Жорсткість води, усунення

1. Поняття «Жорсткість води»
2. Тимчасова (карбонатна) жорсткість
3. Постійна жорсткість
4. Поняття «Лужність води»
5. Усунення жорсткості іонообмінним методом
6. Індекс Ланжельє і індекс стабільності Різнер
7. Система водопідготовки "під ключ"

Природна вода зазвичай містить різні розчинені солі та інші домішки, небажані для використання води в промисловості та побуті. Найбільш чистою є дощова вода, але і вона містить деякі кількості різних речовин, які вона захоплює, проходячи через атмосферу.

Поняття «Жорсткість води»

Жорсткість води обумовлена, в основному, розчиненими солями кальцію і магнію. Можлива присутність солей і інших металів, наприклад, заліза.
Вода з великим вмістом таких солей називається жорсткою, з малим вмістом - м'якою. Термін «жорстка» по відношенню до води історично склався через властивостей тканин після їх прання з використанням мила на основі жирних кислот - тканину, виперіть в жорсткій воді, більш жорстка на дотик. Цей феномен пояснюється, з одного боку, сорбцией тканиною кальцієвих і магнієвих солей жирних кислот, що утворюються в процесі прання на макрорівні. З іншого боку, волокна тканини володіють іонообмінними властивостями, і, як наслідок, властивістю сорбувати многовалентние катіони - на молекулярному рівні.
Розрізняють два види жорсткості води.

Тимчасова (карбонатна) жорсткість

Обумовлена ​​присутністю гідрокарбонатів кальцію і магнію Ca (HCO3) 2 і Mg (HCO3) 2. Наявність цих солей у воді пояснюється розчиненням карбонатів кальцію і магнію під дією природної води і розчиненого в ній вуглекислого газу (діоксиду вуглецю) при контакті з породами (таких як, доломіт або гіпс), що містять ці солі, наприклад:

Карбонатна жорсткість називається тимчасової тому, що ці солі розкладаються просто при кип'ятінні води.

Постійна жорсткість

Обумовлена ​​присутністю у воді, головним чином, сульфатів і хлоридів кальцію і магнію CaSO4, MgSO4, СаСl2, MgCI2. Найбільш складним для видалення є сульфат CaSO4, що володіє невеликою розчинністю.

В сумі тимчасова і постійна жорсткість складають загальну жорсткість води:

Жобщ = Жврем + Жпост

У Росії жорсткість води характеризується числом міліграм-еквівалентів іонів кальцію і магнію, що містяться в одному літрі води. Один міліграм-еквівалент (мг-екв) жорсткості відповідає змісту 20,4 мг / л іонів Са2 + і 12,16 мг / л іонів Mg2 + (20,04 мг Са 2+ і 12,16 мг Mg2 + - міліграм-еквівалентні маси цих катіонів, т . Е. маси 1 10-3 еквівалентів цих іонів).

Так як в воді, як правило, містяться одночасно катіони обох металів, то жорсткість води визначається наступним виразом:

де СCa2 + і СMg 2+ - відповідно, вміст іонів Са2 + і Mg2 + (мг) в 1 літрі води.

У таблиці 1 наведені величини жорсткості води деяких річок Росії в літній час.

Волга р Власюк 5,5 3,5 2,4 Москва с. Татарово 4,2 4,1 0,1 Нева с. Іванівське 0,5 0,5 0

Таблиця 1. Величини жорсткості води в літній період.

Співвідношення карбонатних і Постійної жорсткості води визначається породами, омиваються вододжерел.

Поняття «Лужність води»

Лужність води визначається сумою що містяться у воді гідроксильних іонів і аніонів слабких кислот - вугільної, органічних, а також бікарбонатних і карбонатних іонів. Таким чином, значення лужності води є складовим Жорсткості з боку аніонів.
Розрізняють бикарбонатную, карбонатну і гідрадну лужність.

Під лужністю природних або очищених вод розуміють спроможність деяких їхніх компонентів зв'язувати еквівалентну кількість сильних кислот. Лужність обумовлена ​​наявністю у воді аніонів слабких кислот (карбонатів, гідрокарбонатів, силікатів, боратів, сульфітів, гідросульфітів, сульфідів, гідросульфідів, аніонів гумінових кислот, фосфатів). Їх сума називається загальною лужністю. Загальна лужність води звичайно визначається тільки аніонами вугільної кислоти (карбонатна лужність). Аніони, гідролізуючись, утворюють гідроксид-іони:
CO32- + H2O <=> HCO3- + OH -
HCO3- + H2O <=> H2CO3 + OH -

Таким чином, лужність визначається кількістю сильної кислоти, необхідної для нейтралізації 1 дм3 води. Лужність більшості природних вод визначається тільки гідрокарбонатами кальцію і магнію, pH цих вод не перевищує 8,3.

Усунення жорсткості іонообмінним методом

У світі існують різні способи усунення жорсткості (термічний (кип'ятіння), реагентний, діаліз, іонного обміну). Вибір методу пом'якшення, як правило, визначається якістю вихідної води, необхідної глибиною пом'якшення і техніко-економічними факторами. У нашій компанії поширений метод іонного обміну (катіонітових), на якому ми докладніше зупинимося.

Метод іонного обміну заснований на обміні іонів Са2 + і Mg2 +, що містяться у воді, на іони Na2 + або H + шляхом пропускання води через іоніти.

В якості фільтруючого завантаження виступає катіонообменная смола. Процес усунення жорсткості води методом іонітні очищення з використанням Н-катіоніту можна описати наступними рівняннями:

2R - Н + Са (НСО3) 2 = R2 - Са + Н2СОз
l l
Н2О СО2
2R - H + MgCl2 = R2 - Mg + 2HCl

В останньому випадку усунення жорсткості супроводжується утворенням сильної соляної кислоти, яка буде викликати корозію труб і інших металевих конструкцій. Щоб уникнути цього, краще використовувати Na-катіоніт:

2R - Na + MgCl2 = R2 - Mg + 2NaCl
2R - Na + CaSO4 = R2 - Ca + Na2SO4
2R - Na + CaCO3 = R2 - Ca + Na2CO3
2R - Na + Ca (HCO3) 2 = R2 - Ca + 2NaHCO 3

Наведені реакції показують, що при натрій-катіонірованіе карбонатні жорсткість вихідної води переходить в пом'якшеній воді в натрієву лужність. Іншими словами, при натрій-катіонірованіе величина лужності води не змінюється, що є основним недоліком цього процесу. Не змінюється також і аніонний склад води: присутні у вихідній воді аніони SO42-, Cl-і інші цілком переходять в пом'якшену воду. Відбувається лише більш-менш повна заміна катіонів кальцію і магнію катіонами натрію, внаслідок чого жорсткість натрій-катіонірованной води знижується, а сухий залишок її дещо зростає.

М'які води відповідають усім вимогам, що пред'являються багатьма галузями промисловості до води для охолодження або отримання пара. М'які води піддаються мінімальній обробці при створенні синтетичного волокна, пластмас, приготування розчинів мила і багато чого іншого. У м'яких водах пригнічується життєдіяльність бактерій, що дозволяє знижувати дози біоцидів в оборотній воді.

Однак, крім своїх позитивних властивостей, м'які води приховують в собі ряд серйозних недоліків, одним з яких є підвищена корозійна активність до основних матеріалів водопроводу. Пов'язано це з недоліком іонів жорсткості в воді. Для оцінки корозійної активності були розроблені різні індекси, в тому числі індекс Ланжельє і індекс стабільності Різнер.

катіонообменная смола

Індекс Ланжельє і індекс стабільності Різнер

Американський вчений Ланжельє в 1936 році для оцінки стабільності розчину запропонував використовувати формулу, засновану на визначенні ступеня насичення розчину карбонатом кальцію. Нестабільність цього розчину призводить до корозії або утворення накипу.

Формула індексу Ланжельє: pH pHs.
Для визначення індексу Ланжельє необхідно наступне:

• pH (водневий показник) при температурі 25оC;
• Загальний солевміст в мг / л;
• температура розчину в градусах Цельсія;
• жорсткість по карбонату кальцію (Ca2 +) в мг / л;
• лужність по HCO3- в мг / л.

За допомогою формул визначаються допоміжні коефіцієнти і розраховується проміжне значення - pHs.
Значення Індексу Ланжельє:
індекс Ланжельє <0 утворення накипу немає, розчин агресивний (висока корозія);
індекс Ланжельє = 0 розчин стабільний;
індекс Ланжельє> 0 спостерігається утворення накипу, корозії не спостерігається.

Пізніше, в 1944р. Різнер звернув внимани е на те, що шар накипу на поверхні металу може перешкоджати корозії. Грунтуючись на коефіцієнтах розрахунку індексу Ланжельє, Різнер запропонував свою формулу розрахунку стабільності розчину.

Електрохімічна корозія труб

Накип в трубопроводі

RSI = 2pHs - pH
2pHs - pH> 6 розчин схильний до корозії
2pHs - pH = 6 розчин стабільний
2pHs - pH <6 розчин схильний до утворення накипу

У підсумку обидва цих індексу можна привести до однієї класифікації оцінки агресивності вод, наведеної в таблиці 2.

3 3 Надзвичайно висока накипоутворення 2 4 Дуже висока накипоутворення 1 5 Серйозне накипоутворення 0,5 5,5 Тенденція до накипформування 0,2 5,8 Легке накипоутворення 0 6 Стабільний розчин -0,2 6,5 Дуже легка ступінь корозії -0,5 7 Легка ступінь корозії -1 8 Тенденція до корозії -2 9 Дуже висока корозія -3 10 Надзвичайно висока корозія

Таблиця 2. Зведена таблиця значень індексу Ланжельє і індексу стабільності Різнер.

Розрахунок рНs можна провести за такою формулою:
pHs = (9.3 + A + B) - (C + D), де:
A = (Lg [Заг хв] - 1) / 10
B = -13.12 x Lg (oC +273) + 34.55
C = Lg [жорсткість по CaCO3] - 0.4
D = Lg [лужність по НCO3]

Нижче наведені дослідження розрахункового індексу Різнер на прикладі середньостатистичного хімічного складу річки Неви.

рН 7 Лужність 0,6 Зміст Са, мг / л 8 Температура 10 Загальна мінералізація, мг / л 56 RSI 15,4

Таблиця 3. Середнебагаторічні гідрохімічні показники вод річки Неви.

Також були встановлені деякі залежності при зміні значень одного з параметрів при інших рівних. Ці залежності відображені на малюнках 1 - 4.

Графік залежності RSI від нагрівання води
при інших рівних параметрах

Мал. 1

Графік залежності RSI від зміни концентрацій кальцію в воді
при інших рівних параметрах

Мал. 2

Графік залежності RSI від зміни
загальної мінералізації при інших рівних параметрах

Мал. 3

Графік залежності RSI від зміни рН води
при інших рівних параметрах

Мал. 4

Таким чином, для вод річки Неви можна відзначити наступні закономірності:

• При нагріванні води індекс стабільності води зменшується. При цьому треба зазначити, що при охолодженні води його значення повернеться в вихідну позицію.
• При збільшенні концентрацій іонів кальцію в воді індекс стабільності так само буде знижуватися.
• Зміни в загальній мінералізації мало впливають на розрахунковий індекс стабільності.
• При збільшенні рН значення розрахункового індексу стабільності води буде знижуватися.
• При цьому без додаткових втручань вода в Неві все одно залишатиметься сильно корозійно-активної.

Варто відзначити, що існують межі застосовності даних індексів. Вони не стосуються визначення стабільності води, що контактує, наприклад, з алюмінієм або нержавіючої сталлю. При наявності кремнезему або органічної суміші (водорості, мули) карбонат кальцію може осідати на колоїдних або органічних частинках.

При дозуванні в воду інгібітора індекси можна розглядати як показники корозійної активності води в зв'язку з тим, що реагенти уповільнюють процес осадження СаСО3 і утворюють плівку на стінках трубопроводу, захищаючи тим самим стінки трубопроводу від корозії.

На закінчення. Кожна система прагне до стабільності. Завжди важливо враховувати, що видалення одного з компонентів призводить до зміщення системи в ту чи іншу сторону, і вона буде прагнути себе відновити. Наприклад, вода зі свердловини знаходиться в рівноважному стані, наситившись іонами порід, через які вона просочується. Видаляючи катіони жорсткості, ми свідомо збільшуємо агресивність води. А індекс стабільності дасть нам вірну оцінку в тому випадку, якщо в подальшому в системі з водою не буде відбуватися ніяких змін (наприклад, у вигляді нагріву або охолодження). І навіть якщо для температури 4 ° С вода стабільна, то при нагріванні виникає ризик накипформування.

Таким чином, після втручання в хімічний склад води необхідно проводити стабілізаційну обробку води шляхом дозування реагентів.

Хімік-технолог
ТОВ «Компанія« СТАРТ ПЛЮС »
Янковська Ольга Анатоліївна

Спеціальні пропозиції

Система водопідготовки "під ключ"

Наша компанія надає послуги всього спектру водопідготовки: від підготовчих проектних робіт до запуску обладнання в експлуатацію.