Корзина
9 отзывов
Системы очистки воды и фильтрующие материалы в Казахстане!Ознакомиться
Системы обратного осмоса с доставкой по всему Казахстану
+7(700)5001247
+7(727)3466986
+7(700)5001247
Корзина

Жесткость воды. Простая химия

Жесткость воды. Простая химия

 

 

 

 

 

 

 


Когда ионные вещества растворяются в воде, они разделяются на составляющие их ионы.

Например, когда NaCl (хлорид натрия, поваренная соль) растворяется в воде, он образует Na + (положительный ион или катион) и Cl - (отрицательный ион или анион).
В то же время, мы знаем, что при испарении воды раствор становится насыщенным, и кристаллы соли выпадают в осадок.
Ионы соединяются и образуют начальное вещество. Следовательно, процесс растворения не является результатом реакции и может быть обратно восстановлен физическими, и не химическими средствами.


Причины жесткости воды

Большая часть жесткости вызвана присутствием в воде растворенных ионов кальция (Ca 2+ ) и магния (Mg 2+ ), а так же других катионов, таких как Al 3+  и Fe 3+, которые конечно вносят вклад в твердость, однако их присутствие менее критично. Наиболее распространенная и вызывающая беспокойство форма жесткости воды вызвана присутствием бикарбоната кальция (Ca(HCO3)2), который появляется в воде при прохождении ее через слои известнякового камня (CaCO3). Сам по себе известняковый камень (CaCO3), плохо растворим в воде, но при прохождении дождевой воды через слои воздуха она насыщается, находящимся в атмосфере углекислым газом (CO2) с  образованием углекислоты (H2CO3).

 

Формула

Значение

CO2(g) + H2O(l) → H2CO3 (ag)

В приведенном выше уравнении g = газ, l = жидкость и aq = водный (т.е. растворенный в воде).

Насыщенная углекислотой вода становиться более кислотной и при прохождении через слои почвы вступает в реакцию с известняком (CaCO3), образуя при этом бикарбонат кальция Ca(HCO3)2, который легко растворим в воде.

 

CaCO3 (s) + H2CO3 (ag) → Ca2+ (ag) + 2HCO3 - (ag)

Таким образом, вода поглощает ионы Ca2+ и и HCO3 – (бикарбонат) и становится жесткой.

При нагревании жесткой воды предыдущие две реакции меняются местами и образуются карбонат кальция, вода и углекислый газ:

 

Ca2+(ag) + 2HCO3-(ag) → CaCO3 (s) + H2O (l) + CO2(g)

Поскольку карбонат кальция гораздо менее растворим в воде, чем бикарбонат кальция, он выпадает в осадок из раствора в виде твердого вещества, известного как накипь или известковый налет, который обычно появляется вокруг нагревательных элементов оборудования и систем горячего водоснабжения. Однако, если вода исключительно жесткая, образование известкового налета может происходить в и трубах холодного водоснабжения.

Другие виды временной жесткости вызваны присутствием ионов Mg2 +, а осаждение гидроксида магния (Mg (OH) 2 ) так же может способствовать проблемам с образованием накипи. Комбинации ионов Ca 2+ и Mg 2+ с хлоридными (Cl - ), сульфатными (SO 4 2- ) и нитратными (NO 3 2- ) ионами известны как постоянная жесткость. Например, в некоторых областях CaSO 4 может вызывать значительную жесткость. Постоянная жесткость - не может быть удалена кипячением.

Термин общая жесткость используется для описания комбинации жесткости кальция и магния. Однако значения жесткости обычно приводятся в пересчете на СаСО 3, потому что это наиболее распространенная причина образования накипи.

 

Стандартные классификации жесткости:

мягкая вода от 1,5 до 4 мг-экв/л
вода средней жесткости от 4 до 8 мг-экв/л
жесткая вода от 8 до 12 мг-экв/л
очень жесткая вода более 12 мг-экв/л  


Проблемы, вызываемые жесткостью воды:

Повышенный расход моющих средств. Многие современные моющие средства работают менее эффективно, потому что анионы (также известные как поверхностно-активные вещества), которые предназначены для удержания частиц грязи в суспензии, реагируют вместо этого с Ca 2+  и Mg 2+.
Моющие средства на основе животных жиров реагируют с Ca 2+  и Mg 2+,  образуя при этом осадки, которые могут испортить ткани и вызвать раздражение кожи.
Некоторые продукты, особенно сушеные бобы и горох, становятся жесткими и не эластичными при приготовлении в жесткой воде. Ионы кальция вызывают сшивание между определенными молекулами внутри бобов, получившаяся при этом структура предотвращает попадание воды, и боб остается твердым. Простой способ противодействия этому эффекту состоит в добавлении в воду для приготовления пищи пищевой соды (бикарбонат натрия (NaHCO 3 ))
Известковый налет может засорить трубы и фитинги системы отопления.
Нагревательные элементы оборудования соприкасающиеся с жесткой водой, так же обрастают известковым налетом и могут стать на 90% менее эффективными.


Умягчение воды

Существует три основных способа смягчения воды:

Заставить нерастворимые вещества, такие как CaCO3  и Mg(OH) 2 , выпадать в осадок до того, как вода попадет в систему: известь (гидроксид кальция - Ca (OH) 2 ) и кальцинированная сода (карбонат натрия - Na 2 CO 3 ) добавляются в воду, вызывая  выпадение в осадок CaCO 3  и Mg (HO) 2 . В больших муниципальных системах добавляется Ca(OH)2, а твердые осадки удаляются путем осаждения, однако мелкие частицы остаются, поэтому через воду барботируется углекислый газ, превращая их обратно в растворимые бикарбонаты. Поскольку некоторая твердость сохраняется, этот процесс известен как процесс частичного умягчения.
Удалить ионы Ca2+ и Mg2+ из воды - катионный обмен или ионообменный процесс. Этот процесс заменяет ионы Ca2+  и Mg2+ другими ионами, которые не участвуют в процессах отложения солей, такие как Na +  и K + . Это достигается путем пропускания воды через емкость, заполненную ионообменной смолой, которая содержит ионы натрия или калия. Ионы в смоле обмениваются на вызывающие жесткость ионы в воде. Как только все ионы смолы израсходованы, смола должна быть «регенерирована» » с использованием NaCl или KCl, для пополнения Na +  и K + . Катионный обмен является методом «полного умягчения», поскольку он может удалить всю жесткость воды.
Предотвратить образование ионов Ca2+ от CaCO3  путем их комплексообразования. Этот метод, используемый в небольших бытовых умягчителях воды, заключается в добавлении полифосфатов (содержащих P6O186- ) в воду. Эти ионы окружают ионы Ca 2+  в растворе и предотвращают их осаждение в виде CaCO3.


Так же, в настоящее время часто встречаются электрические и магнитные устройства против образования накипи.

-1-

Использование электрических и магнитных полей для предотвращения образования накипи на нагревательных приборах очень спорный вопрос. Нет никаких последовательных данных, доказывающих, как работают такие методы или действительно ли они работают вообще. Тем не менее, они, бывает, работают в определенной степени при определенных обстоятельствах.
 

-2-

Идея таких устройств против образования накипи заключается не в том, чтобы удалять Ca 2+  или CaCO 3,  а в том, чтобы осаждать CaCO 3  в форме, которая не дает ему образовать твердые образования. Считается, что после прохождения через эти устройства CaCO3 должен либо оставаться в виде очень мелких частиц, взвешенных в воде, либо осаждаться в виде чешуйчатых, легко фильтруемых отложений.

-3-

Одна теория относительно того, как это происходит, состоит в следующем: вода пропускается через электрическое или магнитное поле, которое вызывает локальное повышение pH (посредством электрохимической реакции, в которой участвуют электрон и молекула O2 , образующая  ион OH - ). Высокий pH позволяет кристаллическим ядрам CaCO3 образовываться в емкости.

-4-

Таким образом, СаСО3 удерживается в виде суспензии мелких частиц и имеется возможность очистки воды осаждением. Такие устройства обычно устанавливаются в системах отопления и горячего водоснабжения. Эксперименты, проведенные Университетом Крэнфилда (Великобритания), показывают, что степень, в которой работают магнитные устройства, сильно зависит от жесткости и щелочности воды.

-5-

Таким образом, СаСО3 удерживается в виде суспензии мелких частиц и имеется возможность очистки воды осаждением. Такие устройства обычно устанавливаются в системах отопления и горячего водоснабжения. Эксперименты, проведенные Университетом Крэнфилда (Великобритания), показывают, что степень, в которой работают магнитные устройства, сильно зависит от жесткости и щелочности воды.

 

Чрезмерное смягчение воды может отрицательно сказаться на скорости коррозии чугунных и оцинкованных стальных труб.


Очень мягкая вода также может ускорить разрушение бетонных резервуаров [ 2 ] .

Обычно внутренняя часть железных труб защищена слоем, который накапливается при поступлении воды, этот слой содержит CaCO 3  и Fe.   Если по оцинкованной трубе пропускается очень мягкая (агрессивная) вода, слой цинка медленно удаляется, обнажая сталь.   Кроме того, если  в воде недостаточно ионов Ca 2+, соединения кальция могут выщелачиваться из бетона, что приводит к ухудшению его структурной целостности.   Поэтому следует проявлять осторожность при использовании методов полного умягчения с водой, которая должна проходить через железную трубу.

 



Общие химические названия

 

Пищевая сода бикарбонат  натрия NaHCO 3
Каустическая сода NaOH Гидроксид натрия
Мел тип известкового камня, который в основном содержит  карбонат кальция CaCO 3
Сода кальцинированная Na2CO 3  безводный карбонат натрия
Моющая сода Na CO3.10H2O Гидратированный гидроксид натрия