Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы
Роль воды в жизни и быту человека, в промышленности и сельском хозяйстве трудно переоценить. Об этом достаточно подробно сказано в статье [1]. Здесь мы остановимся на понятии «жесткость воды» — оно широко используется и в быту, и в промышленности.
К слабодиссоциирующим основаниям относятся гидроксиды кальция и магния. Поскольку в жесткой воде содержатся ионы Са 2+ и Mg 2+ , они участвуют в реакции гидролиза — взаимодействия с продуктами диссоциации воды:
В результате в растворе появляется избыточный гидроксильный ион, и вода с карбонатной жесткостью становится «щелочной», рН при этом повышается по сравнению с нейтральным и становится больше 7. Чем выше КЖ воды, тем выше значение рН.
Обычно в воде общая и карбонатная жесткость встречаются одновременно, но не всегда равны друг другу. Как следствие рН такой воды будет выше или ниже 7 в зависимости от соотношения карбонатной и общей жесткости.
Важной характеристикой воды является так называемая «щелочность», под которой понимают количество кислоты, способное нейтрализовать все анионы, придающие воде щелочность. На практике щелочность совпадает с карбонатной жесткостью, т.к. в результате химической реакции карбонатов и гидрокарбонатов с кислотой образуется угольная кислота, легко разлагающаяся на воду и летучее СО2.
где pK — отрицательный логарифм константы диссоциации воды, [OH – ] и [H+] — равновесные концентрации гидроксильного иона и протона. В случае дистиллированной воды, как это описано в разделе 3.1., [OH – ] = [H + ]= 10 –7 и, как следствие, lg1 = 0, а рН = рК = 7. В случае карбонатно-бикарбонатной буфферности, учитывая одновременное протекание следующих процессов диссоциации-ассоциации,
Напомним, что значения рК и как следствие рН ощутимо зависят от температуры и концентрации других ионов.
5. Методы и установки для снижения жесткости воды
- проводить регулярные чистки или замену оборудования;
- иметь постоянный перерасход топлива на производство горячей воды, тепла, пара;
- загрязнять окружающую среду продуктами сгорания топлива, а особенно СО2, создающего на планете Земля парниковый эффект, благодаря которому наша планета стремительно приближается к состоянию безжизненной планеты Венеры.
Из свойств солей, обуславливающих жесткость воды, естественно вытекают методы ее умягчения, аппаратурные решения и технологические схемы.
- дешевое тепло;
- быстрая кристаллизация карбоната кальция желательно в объеме раствора;
- фильтрация осадка;
- очистка поверхностей оборудования для термического умягчения воды от карбоната кальция.
На ТЭЦ воду, заполняющую теплотрассы и являющуюся теплоносителем, умягчают до содержания солей жесткости 1,1–1,5 мгэкв/л. Чаще всего применяются два метода химического умягчения: известковый и известково-содовый [4], [5]. Другие методы умягчения, описанные в литературе, применяются гораздо реже.
Как смягчить жесткую воду в домашних условиях для питья и бытовых нужд
Жёсткость воды, её значение и методы её устранения
Тема нашей курсовой работы затрагивает жёсткость воды, значение и методы её устранения. Мы рассмотрели особенности воды, её химические и физические свойства, дали определение жёсткости воды, описали все найденные способы устранения жёсткости, значение и последствия после её использования.
Таким образом, проведя маленькое исследование в рамках написания курсовой работы, можно понять, что жёсткая вода неблагоприятно воздействует не только на техническое и промышленное оборудование, но и на такие вещи как ткань, посуда, а также и на кожу человека и продукты питания.
Жёсткость воды – это наиболее распространённая проблема качества воды. В настоящее время для борьбы с жёсткой водой существуют и более современные способы, чем кипячение воды или вымораживание, например, установка фильтров-умягчителей. Они смягчают воду и в результате, она обладает лучшими вкусовыми качествами и более благоприятно воздействует на кожу человека.
Дальнейшее исследование показали, что за незатейливой химической формулой Н2О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами.
Первая особенность воды: вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоёмкости от температуры имеет минимум.
Из-за того, что удельная теплоёмкость воды имеет минимум около 37єС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38єС.
Вторая особенность воды: теплоёмкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определённое её количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, — по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло.
Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, т.е. воду очень трудно заморозить, а лёд – растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.
Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности более чем на 8% тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лёд (твёрдая вода) занимает больший объём, чем жидкая вода, и держится на её поверхности.
Несмотря на свой, казалось бы, предельно простой химический состав, вода — одно из самых загадочных веществ на Земле. Достаточно упомянуть, что это единственное химическое вещество, которое существует в условиях нашей планеты одновременно в трёх агрегатных состояниях — газообразном, жидком и твердом.
Высокая диэлектрическая проницаемость, большой дипольный момент молекулы, обеспечивающие хорошую растворимость в воде многих веществ, широкий температурный интервал существования жидкого состояния наряду с распространённостью воды обуславливают её широкое применение для многих технологических процессов.
Жесткая вода: нормы, вред для человека и технику
Способы определения жесткости воды
Концентрацию солей снижают только после того, как убедятся, что в этом есть необходимость.
Проводя анализ дома, используют тест-полоски. Их окунают в воду, в результате чего они меняют свой цвет. Можно применить и кондуктометр: прибор позволяет определить электропроводность воды.
Можно обратиться в лабораторию. Специалисты возьмут пробу, изучат состав жидкости и дадут заключение о качестве. Получив на руки результат анализа, будет легко выбрать требуемое оборудование.
Часто оказывается, что вода не только жесткая, но и содержит примеси. Могут отклоняться от нормы и другие показатели.
Косвенные признаки
Косвенными признаками высокой жесткости воды можно назвать следующие:
- После стирки ткань становится грубой, на высохшей одежде видны белые разводы.
- Плохо пенится моющее средство. Эффективность снижается из-за того, что магний и кальций вступают в химическую реакцию с порошком.
- Если налить жидкость и отстаивать ее несколько дней, на дне емкости образуется белый осадок.
- После умывания кожа стянутая, сухая. Это происходит из-за того, что соли растворяют жировую пленку, которой покрыта кожа лица.
- Волосы после мытья головы тусклые, ломкие.
- На нагревательном элементе в чайнике образуется белая накипь. Она оседает внутри кастрюль.
- Блестящая поверхность смесителя после высыхания капель покрывается белым налетом.
Мыло станет помощником в определении степени жесткости.
При наличии одного или нескольких признаков, заказывают анализ жидкости из скважины. Систему фильтрации и другое дорогостоящее оборудование не устанавливают, пока не сделаны лабораторные анализы. Не стоит принимать решение о монтаже фильтров только на основе косвенных признаков.
Домашние тесты
Их можно назвать самым доступным способом проверки.
Для проведения первого опыта наливают немного воды в емкость. Проявляющее вещество добавляют по каплям, цвет жидкости при этом начинает меняться. Чем больше потребовалось проявителя, тем выше жесткость. Метод используют для проверки содержимого аквариумов, но он пригоден и для тестирования колодезной воды.
При проведении второго опыта полоску-индикатор опускают в воду. Когда тестер изменит свой цвет, его достают, а затем сравнивают со шкалой, которая входит в комплект. Такой способ измерения имеет небольшую погрешностью. В процессе определяется, какие соли содержатся в жидкости, их концентрация.
Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы | Архив С. О. К. | 2004 | №11
Способы смягчения жесткой воды
Снизить концентрацию солей можно несколькими способами, среди них наиболее эффективными являются:
Для снижения жесткости применяют смягчители, их устанавливают на внешней части водопровода. В основе этого метода лежит сила магнитного поля, которое притягивает ионы солей. Но есть недостаток — в результате влияния магнита в трубе образуются рыхлые отложения.
Устранение жесткости кипячением
Самым простым способом смягчения воды является кипячение.
Кипячение является самым простым способом снижения жесткости. Нагрев воды до +100°С заставляет карбонаты и сульфаты распадаться, соединения выпадают в виде осадка.
Для их удаления воду после кипячения отстаивают несколько часов. Чтобы долго не ждать, ее пропускают через фильтры.
Жидкость после кипячения становится мягкой, но на нагревательных элементах бытовых приборов образуется накипь. Если ее не удалять, бытовая техника выйдет из строя.
Кипячение подходит при заготовке воды для питья и приготовления пищи, а для бытового использования такой способ нерационален.
Это отнимает много времени и увеличивает расход электрической энергии.
Заморозка
Для смягчения воды часто используют заморозку. Изменение жесткости происходит постепенно, а структура жидкости не меняется.
Процесс заморозки в бытовых условиях выглядит следующим образом. Сначала воду наливают в емкость, ставят в морозилку. Когда замерзнет 75% жидкости, пробивают лед, сливают воду со дна кастрюли. Такой способ позволяет удалить все вредные соединения.
Лед тает, получается талая вода. Ее используют для приготовления еды, полива растений. В ней можно стирать вещи, сшитые из деликатных тканей.
Обработка химическими и пищевыми реагентами
Реагенты воздействуют на примеси, в результате образуется осадочная масса.
Для того чтобы убрать жесткость, используют следующие вещества:
- Пищевая сода. Она снижает кислотность, уменьшает концентрацию солей.
- Кальцинированная сода. Используют, если нужно умягчить воду для хозяйственных нужд. Для пищевых целей этот реагент не применяют.
- Уксусная кислота, лимонный сок и кислота. Эти пищевые добавки относятся к натуральным, они окисляют и смягчают жидкость. Средства используют, когда нужно убрать накипь на посуде, при ополаскивании волос.
- Синтетические реагенты.
Применение реагентов отличается эффективностью, но способ имеет ряд недостатков. Добавляя вещества, нужно знать точную дозировку. Реагенты необходимо хранить в закрытом помещении при низкой влажности.
Использование химических веществ для умягчения воды.
Снижение жесткости фильтрующими системами
Снизить жесткость можно, используя системы фильтрации. Чаще всего приобретают бытовые фильтры, но для очистки жидкости для хозяйственных нужд, когда нужны большие объемы, лучше приобрести профессиональные системы.
Заморозка — простой и эффективный способ
Снизить жесткость воды можно обычной заморозкой или вымораживанием. Этот способ предусматривает воздействие низких температурных режимов на соли химических элементов с образованием кристаллов. Смягчение воды в этом случае происходит постепенно, без изменения структуры жидкости.
- емкость наполняется водой и загружается в морозильную камеру;
- после заморозки 75% жидкости сливается остаток, в котором содержатся все вредные элементы;
- талая жидкость становится питьевой, значит, может быть использована для приготовления еды, полива цветов и стирки вещей из деликатных тканей.
Единственным недостатком такого способа является сложность подготовки большого объема талой воды.
Реферат: Жёсткость воды, её значение и методы её устранения — Банк рефератов, сочинений, докладов, курсовых и дипломных работ
- кипячение приводит к быстрому образованию известкового налета, который сложно удалить;
- кипяченая вода не подходит для полива комнатных растений;
- длительное использование жидкости после термической обработки может привести к ухудшению работы желудочно-кишечного тракта;
- вода меняет свои органолептические характеристики.
Обработка химическими и пищевыми реагентами
Смягчение жесткой воды реагентами — эффективный способ борьбы с солями металлов. Воздействие химических веществ на примеси в воде приводит к образованию осадочной массы. Для этих целей используются следующие реагенты:
- Сода пищевая. Она способствует снижению кислотности и концентрации солей. Умягчение воды содой происходит следующим образом: для стирки используется 2 ч. л. на 11 литров, для приготовления еды — 1 ч. л. на 3 литра.
- Сода кальцинированная (каустическая). Применяется для смягчения жидкости, предназначенной для бытовых и хозяйственных нужд, — 2 ч. л. на 11 литров. Для пищевых целей подобную жидкость использовать нельзя.
- Лимонная и уксусная кислота, сок лимона. Натуральные пищевые реагенты, которые способствуют смягчению и окислению воды. Применяются для устранения накипи в посуде и при ополаскивании волос. Оптимальная концентрация — на 2 литра воды 1 ст. л. уксусной кислоты, 1 ч. л. лимонной кислоты или сока лимона.
- Синтетические реагенты в таблетированной и порошковой форме. Устранить повышенную жесткость можно специальными химическими веществами, разработанными для посудомоечного или стирального оборудования.
- необходимость соблюдения точной дозировки каждого реагента;
- поддержание условий хранения специальных средств — каустической соды и синтетических смягчителей в домашних условиях в соответствии с рекомендациями производителей. Исключение составляют пищевые реагенты — сода, уксус и лимонная кислота.
Методы устранения жёсткости воды
1) Для избавления от временной жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:
и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной.
С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO3 неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)3, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.
2) Умягчить жёсткую воду можно и обработкой воды различными химическими веществами. Так, временную (карбонатную) жёсткость можно устранить добавлением гашеной извести:
При одновременном добавление извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жёсткости (известково-содовый способ). Карбонатная жёсткость при этом устраняется известью (см. выше), а некарбонатная – содой:
3) Вообще, с постоянной жёсткостью бороться труднее. Кипячение воды в данном случае не приводит к снижению её жёсткости.
Для борьбы с постоянной жёсткостью воды используют такой метод, как вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лёд превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жёсткость, остаются в не замершей воде.
4) Ещё один способ борьбы с постоянной жёсткостью – перегонка, т.е. испарение воды с последующей её конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, то они остаются, а вода испаряется.
Также, чтобы избавиться от постоянной жёсткости, можно, например, к воде добавить соду:
Их состав условно можно выразить общей формулой Na2R. Если пропускать воду через катиониты, то ионы Nа + будут обмениваться на ионы Са 2+ и Mg 2+ .
Схематически эти процессы можно выразить уравнением:
Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, а ионы натрия – из катионита в раствор, жёсткость при этом устраняется.
Катиониты обычно регенерируют – выдерживают в растворе NaCl, при участии которого происходит обратный процесс:
Регенерированный катионит снова может быть использован для умягчения новых порций жесткой воды.
Эффективным способом борьбы с высокой жёсткостью считается применение автоматических фильтров-умягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде “жёсткие” соли заменяются на “мягкие”, которые не образуют твердых отложений.
Норма жесткости воды: принятые нормативы на территории РФ
Классификация воды по жетскости
В России жесткость воды измеряют в градусах жесткости, но она так же может быть выражена в объемной доле или массовым числом.
Официально принятая единица измерения, которая используется в системе СИ (международная система единиц) – моль на кубический метр. Но на практике не используют перечисленные единицы измерения, предпочитая миллиэквивалент на литр (мг-экв./л).
По уровню жесткости воду делят на четыре типа:
- Мягкая вода (менее 2 миллиэквивалентов на литр);
- Нормальная вода (от 2 до 4 миллиэквивалентов на литр);
- Жесткая вода (от 4 до 6 миллиэквивалентов на литр);
- Очень жесткая вода (6 и более миллиэквивалентов на литр).
Эта классификация называется американской и при оценке жесткости воды используется чаще всего.
Подобная классификация есть и в градусах жесткости, но представляет она только 3 типа воды:
Нормы жесткости воды
Нормы жесткости воды в России и мире сильно отличаются друг от друга. В России разрешена вода, жесткость которой не превышает порог в 7 миллиэквивалентов на литр, то есть, не запрещается подавать населению очень жесткую воду.
Те же показатели в Европе не могут быть больше 1,2 миллиэквивалентов на литр. Это значит, что европейцы пьют мягкую воду, жесткость которой почти в шесть раз меньше установленной в России.
Типы жесткости воды по восприимчивости к термообработке.
Первый тип – временная жесткость, когда помимо кальция и магния, в воде обнаруживаются гидрокарбонатные анионы. Ее так же называют карбонатной. Она легко удаляется при кипячении воды и никак не влияет на организм человека.
Второй тип – постоянная жесткость, еще называемая некарбонатной жесткостью. Она обусловлена наличием соединений кальция и магния, образованных в результате взаимодействия с сильными кислотами, например, серной или азотной. Такая жесткость не удаляется при кипячении воды, потому что не соли подобного типа не распадаются под воздействием температуры.
Общая жесткость воды вычисляется путем суммирования показателей карбонатной и некарбонатной жесткости.
Самые высокие показатели жесткости из-за обилия растворенных солей определяют в морской и океанической воде. Жесткость поверхностных вод обычно в несколько раз меньше грунтовых вод и влаги из подземных источников.
Обработка химическими и пищевыми реагентами
- Соли жесткости так же, как и на бытовых приборах, выпадают в осадок или кристаллизуются, образуя на поверхности коммуникационных путей и крупных приборов и установок накипь. Накипь истончает стенки коммуникаций, впоследствии полностью разрушая их.
- Обилие выпадающих в осадок или накипь солей жесткости, приводит к частым выходом из строя крупных водонагревательных установок, типа бойлеров.
- В системах оборотного водоснабжения, образующиеся накипные отложения, водные камни и шлам из солей уменьшают проходимость труб, при этом падает теплоотдача. Падает напор воды, уменьшается количество воды в радиаторах, закупориваются входы и выходы воды из домов, что может привести к полному закупориванию коммуникационных сетей. Все это увеличивает энергозатраты.
Вред, наносимый жесткой водой
Рассмотрем негативное воздействие чрезмерно жесткой воды на организм человека, бытовую технику и коммуникации. Чем выше параметр жесткости, тем сильнее будет значение каждого вида вредного воздействия.
Вред для здоровья человека и домашних питомцев
- Высокая жесткость способствует росту мочевых камней и развитию мочекаменной болезни. Это связано с накоплением солей, которые просто не успевают выводиться из организма.
- При умывании жесткая вода сушит кожу. Это происходит из-за появления «мыльных шлаков» образованных из мыла, которое не способно мылиться и растворяться в жесткой воде. Эти мыльные шлаки закупоривают поры, не давая им свободно дышать, вследствие чего могут развиваться кожные воспаления, не давать покоя зуд и жжение кожи.
- Образование тонкой корке на волосах разрушает естественную жировую пленку. Происходит это так же, как и на коже рук – «мыльные шлаки» не вымываются и постепенной накапливаются. Это может вызвать зуд кожи головы, перхоть и даже выпадение волос.
- Влияние сильно жесткой воды на здоровье животных не отличается от воздействия на человеческий организм. Существует высокий риск развития мочекаменной болезни. У питомцев, питающихся сухими кормами, этот риск возрастает в несколько раз. Возможно появление проблем с шерстью и кожей, как у собак, так и у кошек при их регулярном купании.
- Замедляется процесс приготовления пищи, из-за многочисленных солей плохо разваривается мясо. Это приводит к плохому усвоению белка и может вызвать заболевания желудочно-кишечного тракта.
Вред, наносимый жесткой водой технике и предметам быта
- Мыльные средства из-за наличия большого количества солей в воде крайне плохо пенятся и отмывают загрязнения. Поэтому количество порошков, средств, предназначенных для мытья посуды и прочих предметов бытовой химии, придется резко увеличить.
- Кроме плохого вспенивания мыльных средств, из-за контакта жесткой воды с ними образуются разводы и твердый налет на сантехнике и поверхности посуды, так как выпадает солевой осадок. Такой налет тяжело отмывается с посуды, а так же негативно влияет на сантехнику, постепенно разрушая ее поверхности.
- В процессе нагревания воды в электроприборах соли не просто выпадают в осадок, а кристаллизуются и выпадают в виде накипи. Именно накипь является основной причиной быстрой поломки водонагревательных приборов.
- Жесткая вода оставляет пятна, разводы и грязные налеты на свежевыстиранных вещах, цвет тускнеет, принты и рисунки становятся серыми. От них избавиться очень сложно и это, опять же, требует повышенных затрат моющих средств. Ткань, постиранная в жесткой воде, становится грубой и неэластичной, потому что соли забивают в ней все свободное пространство. Уменьшается прочность одежды и белья.
Contents
- 1 Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы
- 2 Жёсткость воды, её значение и методы её устранения
- 2.1 Жесткая вода: нормы, вред для человека и технику
- 2.2 Способы определения жесткости воды
- 2.3 Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы | Архив С. О. К. | 2004 | №11
- 2.4 Способы смягчения жесткой воды
- 2.5 Заморозка — простой и эффективный способ
- 2.6 Реферат: Жёсткость воды, её значение и методы её устранения — Банк рефератов, сочинений, докладов, курсовых и дипломных работ
- 2.7 Обработка химическими и пищевыми реагентами
- 3 Методы устранения жёсткости воды
