Woda, H₂O, tlenek wodoru, jest jednym z najważniejszych i najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie związków chemicznych. Jej cząsteczka jest dipolem. Występuje w stałym obiegu wskutek działania energii słonecznej oraz siły ciężkości. Elementami składowymi cyklu są opady atmosferyczne, odpływ i parowanie. Około 4/5 opadów trafia bezpośrednio do oceanu światowego, reszta na powierzchnię lądów. Woda stanowi jedną z geosfer, tzw. hydrosferę. Zajmuje ona ponad 2/3 powierzchni Ziemi. Znajduje się również w skałach skorupy ziemskiej, oraz w postaci pary wodnej w atmosferze. W rejonach biegunów Ziemi występuje w stanie stałym jako trwała pokrywa lodowa, w wysokich partiach gór tworzy lodowce. Występuje także w stanie związanym jako woda konstytucyjna, krystalizacyjna i zeolityczna. Część wody trafiająca z opadów na powierzchnię lądów wyparowuje z powrotem do atmosfery, pozostała zaś część bądź spływa bezpośrednio z powierzchni lądów, bądź wsiąka do gleby, infiltrując w grunt. Część jej zostaje pobrana przez rośliny, a część po osiągnięciu wód gruntowych spływa ku źródłom, mokradłom, rzekom, jeziorom i oceanom tworząc tzw. odpływ podziemny.

Można przyjąć, że objętość wszystkich wód ziemskich wynosi 1360*10⁶ km³[1]. Naturalne wody stanowią zwykle rozcieńczone roztwory różnych soli, zawierające rozpuszczone gazy, zawiesiny mineralne oraz mikroorganizmy takie jak bakterie i inne drobnoustroje. Obecność w wodzie poszczególnych składników zależy od jej pochodzenia. Stosunkowo najczystsze są wody opadowe, zwykle zawierają niewielkie ilości rozpuszczonych gazów, głównie azotu, tlenu, dwutlenku węgla, w mniejszych ilościach dwutlenku i trójtlenku siarki (kwaśne deszcze).

Woda jest jednym z podstawowych składników żywych organizmów. Umożliwia przebieg procesów przemiany materii, a także bierze udział w wielu z tych procesów. Dla licznych roślin i organizmów wodnych stanowi jedyne środowisko, w którym mogą przebywać. Między roślinami i ich otoczeniem zachodzi nieustanna wymiana wody, co ma bardzo ważne znaczenie dla ogólnego bilansu krążenia wody w przyrodzie.

Woda znajduje szerokie zastosowanie: używana jest do spożycia, do celów gospodarczo bytowych, w rolnictwie i w przemyśle. Ze względu na duże ciepło właściwe i ciepło parowania używana jest jako nośnik ciepła w chłodnictwie, ogrzewnictwie i energetyce. Energię potencjalną wód płynących zamienia się na elektryczną w hydroelektrowniach i jest to źródło tzw. energii odtwarzalnej, nie zanieczyszczającej środowiska. Jako dobry rozpuszczalnik woda stanowi środowisko wielu reakcji chemicznych. Używana jest do rozdzielania substancji metodą flotacji lub sedymentacji, do przemywania osadów, oczyszczania substancji przez krystalizację itp. Jest również substratem wielu procesów chemicznych, np. otrzymywania kwasów, zasad itp. Jest surowcem do otrzymywania wodoru i tlenu. W przyszłości wodór może mieć zastosowanie jako paliwo czyste ekologicznie.

W Polsce gospodarowanie wodami reguluje "Prawo Wodne", Ustawa z dnia 18 lipca 2001 roku, która weszła w życie z dniem 1 stycznia 2002 roku z wyjątkiem art. 2 ust 3., ktory wszedł w życie 1 stycznia 2003 roku. [Komentarz]

Wskaźniki jakości wody

Wskaźniki fizyczne

Mętność

Mętność wody wywołują zawiesiny organiczne jak np. związki humusowe i nieorganiczne takie jak trudnorozpudszczalne wodorotlenki metali np. (Fe(OH)₃ , Mn(OH)₂ , iły, gliny itp. Mętność oznacza się porównawczo w stosunku do wzorca jakim może być zawiesina ziemi okrzemkowej w wodzie (1mg / dm³ = 1⁰ skali mętności).

Barwa

Woda chemicznie czysta nie ma barwy. W warunkach naturalnch w grubych warstwach przymuje odcień błekitu. Wody zanieczyszczone przyjmują zabarwienie od związków chemicznych w nich rozpuszczonych. Jest to najczęściej zabarwienie zielono-żółte. Jako układ odniesienia przyjmuje się koloidalny wodny roztwór platyny (1 mg / dm³ = 1⁰ skali platynowej).

Smak i zapach

Są to parametry badane organoleptycznie. Smak i zapach nadają wodzie rozpuszczone w niej związki i nieorganiczne takie jak sole, kwasy, gazy i organiczne - najczęściej produkty metabolizmu organizmów żyjących w wodzie w warunkach naturalnych.

Temperatura

Jest funkcją energii cząsteczek. Ten parametr ma podstawowe znaczenie w technice cieplnej (chłodnictwo), a także w przemyśle spożywczym.

Wskaźniki chemiczne

Jako chemiczne wskaźniki jakości wody przyjmuje się: odczyn, utlenialność, zawartość substancji azotowych, chlorków, siarczanów, fosforanów, żelaza, manganu, krzemu, magnezu i wapnia (twardość), zasadowość, suchą pozostałość, rozpuszczone gazy itp.

Najistotniejsze z nich omówione zostaną niżej.

Odczyn

Wskazuje on, czy woda jest kwaśna czy alkaliczna. Odczyn większości wód naturalnych waha się w granicach 6,8-8,5 pH.

Zasadowość

Jest to własność wody spowodowana obecnością wodorotlenków, wodorowęglanów i węglanów Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺. Zasadowość może być zatem pochodzenia wodorowęglanowego, węglanowego i wodorotlenowego. Oznacza się dwa rodzaje zasadowości:

- typu "p" przez miareczkowanie HCl wobec fenoloftaleiny jako wskaźnika (pH przejścia = 7),

- typu "m" przez miareczkowanie HCl wobec oranżu metylowego jako wskaźnika (pH przejścia = 4,3).

Zasadowość typu "p" jest wywołana przez wodorotlenki, typu "m" jest sumą zasadowości wywołanych przez węglany, wodorowęglany, jednowodorofosforany, dwupodstawione itd. aż do pH = 4,3.
Wody naturalne wykazują zasadowość tylko wobec oranżu metylowego.

W technice kotłowej oznacza się również tzw.liczbę alkaliczną

LA = p 40

gdzie: p - zasadowość wobec fenoloftaleiny.

Utlenialność (ChZT)

Służy umownie do określenia substancji organicznych zawartych w wodzie. Oznacza się ją kilkoma metodami. Wartość ChZT oznaczana metodą nadmanganianową jest umowna, gdyż tylko ok. 60% substancji organicznych zawartych w wodzie ulega utlenieniu.

Gdy ilość jonów Cl^- jest mniejsza od 300 mg/dm³, utlenialność oznacza się w środowisku kwaśnym. Jeśli zawartość chlorków przewyższa 300 mg/dm³, należy stosować oznaczanie w środowisku zasadowym.

Twardość

Jest to zawartość jonów wapniowych i magnezowych w wodzie. Twardość wyraża się ilością milivali jonów wapniowych i magnezowych w decymetrze sześciennym wody. Do jej wyrażania stosowane są również tzw. stopnie twardości:

- niemiecki stopień twardości (⁰n) odpowiadający zawartości soli wapniowych i magnezowych
równoważnej 10 mg CaO w 1 dm³ wody,
- francuski stopień twardości (⁰f) odpowiadający zawartości soli wapniowych i magnezowych
równoważnej 10 mg CaCO₃ w 1 dm³ wody,
- angielski stopień twardości (⁰ Clarka) odpowiadający zawartości soli wapniowych i magnezowych
równoważnej 14,3 mg CaCO₃ w 1 dm³ wody.

Twardość jest cechą, która powoduje powstawanie kamienia kotłowego w urządzeniach grzewczych. W gospodarstwie domowym utrudnia pranie przez zwiększenie zużycia środków piorących. Na ogólną twardość składa się twardość węglanowa i niewęglanowa. Twardość węglanową nadają wodzie rozpuszczone wodorowęglany wapnia i magnezu. Można ją usunąć przez ogrzewanie wody do wrzenia. Pozostałe aniony i kationy tworzą tzw. twardość niewęglanową, której nie da się usunąć powyższym sposobem. Niewęglanową twardość tworzą rozpuszczone chlorki, siarczany, krzemiany, tj. jony Ca²⁺ i Mg²⁺ równoważne ilościowo anionom Cl^-, SO₄^2-, SiO₃^2-.

t_og = t_w + t_nw

Stosując inny podział mówi sią o twardości stałej i przemijającej.

t_og = t_st+ t_przem

Twardość stała pozostaje w wodzie po doprowadzeniu jej do wrzenia pod normalnym ciśnieniem. Następuje wtedy rozkład wodorowęglanów i wytrącenie węglanów:

Ca²⁺ + 2 HCO^- ==> CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Ponieważ część węglanów pozostaje w wodzie w postaci rozpuszczonej, w szczególności MgCO₃, który dopiero po długotrwałym gotowaniu próbki rozkłada się na:

MgCO₃ + H₂O ==> Mg(OH)₂ + CO₂

dlatego twardość przemijająca jest mniejsza od twardości węglanowej:

t_przem < t_w

Wskaźniki bakteriologiczne

Stopień zanieczyszczenia wody bakteriami określa się na podstawie liczby bakterii w 1 cm³. Ocena wody pod względem sanitarno-epidemiologicznym odbywa się na podstawie miana coli (bakterii okrężnicy). Okrężnica, to odcinek jelita grubego. Miano coli oznacza najmniejszą objętość wody w cm³, w której wykryto 1 bakterię okrężnicy. Bakterie te nie są szkodliwe dla zdrowia człowieka, ale ich występowanie sugeruje możliwość istnienia w wodzie również bakterii chorobotwórczych. Im mniejsze jest miano coli, tym woda jest bardziej zanieczyszczona. Dla wody nadającej się do picia powinno wynosić 100 i powyżej.

Tabela

Pełna analiza wody głębinowej z poziomu oligoceńskiego

Przykład wody konsumpcyjnej dobrej jakości.

UJĘCIE WARSZAWA - URSYNOW, SGGW. Głębokość ujęcia - 265 m*

Mętność	2,0 mg / dm^3
Twardość ogólna	5 mVal/dm^3
Twardość magnezowa	1,4 mVal/dm^3
Zawartość wapnia	40 mg / dm^3
Zawartość żelaza	0,25 mg / dm^3
Zawartość magnezu	17,1 mg / dm^3
Zawartość manganu	0,05 mg / dm^3
Zawartość glinu	0,00 mg / dm^3
Zawartość fluoru	0,62 mg / dm^3
Zawartość chlorków	103 - 250 mg / dm^3
Zawartość amoniaku	0,02 mg / dm^3
Zawartość azotynów	0,01 mg / dm^3
Zawartość azotanów	1,0 mg / dm^3
Zawartość siarkowodoru	0,0 mg / dm^3
Zawartość siarczanów	0.0 mg / dm^3
Zawartość fosforanów	0,1 mg / dm^3
Zawartość dwutlenku węgla	11,0 mg / dm^3
Zawartość tlenu rozpuszczonego	3,6 mg / dm^3
Zawartość krzemionki	40,0 mg / dm^3
Sucha pozostałość	545,0 mg / dm^3

*Analizę wykonała:

Wojewódzka Stacja Sanitarno-Epidemiologiczna Warszawa, ul. Żelazna 79.

RYS 1

Uzdatnianie wody

Pojęcie to oznacza dostosowanie właściwości i składu wody do wymagań wynikających z jej przeznaczenia. Aby to osiągnąć, wodę należy poddać odpowiednim zabiegom takim jak: klarowanie, odbarwianie, odżelazianie, odmanganianie, dezodoryzacja, dezynfekcja, odgazowanie, zmiękczanie, odkrzemianie, odsalanie, demineralizacja, stabilizacja, dezaktywacja i fluorowanie. Wymienione zabiegi mogą być realizowane za pomocą różnych procesów. Nie stosuje się wszystkich jednocześnie, lecz dokonuje się odpowiedniego ich doboru. Podstawą doboru powinny byś fizyczne, chemiczne i biologiczne badania wody z ujęć oraz badania mające na na celu ustalenie procesów niezbędnych do uzyskania wymaganego efektu uzdatniania wody.

W instalacjach do uzdatniania wody stosuje się szereg połączonych procesów jednostkowych. Rysunek 1 przedstawia jedną z możliwości rozwiązania uzdatniania wody do zastosowań bytowo - gospodarczych .

Rys. 1 Uzdatnianie (PAC - węgiel aktywny proszkowany, GAC - węgiel aktywny granulowany).Dla powiększenia proszę kliknąć myszą

Operacje

Klarowania dokonuje się na kilka sposobów np. przez koagulację zoli, sedymentację zawiesin i filtrację, to jest usuwanie zanieczyszczeń za pomocą przepuszczania wody przez ośrodek porowaty - filtr.
Koagulację prowadzi się w celu wytrącenia koloidów znajdujących się w wodzie, a następnie osadza się je i filtruje. Do koagulacji stosuje się: Al₂(SO₄)₃ (pH = 5,5 - 7,4 ), NaAlO₂ (pH = 7), FeCl₃ (pH > 4), FeSO₄ (pH =8,5).

Z powodu punktu izoelektrycznego, koagulację prowadzi się przy różnych wartościach pH.

W procesie koagulacji wyróżnia się dwa etapy:
- proces chemiczny, polegający na hydrolizie i reakcji koagulanta z substancjami zasadowymi w wodzie,
- proces fizykochemiczny polegający na zobojętnianiu ładunków i zlepianiu się cząstek koloidowych oraz powstawaniu kłaczków z jednoczesnym zjawiskiem adsorpcji i absorpcji.

W związku z tym proces prowadzi się dwustopniowo:
- dodawanie koagulanta i szybkie lecz krótkie mieszanie (1 - 2 min.)
-dłuższe i powolne (15 - 30 min) mieszanie, w czasie którego odbywa się flokulacja, tj. narastanie początkowo utworzonych kłaczków i adsorpcja przez nie bardzo drobnych zawiesin i cząstek koloidalnych.
Proces ten pozwala wytrącić z wody znaczną część zawiesin, co oszczędza filtry i wydłuża czas pomiędzy ich płukaniem.

Odżelazianie i odmanganianie przeprowadza się napowietrzając wodę zanieczyszczoną manganem i żelazem, co powoduje wytrącenie się osadów wodorotlenków, które następnie są usuwane w wyniku filtracji na odpowiednich filtrach. Zwiększenie pH przez dodatek Ca(OH)₂ powoduje szybszy przebieg procesu.

Wody podziemne często zawierają żelazo w postaci jonów Fe²⁺. Jest to powstały wskutek działania CO₂ dwuwęglan żelazawy Fe(HCO₃)₂ lub siarczan żelazawy FeSO₄. Jeżeli zawartość żelaza przekracza 0,3 mg/dm³ wodę należy oczyszczać. Żelazo w postaci dwuwodorowęglanu łatwo hydrolizuje do Fe(OH)₂, a następnie utlenia się tlenem z powietrza do Fe(OH)₃. Proces przebiega w środowisku obojętnym i zasadowym.
Jeżeli pH < 7, należy wstępnie usunąć CO₂ przez napowietrzanie lub wapnowanie. Wapnowania wymagają wody zawierające żelazo w postaci FeSO₄:

FeSO₄ + Ca(OH)₂ ==> Fe(OH)₂ + CaSO₄

Dalszy proces przebiega jak wyżej. Mangan towarzyszy żelazu jako dwuwęglan Mn(HCO₃)₂ lub siarczan MnSO₄. Węglan jest strącany podobnie jak żelazo, siarczan wymaga zastosowania odpowiednio uformowanego złoża manganowego. Są to wypełnienia ceramiczne pokryte dwutlenkiem manganu MnO₂.

Dezynfekcja ma na celu zniszczenie bakterii i mikroorganizmów zawartych w wodzie. Dokonuje się tego przez chlorowanie, ozonowanie oraz naświetlanie promieniami ultrafioletowymi.

Chlorowanie wody prowadzi się przez dozowanie wody chlorowej. Zachodzą wtedy następujące reakcje:

Cl₂ + H₂O ==> HClO + HCl

HClO ==> H⁺ + OCl^-

Jon OCl^- jest aktywnym środkiem utleniającym i dezynfekcyjnym. Dawka chloru dla wody o przeciętnych własnościach wynosi 0,3 - 1 mg/dm³.

Ozon, O₃, jest trójatomową odmianą alotropową tlenu. W atmosferze ziemskiej występuje w śladowych ilościach (10 ^{- 6}%) i dopiero w wyższych warstwach jego stężenie wzrasta. Można go otrzymać w aparatach zwanych ozonizatorami przez działanie wyładowaniem koronowym wysokiego napięcia na tlen gazowy. Również naświetlanie tlenu gazowego promieniami ultrafioletowymi (poniżej 190 nm) powoduje utworzenie ozonu.

Woda mieszana jest z ozonem w mieszalnikach eżektorowych i nasycona przepływa przez kolumnę kontaktową, gdzie zachodzi proces dezynfekcji. Zużycie ozonu wynosi 0,6 - 4 mg/m³, czas kontaktu z wodą ok. 10 min.

Cząsteczka ozonu ulega rozkładowi tworząc tlen atomowy,

O₃ ==> O₂ + O

Tlen atomowy jest silnym środkiem utleniającym i bakteriobójczym.
Wodę można dezynfekować również przez bezpośrednie naświetlanie promieniami ultrafioletowymi.

Odgazowanie ma na celu usunięcie gazów rozpuszczonych w wodzie. Jednym z nich jest dwutlenek węgla. W zależności od pH może występować jako:

- gazowy przy pH < 4,

- jon HCO₃^- przy pH = 8,4,

- jon CO₃^2- przy pH > 10,5.

Ta część dwutlenku węgla, która jest niezbędna do zabezpieczenia przed rozkładem rozpuszczonych w H₂O wodorowęglanów, nazwana jest agresywnym dwutlenkiem węgla. Jest on bardzo aktywny, powoduje korozję metali. Ponadto rozpuszcza CaCO₃ , np. w betonie konstrukcyjnym. Agresywność wody wzrasta, gdy przy tym samym stężeniu agresywnego CO₂ wzrasta zawartość soli. Wykorzystując spadek rozpuszczalności gazów wraz ze wzrostem temperatury, można je usunąć przez ogrzewanie wody. Obniżenie ciśnienia nad cieczą jest sposobem mniej energochłonnym i prowadzącym do podobnych rezultatów.

Zmiękczania wody dokonuje się wytrącając związki wapnia i magnezu, przez ogrzanie wody, co usuwa twardość przemijającą. Użycie reagentów chemicznych, takich jak wapno i soda, polifosforany itp. prowadzi do podobnych efektów. Zastosowanie wymieniaczy jonowych - jonitów, pracujących w cyklu sodowym, spowoduje wymianę jonów Ca²⁺ i Mg²⁺ z wody na jony Na⁺, co zmniejsza jej twardość .

Woda nieuzdatniona (twarda) wytwarza osady kamienia i mułu kotłowego. Są to ciała stałe o różnej gęstości i składzie, powstające wewnątrz kotłów i wymienników cieplnych w czasie ich eksploatacji i naruszające normalną pracę powierzchni przewodzącej ciepło. Kamień tworzy się na ściankach urządzeń, muł jest osadem nie związanym z powierzchnią grzejną, powstaje w warstwie wody kotłowej. Oprócz tego tworzy się tzw. kamień wtórny. Są to cząstki mułu, na których krystalizują substancje z roztworów przesyconych. Zlepiając się w nieobciążonych częściach aparatów, tworzą złogi kamienia wtórnego. Kamień powstaje w wodzie wrzącej. Im gwałtowniejsze wrzenie, tym łatwiej tworzą się osady mułu.

Kamień kotłowy jest złym przewodnikiem ciepła. Jego współczynnik przewodności wynosi 0,3 - 21 kJ/m h⁰C. Wartość współczynnika w mniejszym stopniu zależy od składu chemicznego kamienia kotłowego natomiast zależy od jego porowatości. Najmniejszym współczynnikiem przewodności cieplnej charakteryzuje się kamień krzemianowy (0,29 - 0,83 kJ/m h⁰C). Jest zatem najniebezpieczniejszy, doprowadza do lokalnych przegrzań kotłów i ich awarii.

Ze względu na skład chemiczny rozróżnia się:

- kamień węglanowy (CaCO₃ i MgCO₃),

- kamień siarczanowy (CaSO₄),

- kamień krzemianowy (o podwyższonej zawartości związków krzemu).

Kamień węglanowy występuje najczęściej w wymiennikach, kondensatorach turbin parowych, kotłach zasilanych twardą wodą, np. destylacyjnych. Kamień krzemianowy tworzy się w najbardziej wytężonych częściach kotłów. W skład kamienia mogą wchodzić inne substancje, np. tlenki żelaza, oleje itp.

Poprawianie wody to najprostszy sposób zabezpieczania kotłów przed kamieniem. Polega on na dodawaniu do wody zasilającej węglanu lub wodorotlenku sodu. Zachodzą wtedy następujące reakcje:

Ca²⁺ + CO₃^2- ==> CaCO₃

Mg²⁺ + 2 OH^- ==> Mg(OH)₂

OH^- + HCO^- ==> CO₃^2- + H₂O

CO₃^2- + HOH ==> 2 OH^- + CO₂

Ze względu na zależność równowagi ostatniej reakcji od ciśnienia, metodę tę stosuje się w przypadku kotłów pracujących do ciśnienia 1,6 MPa.
Fosforany sodowe Na₃PO₄ i Na₂HPO₄ * 12H₂O stosuje się w kotłach pracujących pod wyższym ciśnieniem. Działanie fosforanów nie powoduje wydzielania się produktów lotnych i pienienia wody. Zachodzą wtedy następujące reakcje:

10Ca²⁺ + 6PO₄^3- + OH^- ==> Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂

3Mg²⁺ + 2PO₄^3- ==> Mg₃(PO₄)₂

Przy utrzymywaniu w wodzie kotłowej małego nadmiaru jonów PO₄^3- zawartość jonów Ca²⁺ i Mg²⁺ jest tak mała, że nie powstają kamieniotwórcze osady krzemianu i siarczanu wapniowego.
Niskociśnieniowe kotły parowe można czyścić z kamienia metodą chemiczną, roztwarzając go w roztworach kwasów np. HCl. Aby zapobiec nadgryzaniu kotła, do roztworów czyszczących dodaje się inhibitorów korozji, takich jak furfurol, urotropina lub formaldehyd.

Kamienie nierozpuszczalne w HCl, H₂SO₄, H₃PO₄ itp. rozpuszcza się fluorowodorem.

SiO₂ + 4HF ==> SiF₄+ 2H₂O

W praktyce stosuje się fluorki amonu lub sodu w połączeniu z HCl. HCl wypiera z fluorków HF i dalej reakcja biegnie jak wyżej.

Zmiękczanie metodą wapno - soda jest jedną z metod zmiękczania strąceniowego. Prowadzi się ją w podwyższonej temperaturze ok. 60 - 80⁰C. Dodatek wapna Ca(OH)₂ powoduje strącenia węglanów wapnia, soda Na₂CO₃ strąca sole powodujące twardość niewęglanową. Zachodzą następujące reakcje:

Ca(OH)₂ + Na₂CO₃ ==> CaCO₃ + 2NaOH

CO₂ + 2NaOH ==> Na₂CO₃ + H₂O

CO₂ + Ca(OH)₂ ==> CaCO₃ + H₂O

Ca(HCO₃)₂+ Ca(OH)₂ ==> 2CaCO₃ + 2H₂O

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ ==> 2CaCO₃ + Mg(OH)₂ + 2H₂O

MgSO₄ + Ca(OH)₂ + Na₂CO₃ ==>Mg(OH)₂ + CaCO₃ + Na₂SO₄.

Schemat aparatu do zmiękczania wody metodą wapno-soda przedstawia rysunek poniżej. Twardość szczątkowa uzyskana tą metodą wynosi ok. 0,3 - 0,6 mval / dm³.

Opis schematu: 1 - głowny rozdzielacz wody, 2 - sytnik wapna, 3 - zbiornik przygotowawczy roztworu sody, 4 - ogrzewacz kaskadowy, 5 - reaktor, 6 - filtr.

Działanie aparatury

Woda surowa z rozdzielacza kierowana jest do sytnika wapna, w którym jest nasycana wodorotlenkiem wapniowym ( stężenie Ca(OH)₂ w nasyconym roztworze wodnym wynosi ok. 0.15% wagowego), do zbiornika przygotowawczego roztworu sody Na₂CO₃ i ogrzewacza kaskadowego. W ogrzewaczu strumień wody spływając po półkach spotyka się przeciwprądowo ze strumieniem pary grzejnej (system ogrzewania bezprzeponowego tzw. "parą ostrą"). Ciepło kondensacji pary podnosi temperaturę wody jednocześnie częściowo ją odgazowując.
Trzy strumienie mieszają się ze sobą w centralnej strefie reaktora, gdzie zachodzą opisane wcześniej reakcje chemiczne. W pobliżu dna reaktora strumień reagentów i produktów jest kierowany do zewnętrznej przestrzeni reaktora i zmniejsza liniową prędkość przepływu wskutek zwiększenia przekroju poprzecznego. Ułatwia to separację produktów stałych, jakimi są nierozpuszczalne sole i wodorotlenki. Opadają one do leja w dolnej części reaktora i w postaci szlamu okresowo usuwane są przez zawór.
Zmiękczona i wstępnie sklarowana woda kierowana jest przelewami do filtra, w którym zatrzymywane są drobniejsze frakcje osadów. Z filtra zmiękczona woda pobierana jest do użycia lub do dalszych operacji zmiękczania.

Dobór ilości i wzajemnego stosunku obu reagentów zależy od składu zmiękczanej wody.

Dawkę CaO [mg/dm³] można wyliczyć ze wzoru:

gdzie: t_w - twardość węglanowa, t_Mg - twardość magnezowa, t_CO2 - zawartość wolnego CO₂ [mval/dm³],

w - współczynnik przeliczeniowy dla CaO = 28

Dawkę Na₂CO₃ można wyliczyć ze wzoru:

gdzie: t_nw - twardość niewęglanowa [mval/dm³], w - współczynnik przeliczeniowy dla Na₂CO₃ = 53

Wartości stałe 0.5 i 1 określają nadmiar reagentów stosowany dla przeprowadzenia reakcji strącania całkowitego. [10]

Zmiękczanie fosforanami pozwala na usunięcie twardości węglanowej i niewęglanowej. Najlepsze efekty udaje użycie fosforanu trójsodowego Na₃PO₄ * 12H₂O. Ponieważ jest to metoda kosztowna, stosuje się ją jako proces końcowy po wstępnym zmiękczeniu metodą wapno-soda. Procesowi towarzyszą następujące reakcje:

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

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

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

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

Schemat aparatu do zmiękczania fosforanami przedstawia rysunek poniżej.
Twardość szczątkowa uzyskana tą metodą wynosi ok. 0,03 mval/dm³.

Opis schematu: 7 - reaktor, 8 - zbiornik roztworu fosforanu sodowego, 9 - filtr wody całkowicie zmiękczonej

Działanie aparatury

Reaktor dziala w podobny sposób, jak opisany powyżej. Różnica jest podwyższona do ok 90⁰ - 95⁰ C temperatura reakcji, w ktorej proces przebiaga w sposób optymalny.

Dawkę fosforanu można oszacować na podstawie empirycznego wzoru:

gdzie: tw_nw - twardość niewęglanowa wody wstępnie zmiękczonej, tw_w - twardość węglanowa wody wstępnie zmiękczonej; obie wartości w [mval/dm³] [10]

Inne źródła podają tzw. wzór Haendelera:

gdzie oznaczenia jak powyżej, ale dawka wyrażana w [g/m³] zmiękczanej wody. [7]

Zmiękczanie fosforanami ma dodatkową zaletę - usuwa z wody także krzemionkę.

3CaSiO₃ + 2Na₃PO₄ ==> Ca₃(PO₄)₂ + Na₂SiO₃

Powstający krzemian sodowy nie tworzy kamienia krzemianowego, z punktu widzenia wymiany ciepła - osadu najbardziej niebezpiecznego.

Demineralizacja wody jest najskuteczniejsza po poddaniu jej destylacji lub podwójnej destylacji. Są to jednak procesy energochłonne i przez to kosztowne. Tańszym sposobem jest stosowanie wielostopniowych wyparek, w których para z pierwszego stopnia kondensując ogrzewa drugi stopień wyparny itd. Kolejne stopnie wyparne pracują pod niższym ciśnieniem i w niższej temperaturze.

Demineralizację można prowadzić również metodami elektrochemicznymi, takimi jak elektrodializa i elektroosmoza. Elektrodializa polega na dyfuzji elektrolitów przez porowatą przeponę przy udziale prądu elektrycznego. Elektroosmoza to ruch cieczy w porach diafragmy pod wpływem prądu elektrycznego. Obie metody stosuje się głównie do odsalania wody morskiej.

Jedną z metod zmiękczania lub demineralizacji wody (całkowitego usunięcia rozpuszczonych soli mineralnych i gazów) jest metoda jonitowa. Ze względu na jej użycie w czasie ćwiczenia omówimy ją szerzej.

Powrót

---