Жесткость воды и ее практическая значимость
Содержание
Введение…………………………………………………………
1.Жесткость воды и ее практическая значимость……………………………5
1.1.Вода
в промышленности и быту. Показатели качества
воды…………6
1.2.Постоянная и временная
1.3.Методы определения и устранения жесткости
воды (краткий обзор)…..12
2.Определение и устранение жесткости
воды…………………………………17
2.1Комплексонометрическое определение
общей жесткости воды…………….17
2.2.Определение
карбонатной и некарбонатной
жесткости воды…………20
2.3.Умягчение воды методом катионирования………………………………..
Заключение……………………………………………………
Список литературы……………………………………………………
Введение
Одной из
актуальных проблем воды
Жесткая вода приводит к повышению риска многих заболеваний. Отмечено увеличение онкологической заболеваемости и болезней мочеполовой системы, болезней системы кровообращения и органов дыхания, врожденных пороков, заболевания эндокринной и нервной системы, часты осложнения во время беременности в связи с использованием вод с повышенной жесткостью в системах централизованного хозяйственно-питьевого водопользования [2].
При употреблении воды обладающей повышенной жесткостью (выше 5-7 мг-экв/л) в кровеносных сосудах происходит образование наростов, а на зубах и в желудке – камни.
Отрицательное воздействие жесткая вода оказывает на кожу человека при умывании и принятии душа, это объясняется тем, что соли жесткости взаимодействуя с моющими средствами, образуют на коже человека нерастворимые корки. Таким образом, разрушается естественная жировая пленка, которая всегда покрывает нормальную кожу и волосы, появляется сухость, перхоть, шелушение, забиваются поры [3],[4].
Если в систему отопления залить жесткую воду, то под воздействием высокой температуры соли кальция образуют накипь, которая представляет собой сильнейший теплоизолятор. Так, слой накипи, имеющий толщину в 1,5 мм, уменьшает теплопередачу на 15 %, в 3 мм – на 25 %, а если наросты достигают 10 мм – потери тепла составят 50 % .
В химической промышленности использование жёсткой воды может оказаться недопустимым в тех случаях, когда соли, придающие ей жёсткость, препятствуют протеканию запланированных в данном производстве химические процессов или загрязняют получаемый продукт (например, полупроводниковое производство).
В строительной практике жёсткость воды должна учитываться, если гидротехническое сооружение или фундаментальные части зданий подвергаются действию грунтовых вод. Из солей, придающих воде жёсткость, вредное действие на бетон оказывают MgCI2, МgSO4 , СаSO4. MgCI2 вызывает так называемую магнезиальную коррозию бетона, МgSO4 - сульфатно-магнезиальную, СаSO4 ― сульфатную коррозию бетона. На стальные строительные конструкции, находящиеся в воде, вредное действие оказывают все соли, обусловливающие постоянную жёсткость. Причины ускорения коррозии стали те же, что и для паровых котлов [5].
Т.о. в каждом отдельном случае необходимо учитывать характер возможного воздействия природных вод. Для этого необходимо знать ее важнейшую характеристику - жёсткость.
В данной
курсовой работе излагаются методики
определения временной и
Цели и задачи данной курсовой работы рассмотреть:
1. Жёсткость
воды и причины её образования.
2. Виды жёсткости: временная, постоянная, общая.
3. Негативные последствия использования жёсткой воды в промышленности.
4. Основные методы умягчения воды.
- Жесткость воды и ее практическая значимость
Природная вода является сложной многокомпонентной системой, в которой содержатся в растворенном виде различные органические и неорганические соединения. Содержащиеся в воде вещества условно можно разделить на пять групп:
1) Главнейшие ионы. Катионы: Na+, Ca2+, Mg2+, K+ (реже Fe2+, Fe3+, Mn2+); Анионы: HCO3-, SO42-, Cl-, CO32- (реже HSiO3-, SO32-, S2O32-).
2) Растворенные газы. В воде чаще всего растворены: углекислый газ, кислород, азот, сероводород, метан и др.
3) Биогенные вещества. К биогенным веществам относятся те соединения, которые возникают в связи с жизнедеятельностью организмов. В их состав входят различные формы азота(аммиачный, нитритный, нитратный), фосфора, кремния, железа.
4) Микроэлементы. К ним относятся элементы, которые содержатся в воде в количествах меньших10-3 %.
5) Органические вещества. Это могут быть различного рода растительные и животные организмы, микроорганизмы и продукты их взаимодействия с окружающей средой.
Природные воды сильно различаются по общему содержанию растворенных солей и по относительному содержанию различных ионов. Это различие может существенно влиять на свойства воды и, следовательно, на применение ее в различных областях.
Качество природной воды в значительной степени определяется концентрацией растворенных в ней минеральных солей. Жесткость воды – одно из важнейших свойств, имеющее большое значение при водопользовании. Если в воде находятся ионы металлов, образующие с мылом нерастворимые соли жирных кислот, то в такой воде затрудняется образование пены при стирке белья или мытье рук, в результате чего возникает ощущение жесткости. К солям жесткости относятся, главным образом, соли кальция (Ca2+) и магния (Mg2+). Жесткость, обусловленная присутствием в воде гидрокарбонатов (НСО3–), называется временной, или карбонатной. Она устраняется при кипячении воды (точнее, при температуре более 60°С).
Жесткость воды - один из технологических показателей, характеризующий состав и качество природных вод, который является основным критерием пригодности воды для использования ее в промышленных и бытовых целях.
Формирование жесткости воды происходит в результате растворения горных пород, содержащих кальций и магний. В основном преобладает кальциевая жесткость, обусловленная растворением известняка и мела, однако в районах, где больше доломита, чем известняка, может преобладать и магниевая жесткость.
Ионы кальция, магния и других щелочноземельных металлов имеются в составе всех минерализованных вод. Их источниками являются природные залежи известняка, гипса и доломита. Ионы магния и кальция попадают в воду при взаимодействии растворенного диоксида углерода с минералами, а так же в результате других процессов растворения и химического выветривания горных пород. Кроме того источниками этих ионов могут быть микробиологические процессы, которые протекают в почве на площади водосбора, в донных отложениях и сточные воды предприятий.
Анализ воды на жесткость
имеет значение в первую очередь
для подземных вод разной глубины
залегания и для вод
Жесткость воды образует накипь в чайниках и других устройствах используемых для кипячения воды. Налет или накипь на поверхностях теплообмена, равно как и углекислый газ, ведущий к интенсивной коррозии металлов, являются факторами, существенно влияющими на эффективность парового оборудования, прежде всего паровых котлов. Поэтому глубокое умягчение воды требует последующего удаления образующегося углекислого газа и удаления нерастворимых солей.
Свойство воды омывать поверхности, не оставляя налета, хорошо известно в быту. В отличие от жесткой мягкая вода хорошо мылится, и после нее остается только естественный слой жира, выделяемый поверхностным слоем кожи. Жесткая вода также не подходит для стрики. На нагревателях стиральных машин образуется накипь, которая выводит их из рабочего состояния, накипь оказывает негативное воздействие и на моющие свойства мыла. Катионы кальция и магния реагируют с жирными кислотами входящими в состав мыла, образуя при этом малорастворимые соли, создающие осадки и пленки, что повышает расход моющих средств и снижает качество стирки. При взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (шампуни, мыло, стиральные порошки) образуются «мыльные шлаки» в виде пены. После высыхания такая пена остается в виде налета на белье, сантехнике, на волосах и человеческой коже. Главное отрицательное воздействие таких шлаков на организм человека-это разрушение естественной жировой пленки, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Жесткая вода оседая на стенках трубопровода, образует накипь, вызывает коррозию и закупоривает трубопровод, снижает его теплопроводность. Около 60% электроэнергии тратится на чтобы нагреть отложившуюся накипь, так как известь проводит тепло в 20 раз хуже, чем сталь [7].
1.1. Вода в промышленности и быту. Показатели качества воды
Вода является одним из наиболее распространенных, доступных и дешевых веществ. Доступность и незаменимость обусловили широкое применение воды в промышленности, быту, сельском хозяйстве, медицине- во всех сферах человеческой деятельности.
Вода в промышленности служит в качестве растворителя, тепло- и хладоносителя, химического реагента, сырья, иногда применяется как катализатор. Служит для получения таких веществ как основания, щелочи, кислоты, фенолы, спирты, уксусный альдегид и т.д. Вода применяется как растворитель жидких, твердых, газообразных веществ. Используется при проведении экзо- и эндотермических реакций [8].
Вода как растворитель. Вода, универсальный растворитель и проявляет эти свойства намного сильнее других жидкостей. Благодаря своей подвижности и текучести, вода способна подниматься по капиллярам намного тоньше человеческого волоса. Эта способность позволяет ей подниматься из недр земли к поверхности, перемещаться от корней деревьев к кроне, заполнять мельчайшие трещины в горных породах. А затем, замерзая, раскалывать их. Вода является хорошим растворителем и если у нее достаточно времени, она способна растворить любое даже самое твердое вещество. Растворяя вещества, вода, в большинстве случаев, химически не изменяется и не изменяет вещества, которые в ней растворились. Это характеризует воду, как универсальный инертный растворитель, что очень важно для всех живых организмов на Земле [9].
Вода как теплоноситель. Вода является одним из основных теплоносителей. Широкое применение воды в качестве теплоносителя, обусловили ее качества. Во-первых, вода обладает высокой теплоемкостью. Теплоемкостью называют соотношение количества переданного веществу тепла с повышением его температуры. Так удельной теплоемкостью называют количество тепла которое нужно передать 1 кг или 1м3 вещества чтобы его температура повысилась на 1 0С. Во-вторых, вода хорошо пропускает через себя тепло, то есть обладает хорошей теплопроводностью. В-третьих, вода обладает великолепной текучестью, практически не оказывая гидравлического сопротивления при ее перемещении [10].
Вода-химический реагент. В качестве реагента вода участвует в химических реакциях, таких как: В процессе фотосинтеза растений водород, находящийся в составе воды переходит в органические вещества, также происходит выделение свободного кислорода в атмосферу. Вода принимает участие в гидролизе- это процесс когда разрушается вещество и присоединяется вода. Примером может служить гидролиз белков, жиров и углеводов- процессы, происходящие при переваривании пищи, при гидролизе АТФ происходит выделение энергии обеспечивающей нужды клеток. Вода при гидролизе служит источником электронов и протонов [11].
Вода-замедлитель. Вода используется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Благодаря высокой плотности атомы водорода обеспечивают защитные свойства воды. Быстрые нейтроны замедляются водой до тепловых скоростей, после чего поглощаются ею. Хорошим замедлителем нейтронов является также тяжелая вода, которая широко используется в реакторах на тепловых нейтронах [11].
Вода как инструмент. Струей воды можно удалить с поверхности отложения и загрязнения любого химического состава и физической природы, сюда можно отнести : коррозию, консервирующие смазки, битум, смолы, нагар, лакокрасочные покрытия, окалину и др. При добавлении в струю воды абразива можно легко удалить поверхностный слой бетона, металла, гранита.
Воздействие водяной струи на поверхности можно разделить на два вида: -гидроабразивное (струя высокого давления с добавлением абразива),
-гидродинамическое (гидродинамические удары струей воды по поверхности); Чистка металлической поверхности высоким и сверхвысоким давлением снимает с него неоднородные покрытия (коррозия, смола, полимерная пленка, краска) и не вызывает нарушений в структуре металла.
При очистке корпусов судов происходит «вымывание» солей из пор поверхности металла. Подачей в водяную струю абразива можно значительно усилить чистящие свойства [12].
Применение воды и водяного пара в пожаротушении. Вода является основным огнетушащим веществом охлаждения, наиболее доступным и универсальным. Достоинства воды заключаются в ее дешевизне, доступности, относительно высокой удельной теплоемкости, высокой скрытой теплоте испарения, химической инертности по отношения к большинству материалов и веществ. Недостатками воды являются высокая электропроводность (в том случае когда применяется вода с добавками, которые повышают ее эксплуатационные и огнетушащие свойства), недостаточная адгезия к объекту тушения, относительно низкая способность смачивания и т. п.
Водяной пар используется для тушения пожара в закрытых и труднодоступных отсеках, трюмах, помещениях, танках( цистернах). При тушении пар заполняет помещение, разбавляет и вытесняет из него воздух, таким образом препятствует процессу горения, капли воды насыщенного пара испаряются, поглощают тепло и охлаждают очаг пожара [11].
Вода в медицине. Вода в медицине применяется
как растворитель, как антисептическое,
Сельское хозяйство. Сельским хозяйством вода используется как транспортное средство поставляющее питательные вещества в клетки животных и растений, вода участвует в обменных реакциях, процессах фотосинтеза, реакциях гидролиза, вода регулирует температуру живых организмов [14].
Использование воды в быту. Вода в быту используется в качестве средства гигиены и санитарии, применяется как теплоноситель, является участником химических реакций, которые протекают при приготовлении пищи, также является транспортным средством, которое удаляет продукты жизнедеятельности человека в канализацию [14].
Показатели качества воды
Качество
воды определяется следующими физическими
и химическими
Прозрачность. Прозрачность воды в гидрологии и океанологии — это отношение интенсивности света, прошедшего через слой воды, к интенсивности света, входящего в воду. Прозрачность воды — величина, косвенно обозначающая количество взвешенных частиц и коллоидов в воде и характеризуется максимальной высотой столба воды, через которую виден крест с толщиной линии 1мм или определенного размера шрифт. Прозрачность выражают в сантиметрах "по шрифту" или "по кресту" [11],[15].
Запах и вкус. Вода не обладает запахом. Это означает, что запах воды всегда свидетельствует о том, что в ней растворены какие-то вещества.
Вода не имеет вкуса. А потому наличие ярко выраженного вкуса или привкуса говорит о присутствии примесей [15].
Цветность воды. Чистые природные воды обычно бесцветны или имеют голубоватый оттенок. Вода, загрязненная органическими веществами в результате вымывания из почв и торфяников, приобретает желтый или коричневый цвет. Эти органические вещества принято объединять под общим названием гумусовые. Окраску природным водам придают в основном органические коллоидные соединения. Цветность вод подземных источников зависит от содержания закисного железа, соединений серы, марганца и других элементов. Иногда вода приобретает несвойственный ей цвет из-за сброса в водоем неочищенных сточных вод. Цветность измеряют в градусах платиново-кобальтовой шкалы путем сравнения цвета исследуемой воды с эталонными растворами. Природные воды по цветности подразделяются на малоцветные с цветностью до 35 град и цветные - более 35 град [15].
Общая жесткость воды. Общее содержание в воде солей магния и кальция называется общей жесткостью. Она состоит из карбонатной и некарбонатной жесткостей.
Карбонатная характеризуется наличием гидрокарбонатов магния и кальция,
Некарбонатная – тем, что содержит соли сильных кислот – хлоридов или сульфатов магния и кальция [16].
Температура. Наиболее стабильную температуру имеют воды подземных источников. Как правило 5-10°С. Температура воды в водоемах зависит от времени года, климата, условий питания, сброса сточных вод и других факторов [15].
Солесодержание. Наиболее распространенными в природных водах являются ионы Mg2+, Ca2+, K+, Na+, SO42- , HCO3-, Cl-. Содержание остальных ионов незначительно, хотя и влияет на свойства воды. Общее содержание солей измеряется в мг/л[16].
Окисляемость воды. Окисляемость воды показывает, какое количество кислорода в миллиграммах тратится на литр исследуемой воды для окисления органических веществ. Повышенная окисляемость воды свидетельствует о загрязнении источника бытовыми или производственными сточными водами и требует проведения соответствующих мероприятий по его санитарной охране. Внезапное повышение окисляемости воды является также сигналом загрязнения ее сточными водами. Поэтому величина окисляемости- один из распространенных показателей для гигиенической характеристики воды [16].
Активная реакция воды. Активной реакцией воды называется ее щелочность или кислотность, характеризующаяся концентрацией водородных ионов.
Щелочность воды характеризуется присутствием в ней веществ, вступающих в реакции с сильными кислотами, а также наличием веществ содержащих гидроксо-анионы. К таким соединениям относятся:
1) сильные щелочи (гидроксиды кальция и натрия),летучие основания(NH3 × H2O) и анионы, которые обуславливают высокую щелочность при гидролизе в водном растворе с рН>8,4 ( S2-, SiO32-, CO32- , PO43- и др.)
2)Анионы летучих, нелетучих слабых кислот ( HS- ,HCO3 - ,HPO42-, H2PO4-,
CH3COO-), анионы гуминовых кислот и слабые основания.
Единицей измерения щелочности является величины рН- метра активной кислотности, обусловленная присутствием в воде активных ионов водорода[17]. Таким образом щелочность воды определяется количеством щелочных компонентов, присутствующих в воде. Они действуют как нейтрализаторы в изменениях рН.
Щелочные компоненты могут быть следующие:
-Бикарбонаты (HCO3-) в диапазоне рН 6,0-8,3
-Карбонаты (CO32-) в диапазоне рН 8,3-10,2
-Гидроксиды (OH-) в диапазоне рН свыше 10,2
Когда вода находится в
идеальном интервале Рн(7,2-7,
Кислотность воды характеризуется наличием в воде веществ, которые вступают в реакции с гидроксо-анионами. К ним относятся:
1) сильные кислоты: соляная (HCl), азотная (HNO3), серная (H2SO4);
2) слабые кислоты: уксусная (CH3COOH); сернистая (H2SO3); угольная (H2CO3); сероводородная (H2S) и т.п.;
3) катионы слабых оснований: аммоний (NH4+); катионы органических аммонийных соединений [17].
1.2. Постоянная и временная
Присутствие в воде органических и минеральных примесей характеризуется общим солесодержанием. Основным показателем качества воды является жесткость, обусловленная содержанием солей магния и кальция.
Жесткость бывает трех видов: временная, постоянная и общая.
Временной или устранимой жесткостью (Жвр)- называется часть общей жесткости, удалить которую можно с помощью кипячения воды. Такая жесткость обуславливается содержанием в воде растворимых гидрокарбонатов магния и кальция. При кипячении они образуют нерастворимые соединения карбоната кальция, карбонатгидроксо– и гидроксида магния и в виде накипи выпадают в осадок, при этом уменьшается жесткость воды.
Ca(HCO3)2 ⇄ CaCO3↓ + CO2↑ + H2O
Mg(HCO3)2 ⇄ MgCO3 + CO2↑ + H2O
2MgCO3 + H2O ⇄ (MgOH)2CO3↓ + CO2↑ или
(MgOH)2CO3 + H2O ⇄ 2Mg(OH)2↓ + CO2↑
Постоянной (некарбонатной или неустранимой) жесткостью воды является та, которая содержит в своем составе остальные соли кальция и магния, которые остаются после кипячения в воде в растворенном состоянии.
Суммарная концентрация ионов (магниевой и кальциевой жесткости воды) называется общей жесткостью. Она состоит из карбонатной жесткости характеризующейся содержанием гидрокарбонатов магния и кальция и некарбонатную, в которой содержатся сульфаты и хлориды магния и кальция [18].
Единицы измерения жесткости воды
Присутствие в воде органических и минеральных примесей характеризуется общим солесодержанием. Основным показателем качества воды является жесткость, обусловленная содержанием солей магния и кальция.
Для того чтобы численно представить жесткость воды указывается концентрация в ней катионов магния и кальция. Системой СИ рекомендована единица –(моль/м³), моль на кубический метр, но на практике используется миллимоль-эквивалент ионов магния и кальция в одном килограмме воды, таким образом единицей жесткости является содержание 12,16 мг/кг ионов магния или 20,04 мг/кг ионов кальция. В некоторых случаях указывается концентрация, отнесенная к единице не объема, а массы, например в тех случаях, когда изменяется температура воды или если вода содержит пар, что влияет на показания плотности [7].
В различных странах пользуются различными внесистемными единицами — градусами жёсткости.
По ГОСТУ, введенному в России 1 января 2005 года жесткость воды выражается в градусах жесткости (°Ж). Данная единица измерения выражает концентрацию щелочноземельного элемента, численно равную 1/2 его моля на литр (1 °Ж = 1 мг-экв/л) [19].
По показателям величины общей жёсткости воду разделяют на жёсткую (более 10 °Ж), средней жёсткости (2-10 °Ж) и мягкую (до 2 °Ж).
Зарубежные страны широко используют такие единицы жесткости как: французский градус (fo), немецкий градус (do, dH), американский градус, ppm CaCO3.
Таблица 1. Единицы жесткости воды
Единицы жесткости воды | ||||
Моль/м3 (мг-экв/л) |
Французский градус, fo |
Немецкий градус, do |
Американский градус |
ppm (мг/дм3)СаСО3 |
|
1.000 |
5.005 |
2.804 |
50.050 |
50.050 |
1) Одному
французскому градусу
2) Одному
немецкому градусу
3) Одному
американскому градусу
1.3. Методы определения
и устранения жесткости воды
Методы определения жесткости воды:
1) кислотно-основное титрование(
2) объемный олеатный метод
3) визуально-колориметрический метод
Метод кислотно-основного титрования. Основа данного метода–реакции взаимодействия между кислотами и основаниями.
Н+ + ОН– = Н2О
С помощью метода кислотно-основного
титрования определяются концентрация
основания или кислоты или
содержание элементов, которые образуют
кислоту или растворимое
Олеатный метод. Основой данного метода является малая растворимость олеатов магния и кальция. Если добавить раствор олеата калия к анализируемой пробе воды и взболтать, это вызовет осаждение находящихся в воде ионов магния и кальция в виде олеата, признак окончания титрования - образование устойчивой пены, вызванной избытком олеата калия.
Минимальное количество олеата,
Несмотря на то, что отсутствует
стехиометрическая
Данный метод применяется для анализа вод, жесткость которых не более 0,5 мг–экв/л. Наименьшей жесткостью которую можно надежно определить олеатным методом является 2 мкг – экв/л., то есть он обладает практически такой же чувствительностью как и трилонометрический.

- Жестовые особенности печатной рекламы
- Жестокое обращение с детьми
- Жестокое обращение с детьми
- Жестокое обращение с детьми
- Жестокое обращение с детьми
- Жестокое обращение с детьми
- Жестокое обращение с детьми (3)
- Жесткие магнитные диски
- Жесткие, особо жесткие и гибкие конституции
- «Жесткие» переговорные технологии
- Жесткие» переговорные технологии
- Жесткий диск 3,5 дюйма SATA
- Жесткое обращение с детьми
- Жесткость воды, ее значения и методы ее устранения