Małgorzata Odziemczyk
Monika Presnarowicz
Katarzyna Sadowiak
Marcin Jedynak
SiT
FIZYKOCHEMICZNE METODY USUWANIA ZANIECZYSZCZEŃ
Temat: Oznaczanie zdolności wody do zmiękczania metodą termiczną.
Celem ćwiczenia jest ustalenie optymalnego czasu utrzymywanie wody w temperaturze wrzenia w celu uzyskania najlepszego efektu zmiękczania wody.
Wykonanie oznaczeń i otrzymane wyniki:
Oznaczyć zasadowość, twardość ogólną, zawartość wapnia i magnezu w surowej wodzie. Następnie odmierzyć 500 ml surowej wody do kolby kulistej o pojemności 1l. Później ostrożnie wrzucić kilka szklanych perełek do kolby, którą następnie należy połączyć z chłodnicą zwrotną i ogrzewać próbę do wrzenia. Po określonym czasie wyłączyć grzanie, a wodę w kolbie schłodzić do temperatury pokojowej i przesączyć przez sączek z bibuły. W klarownym przesączu tzn. w wodzie termicznie zmiękczonej należy ponownie oznaczyć odczyn, zasadowość, twardość ogólną, zawartość wapnia i magnezu.
Zasadowość:
Do 100 cm3 wody dodajemy 2 krople oranżu metylowgo i miareczkujemy 0,1N HCl do zmiany barwy.
Zasadowość ogólną obliczamy ze wzoru:
$$z = \frac{N \bullet a \bullet 1000}{V}$$
Gdzie:
N – normalność HCl (N=0,1mval/cm3)
a – ilość HCl potrzebna do miareczkowania próbki [cm3]
V – objętość wody wzięta do miareczkowania (V = 100 cm3)
1000 – przelicznik na dm3
Zawartość Ca2+i Mg2+:
Do 50 cm3 próbki wody dodajemy połowę objętości HCl jaka zeszła na oznaczenie zasadowości danej próbki. Następnie dodajemy 5 cm3 NaOH (44g/dm3) i szczyptę mureksydu. Miareczkujemy 0,1N EDTA do zmiany barwy z różowej na fioletową.
Po miareczkowaniu dodajemy 4 cm3 4N HCl i czekamy kilka minut aż roztwór się odbarwi, a następnie dodajemy pod wyciągiem 7 cm3 amoniaku i czerni eriochromowej jako wskaźnika. Miareczkujemy 0,1N EDTA do zmiany barwy z winnoczerwonej na niebieską.
Zawartość wapnia i magnezu obliczamy ze wzorów:
$$\left\lbrack \text{Ca}^{2 +} \right\rbrack = \frac{a \bullet N \bullet R_{\text{Ca}} \bullet 1000}{V}\lbrack mgCa/\text{dm}^{3}\rbrack$$
Gdzie:
N – normalność EDTA (N=0,1mval/cm3)
a – ilość EDTA potrzebna do miareczkowania próbki [cm3]
RCa - gramorównoważnik Ca (RCa = 20mgCa/mval)
V – objętość wody wzięta do miareczkowania (V = 50 cm3)
1000 – przelicznik na dm3
$$\left\lbrack \text{Mg}^{2 +} \right\rbrack = \frac{b \bullet N \bullet R_{\text{Mg}} \bullet 1000}{V}\lbrack mgMg/\text{dm}^{3}\rbrack$$
Gdzie:
N – normalność EDTA (N=0,1mval/cm3)
b – ilość EDTA potrzebna do miareczkowania próbki [cm3]
RMg - gramorównoważnik Mg (RMg = 12, 15mgMg/mval)
V – objętość wody wzięta do miareczkowania (V = 50 cm3)
1000 – przelicznik na dm3
Twardość węglanowa, niewęglanowa i ogólna:
Twardość wywołana jest kationami związanymi najczęściej z anionem HCO3- (gł. Ca2+ i Mg2+). Twardość przelicza się na mg CaCO3/dm3.
$$\text{Tw}_{w} = \frac{\left\lbrack \text{Ca}^{2 +} \right\rbrack}{R_{\text{Ca}}} \bullet R_{\text{CaCO}_{3}}\lbrack mg\text{CaCO}_{3}/\text{dm}^{3}\rbrack$$
$$\text{Tw}_{\text{nw}} = \frac{\left\lbrack \text{Mg}^{2 +} \right\rbrack}{R_{\text{Mg}}} \bullet R_{\text{CaCO}_{3}}\lbrack mg\text{CaCO}_{3}/\text{dm}^{3}\rbrack$$
Twog = Tww + Twnw[mgCaCO3/dm3]
Gdzie:
RCa - gramorównoważnik Ca (RCa = 20mgCa/mval)
RMg - gramorównoważnik Mg (RMg = 12, 15mgMg/mval)
RCaCO3 – gramorównoważnik CaCO3 (RCaCO3 = 50mgCaCO3/mval)
Otrzymane wyniki miareczkowań:
| Rodzaj oznaczenia | Jednostki | Woda |
|---|---|---|
| surowa | ||
| Czas | min | 0 |
| Zasadowość | cm3 | 5,2 |
| Ca+2 | cm3 | 7,3 |
| Mg+2 | cm3 | 2,5 |
Zestawienie otrzymanych wyników:
| Rodzaj oznaczenia | Jednostki | Woda |
|---|---|---|
| surowa | ||
| Czas | min | 0 |
| Zasadowość | mval/dm3 | 5,2 |
| Ca+2 | mg/ dm3 | 292 |
| Mg+2 | mg/ dm3 | 177,39 |
| Tw og | mg CaCO3/ dm3 | 1460 |
| Tw w | mg CaCO3/ dm3 | 730 |
| Tw nw | mg CaCO3/ dm3 | 730 |
Interpretacja otrzymanych wyników i wnioski:
Woda do celów przemysłowych, a w szczególności do zasilania kotłów grzewczych i instalacji
chłodniczych musi być miękka, tj. pozbawiona składników powodujących tworzenie się kamienia kotłowego. Kamień kotłowy stwarza niebezpieczeństwo uszkodzenia, a nawet rozerwania kotła w chwili, gdy po odpryśnięciu kamienia kotłowego woda zetknie się z rozgrzaną ścianą kotła. Kamień kotłowy powoduje straty paliwa wskutek złego przewodnictwa cieplnego.
Oznaczona podczas badania – zasadowość w wodzie surowej wynosi 5,2 mval/dm3, a już po 15 min jej termicznego zmiękczania, zasadowość spada 3 krotnie, a po czasie 1 godziny aż 13 krotnie.
W wodach naturalnych zasadowość pochodzi, w przeważającej części od związków takich jak Ca(HCO3)2 i Mg(HCO3)2, ale nie tylko. Parametr ten ma znaczenie drugorzędne, szczególnie w przypadku wody do picia, gdyż związki te ulegają rozkładowi w czasie gotowania, co możemy zaobserwować na powyższej tabliczce. Zarówno zawartość Ca2+ jaki i Mg2+ w miarę upływu czasu poddawania próbek wody termicznemu zmiękczaniu, maleje.
Przeliczając otrzymane wyniki twardości ogólnej na stopnie niemieckie 1 °n = 17,86 mg CaCO3 w 1 litrze wody, otrzymujemy poniższe wartości:
| mg CaCO3/ dm3 | 1 °n |
|---|---|
| 1460 | 82 |
| 1300 | 73 |
| 1200 | 67 |
| 1180 | 66 |
Woda powyżej 30 °n uważana jest za wodę twardą. Widzimy więc, że badana przez nas woda jest bardzo twarda. Potwierdza to również porównanie wyników twardości z Polską Normą, w której odnajdujemy następujący podział:
bardzo miękka to <75 mg CaCO3/dm3
miękka 75-150 mg CaCO3/dm3
średnio twarda 150-300 mg CaCO3/dm3
twarda 300-500 mg CaCO3/dm3
bardzo twarda >500 mg CaCO3/dm3
W każdym badanym przypadku, mimo że twardość wody malała wraz z upływem czasu poddawania wody jej termicznemu zmiękczaniu, woda wykazuje swój bardzo twardy charakter.