1. Podstawy teoretyczne.

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.

Jednostki twardości:

1mval - 2,8^o n

1mval - 50mg CaCO₃/dm³

1mval - 10mg CaO/dm³

Rozróżniamy:

Twardość ogólna TwO
Twardość według kationów				Twardość według anionów
Symbol	Rodzaj twardości		TwW	Twardość węglanowa	TwN	Twardość niewęglanowa
TwCa	wapniowa		TwWCa	Ca(HCO)2	TwNCa	CaSO4
									Ca(OH)2		CaCl2
									CaCO3		Ca(NO3)2
				TwMg		magnezowa		TwWMg	Mg(HCO)2	TwNMg	MgSO4
									Mg(OH)2		MgCl2
									MgCO3		Mg(NO3)2

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 przeprowadzane jest przez strącanie (metodami termicznymi lub metodami chemicznymi), lub przez jonitowanie.

I. Strącanie

1. Metody termiczne

• Dekarbonizacja wody

2. Metody chemiczne

• Strącanie wody metodą wapienno - sodową

• Zmiękczanie wody ługiem sodowym i sodą

• Zmiękczanie wody fosforanami

II. Jonitowanie

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⁺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.

2. Cel i zakres ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest oznaczenie zmiękczalności wody za pomocą fosforanu trójsodowego.

3. Metodyka wykonania ćwiczenia.

Przed przystąpieniem do oznaczenia zdolności wody do zmiękczania fosforanem trójsodowym, należy wykonać analizę wody badanej:

• odczyn pH - badanie odczynu wody zostało wykonane metodą potencjometryczną za pomocą pH-metru.

• zasadowość - oznaczenie dokonano wobec metylooranżu (pH 7,4 czyli zasadowość M). Do próby dodano 3 krople roztworu oranżu metylowego i zmiareczkowano kwasem solnym 0,1 n HCl (z barwy żółtej do pomarańczowej).

• twardość ogólną - do badanej próby dodano nadmiar kwasu solnego oraz wymagane odczynniki. Następnie zmiareczkowano próbę wersenianem sodowym 0,02 n do uzyskania barwy zielonkawej.

• twardość węglanową - jest równa zasadowości ogólnej M.

• twardość niewęglanową - określono na podstawie różnicy twardości ogólnej i węglanowej.

W oparciu o wyznaczoną twardość węglanową i niewęglanową wody badanej obliczono orientacyjną dawkę fosforanu trójsodowego wg wzoru Haendelera (tabela nr 1).

Po wyznaczeniu orientacyjnej dawki fosforanu trójsodowego obliczono objętość roztworu fosforanu sodowego potrzebną do zmiękczenia 1 dm³ badanej wody.

Obliczone dawki fosforanu trójsodowego

Nr próby	Dawka fosforanu [mg/dm^3]
1	0,6H	1,5
2	0,8H	2,0
3	1H	2,5
4	1,2H	3,0
5	1,4H	3,5

Tabela nr 1

Do 5 zlewek wlano po 0,750 dm³ badanej wody i dodano obliczone dawki Na₃PO₄. Następnie ogrzewano roztwory na elektrycznej łaźni wodnej przez 15 minut w temperaturze 70°C. Zlewki odstawiono, aby zaszedł proces sedymentacji. Następnie roztwory przesączono przez sączek. W przesączu należało dokonać analizy wody zmiękczonej: odczyn, zasadowość M, twardość pozostała i określeniu zawartości fosforanów (tabeli nr 2).

Nr próby	Dawka fosforanu [mg/dm^3]	Odczyn	Zasadowość M [mval/l]	Twardość Pozostała [mval/dm^3]	Zawartość fosforanów [mg/dm^3]
0,6H	1,5	6,2	3,6	3,57	0,221
0,8H	2,0	6,3	3,7	3,21	0,247
1,0H	2,5	6,4	3,4	2,57	0,312
1,2H	3,0	6,5	3,3	2,07	0,332
1,4H	3,5	6,6	3,0	1,54	0,419

Tabela nr 2.

• odczyn pH - badanie odczynu wody zostało wykonane metodą potencjometryczną za pomocą pH-metru dla wszystkich dawek.

• zasadowość - oznaczenie dokonano wobec metylooranżu (pH 6,2; 6,3; 6,4; 6,5; 6,6-czyli zasadowość M). Do próby dodano 3 krople roztworu oranżu metylowego i zmiareczkowano kwasem solnym 0,1 n HCl (z barwy żółtej do pomarańczowej).

• twardość pozostałą - oznaczenie wymagało sporządzenia wskaźnika „na wodzie wodociągowej”. Wskaźnik ten wlewano do każdej z prób w ilości 10 cm³. Wszystkie pozostałe czynności wykonano jak przy twardości ogólnej.

• Ostatnim oznaczeniem było zbadanie zawartość fosforanów w wodzie zmiękczonej. Pobrano wymaganą ilość przesączu, dodano odpowiednie odczynniki, po wymieszaniu odczekano 10 minut i przy długości fali λ= 690 nm odczytano ekstynkcję.

4. Wyniki badań.

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

Oznaczenie	Jednostka	Woda badana	Woda zmiękczona
Temperatura	K	293	293
Obliczona dawka Na3PO4	mg/dm^3	-	0.6H	0.8H		1H		1.2H		1.4H
						1,5	2,0		2,5		3,0		3,5
Czas zmiękczania	min	15	-
Odczyn	pH	7,4	0.6H		0.8H		1H		1.2H		1.4H
						6,2		6,3		6,4		6,5		6,6
			Zasadowość M	mval/dm^3	3,2	0.6H		0.8H		1H		1.2H		1.4H
						3,6		3,7		3,4		3,3		3,0
Twardość ogólna	mval/dm^3	5,18	-
Twardość pozostała	mval/dm^3	-	0.6H		0.8H		1H		1.2H		1.4H
						3,57		3,21		2,57		2,03		1,54
			Zawartość fosforanów	mg/dm^3	-	0.6H		0.8H		1H		1.2H		1.4H
						0,221		0,247		0,312		0,332		0,419

Tabela nr 3.

Porównując:

• Odczyn przed zmiękczeniem wynosił 7,4. Po zmiękczeniu odczyn zmalał.

• Zasadowość przed zmiękczeniem wyniosła 3,2 mval/dm³. Po zmiękczeniu nastąpił wzrost zasadowości M.

• twardość ogólna wody przed zmiękczeniem wyniosła 5,18 mval/dm³. Po zmiękczeniu twardość pozostała zmalała.

5. Obliczenia.

twardość węglanowa =
zasadowość ogólnej M

gdzie:

b - ogólna ilość 0,1 n kwasu solnego zużyta na zmiareczkowanie próby wody wobec metylooranżu [ w ml ] ,

0,1 - przelicznik : 1 ml 0,1 n kwasu solnego odpowiada 0,1 mval,

V - objętość próby wody wziętej do oznaczenia [ w ml ].

Tw_w = 3,2 mval/dm³

twardość ogólna

Tw_o =
[ mval/dm³ ]

gdzie:

Tw_o - twardość ogólna [ w mval/dm³ ],

a - ilość wersenianu sodowego zużyta na zmiareczkowanie próbki wody zmiękczonej [ w cm³ ],

0,1 - przelicznik : 1 cm³ roztworu wersenianu sodowego = 0,1°twardości,

V - objętość próbki wody zmiękczonej wzięta do oznaczenia

[w cm³ ]

Tw_o =
[ mval/dm³ ]

twardość niewęglanowa

Twardość niewęglanowa = Twardość ogólna - Twardość węglanowa

Tw_n= 5,18 mval/dm³ - 3,2 mval/dm³ = 1,98 mval/dm³

optymalna dawka fosforu trójsodowego wg Haendelera

H = 106,4 tw_nw + 17,9 tw_w

gdzie:

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

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

tw_nw = 1,9 mval/dm³ --> [Author:K]

tw_w - twardość węglanowa wody badanej [ mval/dm³ ]

tw _w = 3,1 mval/dm³

--> [Author:K] H = 106,4 * 1,98 + 17,9 * 3,2 = 165,66 mg/dm³ Na₃PO₄

objętość roztworu fosforanu sodowego w cm³ do zmiękczania 1 dm³ badanej wody

gdzie:

C - stężenie fosforanu trójsodowego [ w mg/dm³ ]

C = 50 000 mg/dm³

H - dawka fosforu sodowego [ mg/dm³ Na₃PO₄ ]

H = 257,65 mg/dm³ Na₃PO₄

6. Wnioski.

Osiągnięto cel ćwiczenia, czyli badana woda została w znacznym stopniu zmiękczona. Twardość ogólna przed zmiękczaniem wynosiła: 5,18 [mval/dm³], po procesie twardość pozostała dla poszczególnych dawek fosforanu trójsodowego Na₃PO₄ miała wartości: (3.57; 3.21; 2.57; 2.03; 1.54 )[mval/dm³].

Na podstawie wykresu stwierdzono: wraz ze wzrostem dawki fosforanu twardość maleje.

7. Literatura.

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

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

Uniwersytet Zielonogórski

Wydział Inżynierii Lądowej

i Środowiska

SPRAWOZDANIE NR 1

„Oznaczanie zdolności wody do zmiękczania za pomocą fosforanu trójsodowego”

Aneta Wojewódka

Kamila Wódz

Agnieszka Zalewska

Grupa 45B

---