Oznaczanie zdolności wody do zmiękczania metodą termiczną.

• Wiadomości wstępne

1. Zmiękczanie wody

Zmiękczanie wody ma na celu całkowite lub częściowe usuwanie z wody jonów powodujących twardość, tzn. kationów Ca⁺² i Mg⁺² oraz Fe⁺², Mn⁺², Al⁺³ i innych. Zmiękczanie wody jest dokonywane bądź przez strącanie (metodami termicznymi lub chemicznymi), bądź też przez jonitowanie.

1. Dekarbonizacja wody metodą termiczną

Dekarbonizacja w warunkach technicznych polega na rozkładzie wodorowęglanu wapniowego i magnezowego po ogrzaniu wody do temperatury 363-373°K. Rozkład wodorowęglanu wapniowego przebiega według następującego równania:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

W Wyniku tej reakcji wytrąca się trudno rozpuszczalny w wodzie osad węglanu wapnia. W razie obecności wodorowęglanu magnezu reakcja rozkładu termicznego wygląda następująco:

Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃ + CO₂ + H₂O

Węglan magnezu rozkłada się dopiero po dłuższym ogrzewaniu wody w temperaturze wrzenia na trudno rozpuszczalny w wodzie wodorotlenek magnezowy:

MgCO₃ + H₂O → Mg(OH)₂ + CO₂

Węglan magnezu w wyższej temperaturze może reagować z solami powodując stałą twardość wapniową według następującego równania:

MgCO₃ + CaSO₄ → CaCO₃ + MgSO₄

W wodzie termicznie zmiękczonej może występować zmniejszenie niewęglanowej twardości magnezowej kosztem twardości wapniowej.

Metodę termiczną zmiękczania stosuje się do wód zasilających kotły o niskim i średnim ciśnieniu i do wód głównie o twardości węglanowej. Metoda ta bywa również stosowana jako pomocnicza do zmiękczania metodami strąceniowymi. Metody termiczne są opłacalne jedynie w zakładach dysponujących dużą ilością pary, która musi być skroplona.

• Cel i zakres badań

Celem ćwiczenia jest ustalenie optymalnego czasu utrzymywanie wody w temperaturze wrzenia w celu uzyskania najlepszego efektu zmiękczania wody.

• Aparatura i sprzęt

Zestaw do ogrzewania wody - kolba kulista o poj. 1l, chłodnica zwrotna, palnik trójnóg.

pH-metr

• Odczynniki i szkło laboratoryjne

1. Zestaw do oznaczania zasadowości.

2. Zestaw do oznaczania twardości ogólnej.

3. Zestaw do oznaczania wapnia i magnezu.

4. Lejki i sączki

5. Kolby stożkowe.

• Sposób wykonania badania

Oznaczyć odczyn, zasadowość, twardość ogólną, zawartość wapnia i magnezu w surowej wodzie. Następnie odmierzyć 500 ml surowej wody do kolby kulistej o pojemności 1l. Następnie 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.

• Opracowanie wyników i wniosków

Otrzymane wyniki należy zestawić w formie tabelarycznej według wzoru

Rodzaj oznaczenia	Jednostki	Woda
		surowa	termicznie zmiękczona
Czas	min	0	15	30	45	60	90	120
Odczyn	pH
Zasadowość	mol/l
Twog	mol/l
Tww	mol/l
Twnw	mol/l
Ca^+2	mg/l
Mg^+2	mg/l

Oznaczanie zdolności wody do dekarbonizacji za pomocą kwasu mineralnego

• Wiadomości wstępne

1. Uzdatnianie wody dodatkowej na potrzeby chłodzenia

Wody nietermostabilne lub z ograniczoną stabilnością przed wprowadzeniem do obiegu chłodniczego wymagają uzdatnienia. Uzdatnienie tych wód polega na usunięciu właściwości korozyjnych i zmniejszeniu twardości węglanowej. Twardość węglanową można zmniejszyć następująco:

1. zmieniając twardość węglanową na niewęglanową przez szczepienie wody kwasem,

2. wapnując wodę (dekarbonizacja),

3. dekarbonując wodę wapnem i kwasem

1. Szczepienie wody kwasem

Szczepienie wody kwasem jest stosowane wyłącznie do uzdatniania wody chłodzącej; polega ono na dodawaniu do wody mocnego kwasu mineralnego. W wyniku działania takiego kwasu następuje zmiana twardości węglanowej na równoważną twardość niewęglanową, według następujących reakcji chemicznych:

Ca(HCO₃)₂ + 2HCl → CaCl₂ +2CO₂ + 2H₂O

Mg(HCO₃)₂ + 2HCl → MgCl₂ + 2CO₂ + 2H₂O

w razie stosowania kwasu siarkowego natomiast:

Ca(HCO₃)₂ + H₂SO₄ → CaSO₄ + 2CO₂ + 2H₂O

Mg(HCO₃)₂ + H₂SO₄ → MgSO₄ + 2CO₂ + 2H₂O

W reakcji z kwasem solnym najczęściej używanym do szczepienia wody powstają chlorki, sole bardzo dobrze rozpuszczalne, zwiększające swoją rozpuszczalność w miarę wzrostu temperatury.

• Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest oznaczenie zdolności wody do dekarbonizacji - uzyskania określonego stopnia usunięcia twardości węglanowej. Zakres ćwiczenia obejmuje: obliczenie teoretycznej dawki kwasu mineralnego potrzebnej do zmiany określonej twardości węglanowej na niewęglanową. Zakres oznaczeń niezbędnych do określenia skuteczności procesu dekarbonizacji: odczyn, zasadowość ogólna, twardość ogólna, chlorki, zawartość CO₂.

• Aparatura i sprzęt

pH-metr

• Odczynniki i szkło laboratoryjne

1. Zestaw do oznaczania kwasowości mineralnej.

2. Zestaw do oznaczania zawartości wolnego CO₂.

3. Zestaw do oznaczania zasadowości ogólnej.

4. Zestaw do oznaczania twardości ogólnej.

5. Zestaw do oznaczania chlorków.

6. Stężony kwas solny.

7. Butelki o pojemności 2l.

• Badania

Oznaczenie stężenia kwasu użytego do dekarbonizacji wody badanej.

Do kolby stożkowej o pojemności 300 ml należy odmierzyć znaną objętość kwasu (np.: V=25ml), wymieszać i zmiareczkować wobec oranżu metylowego jako wskaźnika 0,1 molowym roztworem NaOH do zmiany barwy na żółtoróżową. stężenie kwasu (w mval/l) oblicza się według następującego wzoru:

X = a ⋅ 0,1 ⋅ 1000/V

X - stężenie kwasu [mval/l],

a - ilość 0,1 mol NaOH zużyta do zmiareczkowania kwasu wobec metylooranżu [ml]

V - objętość próbki kwasu użyta do oznaczenia [ml]

0,1 - stężenie NaOH [mol/l]

Obliczenie teoretycznej dawki kwasu potrzebnej do zmiany określonej twardości węglanowej na niewęglanową

Przyjmując, iż twardość wody przed dekarbonizacją wynosi tw_w1 , po dekarbonizacji zaś twardość węglanowa powinna wynosić tw_w2, teoretycznie zatem ilość kwasu potrzebna do zmiany tej twardości na 1l wynosi:

D = tw_w1 - tw_w2

tw_w1 - twardość węglanowa przed dekarbonizacją [mval/l]

tw_w2 - twardość węglanowa po dekarbonizacją [mval/l]

D - teoretyczna dawka kwasu potrzebna do zmniejszenia twardości węglanowej

Ponieważ w 1 ml roztworu kwasu użytego do szczepienia znajduje się 0,00X mval czystego kwasu, ilość zatem centymetrów sześciennych kwasu na 1l wody badanej wynosi:

V = 1000 ⋅ D/X

Sposób wykonania badań

Do butelki o pojemności 2l odmierza się 1l badanej wody (o znanym składzie chemicznym), następnie dodaje się ściśle określoną ilość kwasu obliczoną według wzoru, po czym zawartość butelki miesza się przez 5 min. W tym czasie zachodzi proces dekarbonizacji wody i wydziela się dwutlenek węgla, który powstaje z rozkładu węglanów i wodorowęglanów i powinien być odgazowany. W wodzie po dekarbonizacji należy oznaczyć: odczyn, zasadowość ogólną, twardość ogólną, dwutlenek węgla oraz chlorki.

• Opracowanie wyników i wniosków

Otrzymane wyniki należy przedstawić w formie tabelarycznej według wzoru:

Rodzaj kwasu	Jednostka
Stężenie kwasu X	[mval/l]
Wymagana twardość węglanowa wody szczepionej	[mval/l]
Odmierzona ilość kwasu	[ml/l]
		[mval/l]
	Rodzaj oznaczenia		Woda
				badana	szczepiona
Odczyn
Zasadowość ogólna
Twardość ogólna
Twardość węglanowa
Twardość niewęglanowa
CO2
Chlorki

---