TWARDOŚĆ WODY

Co to jest twardość wody?

Według słownika jest to cecha wody, będąca funkcją stężenia soli wapnia, magnezu i innych metali, które są zdolne do tworzenia soli na wyższym niż pierwszy stopniu utlenienia.

Twardość wody wyraża się w trzech różnych skalach:

• stopniach niemieckich (°n lub °d)

• stopniach francuskich (°f)

• milivalach na litr (mval/l)

Jak powstaje twardość wody?

Twardość wody spowodowana jest obecnością w wodzie rozpuszczalnych soli wapniowych i magnezowych. Sole wapnia i magnezu dostają się do wody w wyniku kontaktu zawartego w niej dwutlenku węgla

z glebą i skałami zawierającymi wapienie i magnezyty. Wówczas trudno rozpuszczalne w wodzie wapienie

i magnezyty przekształcają się w dobrze rozpuszczalne w wodzie wodorowęglany wapnia i magnezu.

Reakcja ta zwana chemicznym wietrzeniem wapieni ma następujący przebieg:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

MgCO3 + CO2 + H2O = Mg(HCO3)2

Wodorowęglany wapnia i magnezu powodują tzw. twardość węglanową wody, zwaną również twardością przemijającą. Siarczany oraz chlorki wapnia i magnezu (CaSO4,MgSO4, CaCl2, MgCl2) powodują twardość trwałą (stałą) wody. Suma twardości przemijającej i trwałej stanowi ogólną twardość wody.

Jakie są rodzaje twardości wody?

Jak już wspomniałem wyróżniamy następujące rodzaje twardości wody:

- twardość wapniową (przemijającą) - wywołaną rozpuszczalnymi solami wapnia,

- twardość magnezową (trwałą) - wywołaną solami magnezu,

- twardość ogólną - stanowiącą sumę twardości przemijającej i trwałej.

Ponadto ze względu na ilość i jakość znajdujących się w wodzie jonów rozróżnia się twardość wody:

- przemijającą (węglanową) - pochodzącą przede wszystkim od węglanów i wodorowęglanów wapnia i magnezu, które podczas gotowania są wytrącane w postaci osadu

- nieprzemijającą (niewęglanową) - spowodowaną obecnością siarczanów(VI), chlorków, azotanów(V) i innych rozpuszczalnych soli głównie wapnia i magnezu, które pozostają w wodzie po jej przegotowaniu.

Jak usuwać twardość wody?

Najogólniej, zmiękczanie wody polega na usuwaniu z niej jonów powodujących twardość tj. jonów Ca2+, Mg2+ oraz jonów innych metali jak: Fe2+, Mn2+, Al3+.

Zmiękczanie wody można przeprowadzić stosując:

1) destylację,

2) metody termiczne,

3) metody chemiczne,

4) metody fizyczno-chemiczne.

Destylacja daje wodę idealnie zmiękczoną, ponieważ pozbawiona jest wszystkich soli. Koszty zmiękczania tą metodą są jednak wysokie i w przemyśle nie ma ona większego zastosowania.

Metody termiczne usuwania twardości wody polegają na ogrzewaniu wody do ok. 100oC, wówczas bowiem następuje rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu, z wydzieleniem trudno rozpuszczalnego węglanu wapnia, węglanu magnezu i wodorotlenku magnezu.

Chemiczne metody usuwania twardości wody (zmiękczania) polegają na strąceniu nierozpuszczalnych osadów, w skład których wchodzą nierozpuszczalne związki wapnia i magnezu.

Jednym ze sposobów jest zastosowanie metody sodowo-wapiennej. Wodę zadaje się wapnem

gaszonym i sodą. Wapno usuwa twardość przemijającą zgodnie z reakcjami:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3↓ + 2H2O

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = MgCO3↓ + CaCO3↓+ 2H2O

MgCO3 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2↓ + CaCO3↓

Soda natomiast usuwa twardość trwałą. Przypuśćmy, że reaguje z nią siarczan(VI) wapnia i chlorek magnezu:

CaSO4 + Na2CO3=CaCO3↓ + Na2SO4

MgCl2+ Na2CO3 = MgCO3↓ + 2NaCl

W obu reakcjach zmiękczania powstają nierozpuszczalne węglany wapnia i magnezu w postaci szlamistego osadu, który zostaje odfiltrowany lub osiada na dnie zbiorników (nie tworząc kamienia kotłowego). Metoda ta jest szeroko stosowana, gdyż jest tania i prosta.

Innym chemicznym sposobem usuwania twardości wody jest tzw. szczepienie kwasami, polegające na dodawaniu mocnych kwasów. W wyniku tego zachodzi rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu wg reakcji:

Ca(HCO3)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O + 2CO2↑

Mg(HCO3)2 + 2HCl = MgCl2 + 2H2O + 2CO2↑

Ten sposób usuwania twardości przeciwdziała utworzeniu się kamienia kotłowego, ale niestety zwiększa własności korozyjne wody.

Zmiękczanie fosforanami polega na usuwaniu soli wapnia i magnezu w postaci nierozpuszczalnych osadów fosforanowych. Koszt zmiękczania fosforanami jest wyższy niż innymi chemikaliami i dlatego tę metodę stosuje się do zmiękczania wody o niewielkiej twardości lub jako uzupełnienie innych metod.

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

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

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

3MgCl2 + 2Na3PO4 = Mg3(PO4)2↓ + 6NaCl

Fosforany nie powodują korozji żelaza, zapobiegają tworzeniu się kamienia kotłowego rozkładając kamień już istniejący.

Metody fizyczno-chemiczne usuwania twardości wody to między innymi stosowanie jonitów, tj. wymieniaczy jonowych - substancji mających zdolność do wymiany kationów (kationity) lub anionów (anionity). Jonity nie rozpuszczają się w wodzie, lecz reagują na swojej powierzchni ze związkami zawartymi w wodzie. Dawniej zmiękczanie wody przeprowadzano za pomocą zeolitów, czyli naturalnych kationitów nieorganicznych, z grupy glinokrzemianów metali lekkich np. Na2Al2SiO4O12. Ostatnio jednak zeolity zastępowane są przez syntetyczne żywice jonowymienne o dużej masie molowej. Oczyszczana woda przepuszczana jest najpierw przez kationit, który wymienia zawarte w wodzie kationy na jony wodorowe a następnie przez anionit, który wymienia aniony na jony wodorotlenkowe łączące się z jonami wodorowymi na obojętne cząsteczki wody.

Co to jest kamień kotłowy?

Kamień kotłowy jest to osad tworzący się na ściankach urządzeń (kotłów, chłodnic itp., także domowych czajników) w wyniku wytrącania się z wody związków mineralnych, głównie soli magnezu i wapnia. Kamień kotłowy znacznie zmniejsza przewodność cieplną ścianki, co w urządzeniach grzejnych powoduje wzrost zużycia paliwa i lokalne przegrzewanie rur, grożące eksplozją, a w urządzeniach chłodzących zmniejsza skuteczność chłodzenia. Przeciwdziałanie powstawaniu kamieniowi kotłowemu polega głównie na uzdatnianiu wody (oczyszczanie, zmiękczanie).

Innym popularnym sposobem ochrony instalacji jest montowanie urządzeń, które zapobiegają tworzeniu się kamienia kotłowego lub redukują już istniejący, nie zmieniając stopnia twardości wody. Do tej grupy zalicza się magnetyzery, urządzenia elektrolityczne, elektroniczne oraz wykorzystujące właściwości polifosforanów. Są one stosunkowo tanie i w większości wypadków bezobsługowe. Ważne jest także to, że do wody nie trzeba dodawać substancji chemicznych. Magnetyzery są przeznaczone do stosowania w instalacjach wewnętrznych budynku. Montuje się je w odległości minimum 1 m od urządzeń, które mają chronić.

Można wyróżnić dwa typy tych urządzeń:
• nakładkowe - montowane na rurze bez ingerencji w instalację,
• przepływowe - wmontowane bezpośrednio w rurę.

Tomasz Opiekulski

klasa III F

---