POWRÓT

SEMESTR II

PRACOWNIA CHEMICZNA - TWARDOŚĆ WODY


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Twardość wody
Zmiękczanie wody
Oznaczanie twardości

 

Twardość wody

   

Twardość wody powodują rozpuszczone w niej sole wapnia, magnezu i metali wielowartościowych. Rozróżnia się następujące rodzaje twardości wody

  • twardość węglanowa (Tw)
  • twardość niewęglanowa zwana stałą (Ts)
  • twardość ogólna lub całkowita (To)

Twardość węglanowa (Tw) zwana też przemijającą spowodowana jest obecnością kwaśnych węglanów wapnia i magnezu. Twardość tę można usunąć przez zagotowanie wody.

Ca(HCO3)2 --> CaCO3 + H2O + CO2

Mg(HCO3)2 --> MgCO3 + H2O + CO2

Twardość niewęglanowa (Ts) spowodowana jest zawartością w wodzie chlorków, azotanów, siarczanów, krzemianów i innych rozpuszczalnych soli wapnia i magnezu.
Twardość ogólna (To) jest sumą twardości węglanowej i niewęglanowej

(To) = (Tw) + (Ts)

Twardość wody wyraża się w następujących jednostkach;

  • 1o twardości miliwalowej = 20 mg jonów Ca2+/dm3 lub = 12 mg jonów Mg2+/dm3 H2O
  • 1o twardości (niemiecki) = 10 mg CaO/dm3 H2O
  • 1o twardości (francuski) = 10 mg CaCO3/dm3 H2O
  • 1o twardości (niemieckiej) = 0,357 miliwali CaO/dm3 H2O
  • 1 miliwal CaO/dm3 H2O = 2,8on.

Twardość wód naturalnych, w zależności od ich pochodzenia, zawiera się w granicach od 8 do 30 stopni niemieckich. Klasyfikację wód według stopni twardości podano w poniższej tabeli

Twardość wody (no)

Rodzaj wody

0 do 4

Bardzo miękka

4 do 8

Miękka

8 do 20

Twarda

ponad 20

Bardzo twarda

Nadmierna twardość wody jest zjawiskiem niepożądanym zarówno w procesach przemysłowych (kotły parowe, układy chłodnicze, przemysł włókienniczy), jak i dla celów konsumcyjnych. Podczas ogrzewania na ściankach garnków, kotłów itp. powstaje kamień kotłowy, który pogarsza przewodnictwo cieplne, co w konsekwencji powoduje straty energetyczne, jak również może być przyczyną poważnych awarii.
W gospodarstwie domowym nadmierna twardość wody powoduje większe zużycie środków piorących. W tym wypadku jony wapnia i magnezu wiążą się z resztą kwasu tłuszczowego i wytrącają się w postaci trudno rozpuszczalnych soli wyższych kwasów tłuszczowych.

2(C15H31COO-) + Ca2+ --> (C15H31COO)2Ca(osad)

Do góry


 

Zmiękczanie wody

   

Zmiękczanie wody nazywamy procesy prowadzące do całkowitego lub częściowego usunięcia rozpuszczalnych soli wapnia, magnezu oraz niektórych wielowartościowych metali.
Rozróżniamy cztery podstawowe metody zmiększania wody:

  • destylacja
  • metody termiczne
  • metody chemiczne
  • metody fizykochemiczne

Destylacja daje pełne odmineralizowanie wody, jednak w przemyśle ze względu na wysokie koszty energii cieplnej rzadko znajduje zastosowanie.
Metody termiczne. Pod wpływem ogrzewania powyżej 37oC następuje termiczny rozpad kwaśnych węglanów wapnia i magnezu.

Ca(HCO3)2 --> CaCO3 + H2O + CO2

2Mg(HCO3)2 --> Mg2CO3(OH)2 + H2O + 3CO2
Mg2CO3(OH)2 + H2O --> 2Mg(OH)2 + CO2

Metodą tą można usunąć wyłącznie twardość węglanową.
Nawet w przypadku braku twardości niewęglanowej pozostaje twardość resztkowa (ok. 2on) wskutek częściowej rozpuszczalności wytrąconych węglanów wapnia i magnezu.
Metoda termiczna nadaje się do wstępnego zmiękczania wody przed zastosowaniem innych metod.

Metody chemiczne polegają na wytrącaniu nierozpuszczalnych osadów lub na wiązaniu w związki kompleksowe jonów wapnia i magnezu:

  • metoda sodowo-wapienna. Wodę zadaje się wapnem gaszonym i sodą. Wapno obniża twardość węglanową (przemijającą).

    Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 --> 2 CaCO3(osad) + 2H2O
    Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 --> MgCO3(osad) + CaCO3(osad) + 2H2O
    MgCO3 + Ca(OH)2 --> Mg(OH)2(osad) + CaCO3(osad)

    Powstające podczas zmiękczania nierozpuszczalne węglany wapnia i magnezu w postaci osadów zostają odfiltrowane lub osiadają na dnie zbiornika. Zmiękczanie sodowo-wapienne jest stosunkowo tanie, ale wymaga dużych zbiorników ze względu na powolne opadanie osadów CaCO3 i MgCO3. Stosując tę metodę można zmiękczyć wodę do twardości około 2on.

  • Metoda fosforanowa. Fosforan trójsodowy reaguje z jonami wapnia i magnezu tworząc nierozpuszczalne fosforany

    3Ca2+ + 2Na3PO4 --> Ca3(PO4)2(osad) + 6Na+
    3Mg2+ + 2Na3PO4 --> Mg3(PO4)2(osad) + 6Na+


Metody fizykochemiczne.

Są to metody oparte głównie na zastosowaniu jonitów. Jonity albo wymieniacze jonowe są to ciała stałe nieorganiczne lub organiczne nierozpuszczalne w wodzie, które mają zdolnośc wymiany własnych jonów z jonami otaczającego je roztworu. Reakcja przebiega na powierzchni ziaren jonitu. Jonity zdolne do wymiany kationów nazywamy kationitami, a jonity zdolne do wymiany anionów nazywamy anionitami.
Kationity wymieniają swe jony wodorowe na kationy metali znajdujące się w wodzie, według reakcji

R-A-H+ + Me+ <=> R-A-Me+ + H+

gdzie: R - szkielet polimeru, A- - grupa anionowa związana z polimerem (-SO3-, -COO-)

W procesie wymiany jonowej rozpuszczone w wodzie jony metali wypierają z kationu jony wodorowe. Jony metali są zatrzymywane na powierzchni ziaren kationitu, a jony wodorowe przechodzą do wody powodując wzrost jej kwasowości.
Woda po przejściu przez kationit zostaje wprowadzona na anionit, na którym związane zostają aniony, zgodnie z reakcją;

R-B+OH- + A- <=> R-B+A- + OH-

gdzie: R - szkielet polimeru, B+ - grupa kationowa atomowo związana z polimerem (- NH3+), =NH2+)

Znajdujące się w wodzie aniony zatrzymywane są na powierzchni anionitu, a równoważna ilość jonów wodortlenowych OH- przechodzi do wody. Jony te reagują z jonami wodorowymi H+, pochodzącymi z wymiany kationów tworząc cząsteczki wody.
Jonity regeneruje się przepuszczając przez kationity dostatecznie stężony roztwór kwasu, a przez anionity roztwór zasady. procesy regeneracji jonitów można opisać równaniami:

- kationit R-A-Me+ + H+ <=> R-A-H+ + Me+
- anionit R-B+A- + OH- <=> R-A-+OH- + A-

Do góry


 

Oznaczanie twardości

   

Twardość węglanową oznacza się acydemetrycznie, miareczkując próbkę wody kwasem solnym wobec oranżu metylowego. Podczas miareczkowania wodorowęglany wapnia i magnezu reagują z kwasem solnym wg równań reakcji:

Ca(HCO3)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O + 2CO2
Mg(HCO3)2 + 2HCl = MgCl2 + 2H2O + 2CO2

Zmiana zabarwienia wskaźnika wskazuje na koniec miareczkowania.

Twardość całkowitą wody można obliczyć, przeliczając na stopnie twardości lub minimole oznaczone oddzielnie zawartości wapnia i magnezu w wodzie. Częściej jednak oznacza się twardość wody bezpośrednio. Wszystkie stosowane dawniej metody zostały zastąpione lepszą pod każdym względem metodą miareczkową z użyciem EDTA (wersenian sodowy).
W reakcji z EDTA (wersenian sodowy) jony Ca2+ i Mg2+ tworzą kompleksy wg reakcji:

Reakcję przeprowadza się w obecności czerni eriochromowej T jako wskaźnika. Początkowo wersenian sodowy reaguje z wolonymi jonami Ca2+ i Mg2+ (nie związanymi w kompleks z czernią eriochromową T). Po całkowitym ich związaniu rozpadają się nietrwałe kompleksy Ca2+ i Mg2+ z czernią eriochromową T (kolor winnoczerwony) i na ich miejscu tworzą się bardzo trwałe, bezbarwne kompleksy Ca2+ i Mg2+ z EDTA, a roztwór zmienia barwę z winnoczerwonej na niebieską. Oznaczanie wykonuje się w zbuforowanym roztworze o pH ok. 10.

Do góry


   

 

 (C) 2010 - 2013 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved