

- przelicznik mvali na mg sody

Część doświadczalna

Przed rozpoczęciem procesu zmiękczania wody należy oznaczyć jej twardość ogólną metodą opisaną dalej.

Na podstawie oznaczonej twardości ogólnej oraz opisanych na butli z próbką, wcześniej oznaczonych, twardości węglanowej i magnezowej obliczyć, korzystając z wzorów podanych w części teoretycznej, dawki CaO i sody (mg/dm3) potrzebne do zmiękczenia wody.

Ponieważ wapno jest dodawane w postaci zawiesiny (mleko wapienne), a soda w postaci roztworu, z obliczonych dawek i stężenia reagentów (podanych na butelkach), należy obliczyć potrzebne objętości:

2

m r

V =

V

p

Cr

gdzie:

V - objętość dodawanego reagenta (sody lub mleka wapiennego), cm3

Cr - stężenie reagenta, mg/dm3

mr - dawka reagenta, mg/dm3

Vp - objętość próbki wody do zmiękczenia, cm3

Do zlewki wlać przy pomocy cylindra miarowego 100 cm3 zmiękczanej wody i dodać przy pomocy pipet obliczone dawki mleka wapiennego i sody. Zawiesinę mleka wapiennego energicznie wstrząsnąć przed pobraniem do pipety. Proces zmiękczania prowadzić 30 minut okresowo mieszając próbkę. Po tym czasie przesączyć około 2/3 próbki przez twardy sączek do czystej zlewki. W przesączu oznaczyć twardość ogólną jak dla wody przed zmiękczeniem.

Wydajność procesu zmiękczania obliczyć ze wzoru:

T - T

w

o

oZ

=

100%

To

gdzie:

w – wydajność procesu zmiękczania, %

To – twardość ogólna wody wyjściowej, mval/dm3

ToZ – twardość ogólna wody po zmiękczeniu, mval/dm3

Oznaczanie twardości ogólnej metodą z EDTA

Oznaczenie polega na miareczkowaniu analizowanej wody mianowanym roztworem EDTA wobec czerni eriochromowej jako wskaźnika, w środowisku buforu amonowego o pH=10.

Pobrać pipetą jednomiarową 25 cm3 badanej wody i przenieść do kolby stożkowej o pojemności 250 – 300 cm3, dodać 2 cm3 roztworu buforowego i szczyptę czerni eriochromowej (wg wskazówek prowadzącego). Roztwór powinien przybrać barwę czerwono

– fioletową. Miareczkować z biurety roztworem EDTA o stężeniu 0,01 mol/dm3 ciągle mieszając. Kiedy barwa roztworu zaczyna zmieniać się na niebieską należy zmniejszyć szybkość dodawania roztworu z biurety. Miareczkowanie zakończyć kiedy próbka przybierze barwę czysto niebieską, nie ulegającą zmianie przy dodawaniu następnych kropli EDTA.

Twardość ogólną obliczyć z wzoru:

C

⋅ V

⋅ 2000

EDTA

EDTA

T =

o

Vo

gdzie:

To

– twardość ogólna, mval/dm3

CEDTA – stężenie roztworu EDTA w biurecie, mol/dm3

VEDTA – objętość zużytego EDTA, cm3

Vo

– objętość badanej próbki, cm3

2000 – przelicznik z moli na mvale

Należy wykonać równolegle dwa oznaczenia i jako wynik podać średnią arytmetyczną otrzymanych wartości.

3