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:

1. 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.

2. 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.

3. 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 40^oC, 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/dm^3	-	-	0,1	0,1	0,2	0,3
Zasadowość M	mval/dm^3	3,0	0,9	0,7	0,6	0,5	0,5
Twardość ogólna	mval/dm^3	6,0	3,64	3,16	3,12	3,16	3,16
Twardość węglanowa	mval/dm^3	3,0	0,9	0,7	0,6	0,5	0,5
Twardość niewęglanowa	mval/dm^3	3,0	2,74	2,46	2,52	2,66	2,66
Twardość magnezowa	mval/dm^3	92,14	50,71	46,43	44,29	43,57	41,43
Twardość wapniowa	mval/dm^3	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:

T_Ca = a *0,1*1000*20/2,8V

T_Ca (surowa) = 12,9 *0,1*1000*20/280 = 92,14 [mval/dm³]

T_Ca (15min) = 7,1 *0,1*1000*20/280 = 50,71[mval/dm³]

T_Ca (30min) = 6,5*0,1*1000*20/280 = 46,43 [mval/dm³]

T_Ca (45min) = 6,2*0,1*1000*20/280 = 44,29 [mval/dm³]

T_Ca (1h) = 6,1 *0,1*1000*20/280 = 43,57 [mval/dm³]

T_Ca (1,5h) = 5,8 *0,1*1000*20/280 = 41,43 [mval/dm³]

Twardość wapniową obliczamy z wzoru:

T_Mg = a*0,1*1000*12/2,8V

T_Mg (surowa) = 3,5*0,1*1000*12/280 = 15,00 [mval/dm³]

T_Mg (15min) = 3,4*0,1*1000*12/280 = 14,57 [mval/dm³]

T_Mg (30min) = 3,1*0,1*1000*12/280 = 13,29 [mval/dm³]

T_Mg (45min) = 3,0*0,1*1000*12/280 = 12,86 [mval/dm³]

T_Mg (1h) = 2,9*0,1*1000*12/280 = 12,43 [mval/dm³]

T_Mg (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

---