UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ

I ŚRODOWISKA

SPRAWOZDANIE Z TECHNOLOGII ŚCIEKÓW PRZEMYSŁOWYCH

Temat: Oznaczanie zdolności wody do zmiękczania za pomocą fosforanu trójsodowego.

WYKONAŁY:

HONORATA KURIATA

LIDIA SZNAJDEROWSKA

HONORATA JURGA

I Wstęp teoretyczny

Twardość wody - jest to właściwość polegająca na zużywaniu pewnych ilości mydła bez wytwarzania piany podczas wytrząsania próby. Właściwość tę nadają wodzie jony wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku oraz innych kationów, które tworzą z mydłem dodawanym do wody nierozpuszczalne mydła wapniowe, magnezowe i inne nie tworzące piany przy wytrącaniu próbki. Piana zaczyna wytwarzać się wówczas gdy nastąpi całkowite ich strącenie. Ponieważ w wodach naturalnych dominują przeważnie sole wapniowe i magnezowe natomiast inne kationy metali ciężkich występują w znikomych ilościach, dlatego też twardość wody zależy głównie od zawartości wapnia i magnezu. Twardość wody surowej nazywa się twardością ogólną. Rozróżniamy:

Twardość ogólna
Twardość według kationów	Twardość według anionów
Rodzaj twardości	Twardość węglanowa	Twardość niewęglanowa
Twardość wapniowa	Ca(HCO)2	CaSO4
		Ca(OH)2	CaCl2
		CaCO3	Ca(NO3)2
	Twardość magnezowa	Mg(HCO)2	MgSO4
		Mg(OH)2	MgCl2
		MgCO3	Mg(NO3)2

Twardość wywołana przez wodorowęglany, wodorotlenki i węglany nazywa się twardością węglanową. Twardość wywołana przez inne związki: siarczany, chlorki, azotany połączone z wapniem, magnezem nazywamy twardością niewęglanową.

Twardość wody podaje się w stopniach twardości wody lub w milivalach jonów wapnia i magnezu na 1l wody.

Jednostki twardości:

1mval - 2,8^o n

1mval - 50mg CaCO₃/dm³

1mval - 10mg CaO/dm³

Skala twardości wody

Skala twardości	Twardość ogólna (w stopniach twardości)
bardzo miękka	0-5
miękka	5-10
o średniej twardości	10-20
twarda	20-30
bardzo twarda	>30

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

W praktyce często metody te stosuje się w odpowiedniej kombinacji, tj. twardość usuwa się przez strącanie, a pozostałą część przez jonitowanie. Zazwyczaj proces zmiękczania wody poprzedzony jest wstępnym oczyszczaniem wody surowej, które polega na usuwaniu zawiesin domieszek, koloidów.

Zmiękczanie wody przeprowadzane jest przez:

a)dekarbonizację wody metodą termiczną

b)zmiękczanie wody metodami chemicznymi

Zmiękczanie wody metodą termiczną

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

Ca(HCO₃)₂= CaCO₃ + CO₂ + H₂O

W wyniku tej reakcji wytrąca się trudno rozpuszczalny w wodzie osad węglanu wapniowego CaCO₃. Rozpuszczalność CaCO₃ w temperaturze 293K wynosi 0,26 mval/dm³. W przypadku obecności w wodzie wodorowęglanu magnezowego reakcja przebiega następująco:

Mg(HCO₃)₂= MgCO₃ + CO₂ + H₂O

Węglan magnezowy dopiero po dłuższym ogrzaniu wody w temperaturze wrzenia rozkłada się dzięki wtórnej reakcji na trudno rozpuszczalny w wodzie wodorotlenek magnezowy Mg(OH)₂

MgCO₃ + H₂O = Mg(OH)₂ + CO₂

Węglan magnezowy w wyższej temperaturze może reagować z solami powodującymi stałą twardość wapniową:

MgCO₃ + CaSO₄ = CaCO₃ + MgSO₄

Metodę termiczną zmiękczania stosuje się dla wód zasilających kotły o niskim i średnim ciśnieniu i do wód o twardości węglanowej.

Zmiękczanie wody metodami chemicznymi (strąceniowymi)

Metody te polegają na wprowadzeniu do wody takich chemikaliów, które reagują z jonami wapnia, magnezu oraz jonami metali ciężkich tworząc trudno rozpuszczalne związki chemiczne. Związki te w postaci osadu są usuwane przez klarowanie i filtrację wody. Wytrącanie kationów nadających wodzie twardość może być dokonane za pomocą wodorotlenku wapniowego., węglanu sodowego, wodorotlenku sodowego i fosforanów.

Wśród metod najczęściej stosowanych wymienić należy:

• dekarbonizację wapnem

• zmiękczanie wapnem i sodą

• zmiękczanie ługiem i sodą

• zmiękczanie fosforanami

Zmiękczanie wody fosforanami

Zmiękczanie wody fosforanami pozwala usunąć z niej zarówno twardość węglanową jak i niewęglanową, przy czym twardość końcowa (szczątkowa) wody zmiękczonej fosforanami wynosi od 0,035 do 0,07 mval/dm³. Największy efekt zmiękczania wody otrzymuje się stosując fosforan krystaliczny trójsodowy, który wiąże jony Ca⁺³ i Mg⁺² w trudno rozpuszczalne fosforany:

3Ca(HCO₃)₂+2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 6 NaHCO₃

3Mg(HCO₃)₂+2Na₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂ + 6 NaHCO₃

3CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 3Na₂SO₄

3MgSO₄ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂ + 3Na₂SO₄

Zamiast fosforanu trójsodowego można również używać do zmiękczania wody wodorofosforanu sodowego Na₂HPO₄. Jednak do zmiękczania wody surowej stosuje się najczęściej fosforan trójsodowy., bowiem dawkowanie wodorofoosforanów sodowych do wody o odczynie obojętnym jest nieracjonalne , ponieważ produktami reakcji są wodorofosforany wapniowe i magnezowe, w większym stopniu rozpuszczalne od fosforanów wapniowych i magnezowych. Dawkowanie wodorofosforanów sodowych jest korzystne w przypadku, gdy woda jest wstępnie zmiękczona i wykazuje pewną zasadowość wobec fenoloftaleiny. Wówczas pod wpływem tej zasadowości zachodzi reakcja zobojętniania wodorofosforanów:

Na₂HPO₄ + NaOH = Na₃PO₄ + H₂O

NaH₂PO₄ + NaOH + Na₃PO₄ + H₂O

I proces zmiękczania przebiega dalej ,jak przy użyciu fosforanu trójsodowego. Ponieważ fosforan sodowy jest drogi, zatem zmiękczanie wody surowej tylko fosforanem sodowym jest rzadko stosowane, tym bardziej iż dla wód o dużej twardości węglanowej tworzy się w wyniku zmiękczania wody wodorowęglan sodowy. Metodę tę najlepiej jest najlepiej stosować jako uzupełniające zmiękczanie po wstępnym zmiękczaniu wody metodą wapienno - sodową.

Zmiękczanie fosforanami stosowano zazwyczaj dla wód służących do zasilania kotłów średniego ciśnienia, które są wrażliwe na większą zasadowość wody kotłowej. W tych przypadkach nadmiar fosforanów w wodzie kotłowej jest pożądany, gdyż osady wytrącające się na skutek twardości pozostają w wodzie kotłowej dając muł, a nie kamień kotłowy, przylegający do ścianek kotła. Obecność fosforanów w wodzie kotłowej zapobiega wytrącaniu się krzemionki w postaci bardzo twardego kamienia kotłowego CaSiO₃, w kotle zachodzi wytrącanie się fosforanu wapniowego i tworzenie się stosunkowo dobrze rozpuszczalnego krzemianu sodowego według reakcji:

3aSiO₃ + 2 Na₂PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 3 Na₂SiO₃

Ze względów ekonomicznych korekcji fosforanowej na ogół się nie stosuje do wody w kotłach o ciśnieniu nominalnym 16 at, natomiast uważa się ją za niezbędną dla wody kotłowej o ciśnieniu powyżej 16 at z wyjątkiem kotłów przepływowych.

Zmiękczanie wody fosforanami przeprowadza się na gorąco w temperaturze 343-363 K w czasie 30-60 min. Według Heandelera na usunięcie 1 mval/dm³ twardości przypada 0,9 mval/dm³ fosforanu trójsodowego.

II. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest oznaczanie zmiękczalności wody za pomocą fosforanu trójsodowego. Zakres ćwiczenia obejmuje wykonanie analizy wody badanej, obliczenie teoretycznej dawko fosforu trójsodowego do zmiękczania wody, przeprowadzenie procesu zmiękczania.

III. Obliczenie optymalnej dawki fosforu trójsodowego

Określono twardość węglanową i niewęglanową wody badanej a następnie obliczono orientacyjną dawkę fosforu trójsodowego wg Wzoru Haendelera

Twardość węglanowa = 3,2 mval/dm³

Twardość ogólna =
mval/dm³

a=14.5 cm³

Twardość ogólna =
mval/dm³

Twardość niewęglanowa = Twardość ogólna - Twardość węglanowa

Twardość niewęglanowa = 5.8 mval/dm³- 3.2 mval/dm³ = 2.6 mval/ --> dm³[Author:K]

Wg Haendelera

H = 106,4 tw_nw + 17,9 tw_w

H - dawka fosforu sodowego, mg/dm³ Na₃PO₄

tw_nw - twardość niewęglanowa wody badanej, mval/dm³

tw_nw = 2,6 mval/dm³

tw_w - twardość węglanowa wody badanej, mval/dm³

tw _w = 3,2 mval/dm³

H = 106,4 * 2,6 + 17,9 *3,2 = 333,92 mg/dm³ Na₃PO₄

Objętość roztworu fosforanu sodowego w cm^,3- do zmiękczania 1 dm3 badanej wody obliczono ze wzoru:

C - stężenie fosforanu trójsodowego w mg/dm³

C=50,000 mg/dm³

H - dawka fosforu sodowego, mg/dm³ Na₃PO₄

H = 333,92 mg/dm³ Na₃PO₄

IV. Ustalenie optymalnej dawki fosforanu trójsodowego.

Do pięciu zlewek o pojemności 1,5 dm³ wlano po 1 dm³ badanej wody, a następnie wprowadzono obliczone dawki fosforu w ilości wynoszącej odpowiednio:

Nr zlewki	Dawka fosforanu [cm^3]
1	0,6H	3,9
2	0,8H	5,3
3	1H	6,6
4	1,2H	7,8
5	1,4H	9,2

Następnie mieszano przez 5 min i pozostawiono na 15 min. Przesączono i w przesączu oznaczono odczyn, twardość pozostałą, zawartość fosforanów

Nr zlewki	Dawka fosforanu [cm^3]	Odczyn	Twardość węglanowa	Twardość ogólna	Twardość niewęglanowa
1	3,9	0,81	3,0	5,40	2,4
2	5,3	0,83	2,16	4,30	2,14
3	6,6	0,86	1,20	3,30	2,10
4	7,8	0,88	0,96	2,90	1,94
5	9,2	0,90	0,72	2,52	1,80

V. Oznaczenie fosforanów w wodzie zmiękczonej

Z przesączonej wody pobrać do zlewek po 1 i 2 cm³ dodać do każdej po 2 cm³ molibdenu amonu i po 0,5 cm³ ................. . Dobrze wymieszać i po 10 min odczytać zawartość fosforanów w wodzie zmiękczonej.

Ilość dodanej wody badanej [cm^3]	Zawartość fosforanów [mg/dm^3]
1	0,214
2	0,487
1	0,316
2	0,487
1	0,370
2	0,809
1	0,595
2	1,11
1	0,729
2	1,66

Zestawienie parametrów i wyników badań nad zdolnością wody do zmiękczania za pomocą fosforanów

Oznaczenie	Jednostka	Woda badana	Woda zmiękczona
Temperatura	K	287	287
Obliczona dawka Na3PO4	cm^3	6,6	------
Czas zmiękczania	min	15	------
Odczyn	pH	7,2	------
Zasadowość M	mval/dm^3	3,2	-------
Twardość ogólna	mval/dm^3	5,8	------
Twardość pozostała	mval/dm^3	2,6	------
Zawartość fosforanów	mg/dm^3

VI. Wnioski

Twardość wody po dodaniu fosforanu trójsodowego zmniejszyła się. Lepszy efekt uzyskałoby się w przeprowadzając doświadczenie ogrzewając próbki z wodą. Ilość fosforanów w wodzie po zmiękczaniu w przypadku dodania najmniejszej ilości fosforanów wyniosła ............a w przypadku dodania największej ilości fosforanów.........

---