INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI
		śCIEKI PRZEMYSŁOWE
IV ROK INŻYNIERII ŚRODOWISKA STUDIA DZIENNE GRUPA 44		03.03.2008
SPRAWOZDANIE I OZNACZANIE ZDOLNOŚĆI WODY DO ZMIĘKCZANIA ZA POMOCĄ FOSFORANU TRÓJSDOWEGO AUTORZY OPRACOWANIA:

1. Wstęp teoretyczny

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. 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. Twardość wody - jest to właściwość polegająca na zużywaniu pewnych ilości mydła bez wytwarzania piany podczas wytrząsania próby.

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⁺² 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, że 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:

3CaSiO₃ + 2Na₂PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 3Na₂SiO₃

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.

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zmiękczanie wody mające na celu usunięcie z niej twardości węglanowej i niewęglanowej za pomocą fosforanu trójsodowego.

3. Wykonanie ćwiczenia

Do 5-ciu zlewek o pojemności 1,5 dm³ wlaliśmy po 1 dm³ wody, a następnie wprowadziliśmy obliczone dawki fosforanu w ilości wynoszącej odpowiednio: 0,5H, 1,0H, 1,5H. Próby poddaliśmy szybkiemu i wolnemu mieszaniu odpowiednio przez 3 min i 5 min. Następnie roztwory przesączyliśmy przez sączek. W przesączu oznaczyliśmy: odczyn, twardość pozostałą, zasadowość F i M, zawartość fosforanów.

4. Metodyka obliczeń

• Obliczenie orientacyjnej dawki fosforanu trójsodowego za pomocą wzoru Haendelera:

gdzie:

H - dawka fosforanu sodowego, [mg/dm³] Na₃PO₄

tw_nw - twardość niewęglanowa badanej wody, [mval/dm³]

tw_w - twardość węglanowa badanej wody, [mval/dm³]

Objętość roztworu fosforanu sodowego w cm³ potrzebną do zmiękczenia 1 dm³ badanej wody oblicza się ze wzoru:

gdzie:

C - stężenie fosforanu trójsodowego, [mg/dm³],

Dawki:

Próba 1: 0,5V = 2,73 [cm³/dm³]

Próba 2: 1,0V = 5,45 [cm³/dm³]

Próba 3: 1,5V = 8,18 [cm³/dm³]

• Przy ściekach gdzie pH >8,3 przed oznaczeniem zasadowości ogólnej M (wobec metylooranżu) oznaczyliśmy zasadowość F (wobec fenoloftaleiny). Zasadowość obliczyliśmy odpowiednio według wzorów:

gdzie:

a - ilość 0,1 molowego kwasu solnego, zużyta na zmiareczkownie próby wody wobec fenoloftaleiny, cm³

b - ogólna ilość 0,1 molowego kwasu solnego zużyta na zmiareczkowanie próby wobec fenoloftaleiny i metylooranżu, cm³

0,1 - przelicznik: 1 cm³ 0,1 molowego kwasu solnego odpowiada 0,1 mval

V - objętość próby wody wziętej do oznaczenia, cm³

• Zasadowość w wody surowej

• Zasadowość wody po zmiękczaniu

• Próba 1

• Próba 2

• Próba 3

• Twardość ogólna

gdzie:

a - objętość 0,02 M roztworu wersenianu użyta do zmiareczkowania próby wody,cm³,

V - objętość próbki badanej wody, cm³,

0,04 - współczynnik przeliczeniowy określający ilość wapnia i magnezu odpowiadająca 1 cm³ 0,02 M roztworu wersenianu sodu, mval,

• Twardość ogólna wody surowej

Z teorii wiemy, że wody naturalne nie zawierają wodorowęglanów czy węglanów sodu i potasu. Dzięki temu twardość węglanowa jest równa zasadowości ogólnej M.

Oprócz twardości węglanowej nalezało określić twardość niewęglanową, która została określona na podstawie różnicy twardości ogólnej i węglanowej.

Twardość ogólna = twardość węglanowa + twardość niewęglanowa

zatem:

twardość niewęglanowa = 5,64 - 3,7 = 1,94 [mval/dm³]

• Twardość ogólna wody po zmiękczaniu

• Próba 1

• Próba 2

• Próba 3

5. Tabela wyników

Oznaczenie	Jednostka	Badana woda	Woda zmiękczona
Temperatura	°C	21	21	21	21
Obliczona dawka Na3PO4	cm^3/dm^3	-	2,73	5,45	8,18
Czas zmiękczania	min	8	-	-	-
Odczyn	pH	7,7	8,5	9,0	9,7
Zasadowość F	mval/dm^3	-	0,7	0,9	1,6
Zasadowość M	mval/dm^3	3,7	3,6	4,3	5,5
Twardość ogólna	mval/dm^3	5,64	3,2	1,52	0,6
Twardość ogólna	°n	15,80	8,96	4,26	1,68
Zawartość fosforanów	mg/dm^3	-	-	-	-

6. Wnioski

Po przeprowadzeniu ćwiczenia stwierdziliśmy, że w znacznym stopniu udało nam się obniżyć twardość ogólną badanej wody, która przed procesem zmiękczania wynosiła 5,64 [mval/dm³]. Po zastosowaniu największej dawki fosforanu trójsodowego twardość badanej próby wody zmalała do wartości 0,6 [mval/dm³]. Jednakże z teorii wiemy, że proces zmiękczania wody fosforanami należy prowadzić do uzyskania twardości szczątkowej wynoszącej 0,035 ÷ 0,07 [mval/dm³]. Po przeprowadzeniu ćwiczenia zauważyliśmy, że wraz ze wzrostem dawki fosforanu trójsodowego twardość ogólna wody maleje. Stopień twardości wody przed procesem zmiękczania wyniósł 15,8° co klasyfikuje tą wodę do wody o średniej twardości, natomiast po procesie do wody bardzo miękkiej. Podczas przeprowadzania ćwiczenia popełniliśmy błąd przy oznaczaniu zawartości fosforanów w badanej próbie wody. Z teorii jednak wiemy, ze wraz ze wzrostem dawki zawartość fosforanów w wodzie wzrasta.

7. Literatura

1. E. Gomółka, W. Szypowski: Ćwiczenia laboratoryjne z technologii wód przemysłowych, Wrocław 1975.

2. W. Hermanowicz: Fizyko-chemiczne badanie wody i ścieków. Arkady, Warszawa 1976.

3. E. Grygorczuk, J. Miedziałowski, T. Wierzbicki: Technologia wody i ścieków. Część 1, Woda pitna i przemysłowa, Białystok 1988.

---