|
INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI
|
|
|
OCZYSZCZANIE WODY LABORATORIUM
|
|
III ROK INŻYNIERII ŚRODOWISKA STUDIA DZIENNE GRUPA 37 B
|
26.11.2013 TYDZIEŃ 7 |
|
TEMAT Zmiękczanie wody metodą termiczną
AUTORZY OPRACOWANIA:
JAKUB WOŹNIAK
|
||
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
Twardość wody jest pojęciem umownym, określającym zawartość w wodzie kationów dwuwartościowych, głównie wapnia i magnezu. Pierwotnie twardość oznaczała właściwość zużywania mydła przez wodę bez powstawania piany. Ponieważ twardość wody jest pojęciem niezbyt precyzyjnie określonym, więc w ostatnich latach odchodzi się od niej, zastępując ją zawartością wapnia i magnezu oraz innych kationów powodujących twardość wody.
Rozróżnia się następujące rodzaje twardości wody:
Twardość ogólna jest to całkowita zawartość jonów Ca2+, Mg2+, a także innych jonów dwuwartościowych, np. Fe2+, Mn2+, Ba2+, Sr2+. Ze względu na występujące w wodach duże stężenie jonów Ca2+ , Mg2+ i małe stężenie innych jonów metali dwuwartościowych, twardość wody praktycznie powodowana jest przez wapń i magnez.
Twardość węglanowa odpowiada zawartości węglanów i wodorowęglanów wapnia i magnezu. Twardość węglanowa jest również nazywana twardością przemijającą, ponieważ zanika podczas gotowania wody. Wytrącają się wtedy węglany wapnia, magnezu i żelaza, tworząc niepożądany kamień kotłowy. Twardość wody przejawia się w wytwarzaniu osadu z mydłem (osad nie powstaje z syntetycznymi środkami powierzchniowo czynnymi). Mydło jest solą sodową wyższego kwasu tłuszczowego, głównie jest to stearynian sodu. Powstaje stearynian wapnia nierozpuszczalny w wodzie.
Twardość niewęglanowa
Jest to różnica między twardością ogólną a węglanową. Określa ona zawartość jonów dwuwartościowych odpowiadających anionom: chlorkom, siarczanom, azotanom itd.
W wodach naturalnych wapń i magnez występują w szerokim przedziale stężeń (50-1000 mg CaCO3/l). W ogólnej mineralizacji wód związki wapnia zwykle dominują nad związkami magnezu. Często wody źródlane mają niską twardość. Zwykle ze wzrostem zanieczyszczenia twardość wód zwiększa się. Twardość wód zależy w dużym stopniu od warunków geologicznych zlewni. Twardość ogólna wód rzek w Polsce to w większości przypadków twardość węglanowa. Twardość niewęglanowa w wielu wodach nie występuje. Przeciętnie twardości niewęglanowe wynoszą 15-30 mg/dm3 CaCO3. Wody atmosferyczne mają niską twardość. Ze względów zdrowotnych uważa się, że w wodzie do picia najkorzystniejsze są stężenia wapnia od 30 do 80 mg/1, natomiast stężenie magnezu na ogół zalecane jest w zależności od zawartości towarzyszących jonów siarczanowych (30-125 mg Mg/1). Obecność jonów wapnia i magnezu w wodzie do picia i celów gospodarczo-przemysłowych ma ważne znaczenie techniczne.
Wody miękkie, o niskiej zawartości jonów Ca i Mg stwarzają korzystne warunki rozwoju procesu korozji w przewodach wodociągowych, natomiast wody o nadmiernej twardości łatwo tworzą osady, powodując stopniowe zmniejszanie przepustowości przewodów.
Za optymalną twardość wody uznaje się twardość w granicach 100-500 mg CaCO3/l.
Termiczna metoda usuwania twardości wody
Pod wpływem podwyższonej temperatury, już powyżej 40oC, następuje termiczny rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu.
Szybkość rozkładu wodorotlenków nie jest jednakowa. Rozkład Mg(HCO3)2 przebiega 1,5 razy wolniej niż Ca(HCO3)2; najpierw powstaje zasadowy węglan magnezu, który po dłuższym czasie gotowania ulega hydrolizie i strąca się w postaci trudniej rozpuszczalnego wodorotlenku magnezowego Mg(OH)2.
Ale i rozkład wodorowęglanu wapniowego nie zachodzi jednakowo łatwo. Na szybkość tego procesu ma znaczny wpływ temperatura, co widać na Rys. 1, na którym znajdują się wykresy szybkości rozpadu Ca(HCO3)2 w zależności od temperatury. Widać więc wyraźnie, że ze wzrostem temperatury szybkość rozpadu wodorowęglanu sodu wzrasta bardzo znacznie i w temperaturze 100 oC osiąga największą wartość przy burzliwym wrzeniu. Jak wykazały badania - na szybkość procesu dodatni wpływ ma obecność stałego CaCO3.
Metoda termicznego zmiękczania ma zastosowanie w zakładach przemysłowych dysponujących dużą ilością pary wymagającej kondensacji.
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest ustalenie niezbędnego czasu ogrzewania wody w określonej temperaturze dla osiągnięcia najlepszego efektu zmiękczania wody metodą termiczną. Zakres ćwiczenia obejmuje wykonanie kontrolnych oznaczeń w wodzie surowej i termicznie zmiękczonej.
METODYKA
Do 5 kolb o pojemności 2 litrów odmierzyliśmy po 0,5 litra wody surowej i dodaliśmy po 2 kamyczki wrzenne, po czym wstawiliśmy je na grzejniki, połączyliśmy do chłodnic i od momentu wrzenia ogrzewaliśmy odpowiednio 15, 30, 45, 60 i 90 minut. Potem kolby studziliśmy strumieniem zimnej wody do temperatury pokojowej, po czym przesączyliśmy ich zawartość przez sączki. Przesącze poddaliśmy badaniom na pH, zasadowość, twardość ogólną, węglanową, niewęglanową, magnezową i wapniową. Otrzymane wyniki zestawiliśmy w tabeli poniżej.
Tabela 1.
Wskaźnik |
Jednostka |
Woda surowa |
Woda termicznie zmiękczona |
||||
|
|
|
Czas ogrzewania, [min] |
||||
|
|
|
15 |
30 |
45 |
60 |
90 |
pH |
- |
8,00 |
8,29 |
8,50 |
7,78 |
9,25 |
8,91 |
Zasadowość F |
mval/dm3 |
- |
- |
0,1 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
Zasadowość M |
mval/dm3 |
3,0 |
0,9 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
0,5 |
Twardość ogólna |
mval/dm3 |
6,0 |
3,64 |
3,16 |
3,12 |
3,16 |
3,16 |
Twardość węglanowa |
mval/dm3 |
3,0 |
0,9 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
0,5 |
Twardość niewęglanowa |
mval/dm3 |
3,0 |
2,74 |
2,46 |
2,52 |
2,66 |
2,66 |
Twardość magnezowa |
mval/dm3 |
92,14 |
50,71 |
46,43 |
44,29 |
43,57 |
41,43 |
Twardość wapniowa |
mval/dm3 |
15 |
14,57 |
13,29 |
12,86 |
12,43 |
9,43 |
Twardość niewęglanową określa się z wzoru:
TWog = TWw + TWnw TWnw = TWog - TWw
Surowa: 6,0 - 3,0 = 3,0 [mval/dm3]
Zmiękczanie I (15min): 3,64 - 0,9 = 2,74 [mval/dm3]
Zmiękczanie II (30min): 3,16 - 0,7 = 2,46 [mval/dm3]
Zmiękczanie III (45min): 3,12 - 0,6 = 2,52 [mval/dm3]
Zmiękczanie IV (60min): 3,16 - 0,5 = 2,66 [mval/dm3]
Zmiękczanie V (90min): 3,16 - 0,5 = 2,66 [mval/dm3]
Twardość magnezową obliczamy z wzoru:
TCa = a *0,1*1000*20/2,8V
TCa (surowa) = 12,9 *0,1*1000*20/280 = 92,14 [mval/dm3]
TCa (15min) = 7,1 *0,1*1000*20/280 = 50,71[mval/dm3]
TCa (30min) = 6,5*0,1*1000*20/280 = 46,43 [mval/dm3]
TCa (45min) = 6,2*0,1*1000*20/280 = 44,29 [mval/dm3]
TCa (1h) = 6,1 *0,1*1000*20/280 = 43,57 [mval/dm3]
TCa (1,5h) = 5,8 *0,1*1000*20/280 = 41,43 [mval/dm3]
Twardość wapniową obliczamy z wzoru:
TMg = a*0,1*1000*12/2,8V
TMg (surowa) = 3,5*0,1*1000*12/280 = 15,00 [mval/dm3]
TMg (15min) = 3,4*0,1*1000*12/280 = 14,57 [mval/dm3]
TMg (30min) = 3,1*0,1*1000*12/280 = 13,29 [mval/dm3]
TMg (45min) = 3,0*0,1*1000*12/280 = 12,86 [mval/dm3]
TMg (1h) = 2,9*0,1*1000*12/280 = 12,43 [mval/dm3]
TMg (1,5h) = 2,2*0,1*1000*12/280 = 9,43 [mval/dm3]
PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Na podstawie otrzymanych wyników wnioskować możemy, że czas ogrzewania wody ma wpływ na zmiany jej twardości i pH. Proces ogrzewania w rosnący sposób ukazuje wzrost wartości pH, zasadowości F oraz spadek zasadowości M oraz twardości ogólnej, węglanowej, niewęglanowej, magnezowej i wapniowej. Największe efekty są widoczne po 15 minutach ogrzewania od zagotowania wody, następne spadki stają się coraz mniej widoczne. Przy czasie ogrzewania 60 minut spadki wartości niektórych wskaźników przestają być widoczne w porównaniu do 90 minut ogrzewania. Najbardziej optymalny czas ogrzewania to około 1 godziny, późniejsze ogrzewanie przynosi coraz mniej widoczne efekty. Podczas niektórych oznaczeń mogło dojść do błędów pomiarów wywołane za krótkim ostudzaniem po ogrzewaniu i błędów oznaczeń.
LITERATURA
1) Podstawy projektowe systemów oczyszczania wód, A. L. Kowal & M. Świderska-Bróź, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1998