Состав солей исследуемой воды

№ задания	Условия заданий:
Задание № 1	Задание № 2
Формула соли	Концентрация соли, С (М)	Формула соли
	Al2(SO4)3	0,25	(CH3COO)2Ba
	K2SiO3	0,12	NH4OCl
	SnBr2	0,37	NaOBr
	Rb2CrO4	0,55	NH4NO3
	FeCl3	0,48	KNO2
	Na2S	0,11	AgF
	CuSO4	0,63	KF
	Cs3PO4	0,14	CH3COOAg
	Bi(NO3)3	0,08	NaBO2
	Na3AsO4	0,15	NH4F
	ZnCl2	0,71	CH3COOLi
	K3PO4	0,22	NH4Br
	CdBr2	0,35	RbCN
	K2S	0,1	NH4NO2
	AlCl3	0,54	NaOCl
	Na2SiO3	0,18	NH4BO2
	Ni(NO3)2	0,45	KIO
	Li2S	0,61	(NH4)2SO4
	Fe2(SO4)3	0,09	LiNO2
	Li2CO3	0,15	NH4CN
	Cu(NO3)2	0,27	(CH3COO)2Ca
	K3BO3	0,07	AgNO3
	PbCl2	0,36	NaIO
	Na2SO3	0,18	NH4ClO4
	Cr2(SO4)3	0,45	Ba(NO2)2
	Li2CrO4	0,12	NH4OCN
	Al(NO3)3	0,34	NaCN
	K3AsO4	0,16	AgClO4
	MnBr2	0,62	CH3COORb

Продолжение табл. 3.5

	Rb2S	0,06	NH4I
	Na3AsO4	0,11	NH4F
	ZnCl2	0,70	CH3COOLi
	K3PO4	0,23	NH4Br
	CdBr2	0,34	RbCN
	K2S	0,13	NH4NO2
	AlCl3	0,34	NaOCl
	Na2SiO3	0,12	NH4BO2
	Ni(NO3)2	0,44	KIO
	Li2S	0,62	(NH4)2SO4
	Fe2(SO4)3	0,07	LiNO2
	Li2CO3	0,35	NH4CN
	Cu(NO3)2	0,23	(CH3COO)2Ca
	K3BO3	0,04	AgNO3
	PbCl2	0,38	NaIO
	Na2SO3	0,12	NH4ClO4
	Cr2(SO4)3	0,41	Ba(NO2)2
	Li2CrO4	0,18	NH4OCN
	Al(NO3)3	0,33	NaCN
	K3AsO4	0,11	AgClO4
	MnBr2	0,65	CH3COORb

Расчет показателей жесткости воды

Теоретическая часть

Жесткость воды обусловлена присутствием в ней растворенных солей кальция и магния. Различают общую, карбонатную и некарбонатную жесткость.

Общей жесткостью (Жо) называется суммарная концентрация ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в воде, выраженная в моль/м³ или ммоль/дм³.Общая жесткость воды (Ж_О) равна сумме карбонатной и некарбонатной жесткости.

Ж_О = [Са²⁺] + [Mg²⁺] = Ж_К + Ж_НК; (ммоль/дм³)

Количественно жесткость воды определяется суммой молярных концентраций эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 дм³ воды (ммоль/дм³, мг - экв/дм³).

Карбонатная (временная) жесткость (Ж_К) обусловлена содержанием в воде преимущественно гидрокарбонатов (и карбонатов при рН > 8,3) солей кальция имагния: Ca(НСО ₃ ) ₂, Мg(НСО ₃ ) ₂, (МgСО ₃).

Некарбонатная жесткость воды (Ж_НК) обусловлена присутствием в воде сульфатов ихлоридов солей кальция и магния: СаSO₄, MgSO₄, СаС1₂, MgС1₂. Некарбонатная жесткость – часть общей жесткости, равная разности между общей и карбонатной жесткостью:

Жнк = Жо – Жк

По величине жесткости природную воду делят на: очень мягкую — до 1,5 ммоль/дм³; мягкую — от 1,5 до 4 ммоль/дм³; средней жесткости — от 4 до 8 ммоль/дм³; жесткую — от 8 до 12 ммоль/дм³; очень жесткую — свыше 12 ммоль/дм³.

В зависимости от конкретных требований производства допускаемая жесткость воды может быть различной. Жесткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов не должна превышать 7 ммоль/дм³ (мг-экв/дм³).

 

4.2. Пример решения индивидуального задания

Пример.

Условие задания: Рассчитать карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды, если в 1м³ исследуемой воды содержится 80 г Ca²⁺; 55 г Mg²⁺; 415 г HCO₃^-.

Дано:

m (Са²⁺) = 80 г = 80 000 мг

m (Mg²⁺) = 55 г = 55 000 мг

m (HCO₃^-) = 415 г = 415 000 мг

V(Н₂О) = 1 м³ = 1000 дм³

Жо -? Жк -? Жнк -?

Решение

1). Жесткость общую рассчитывают по формуле:

Жо =[Са²⁺] + [Mg²⁺] = + ; мг – экв/дм³

где: [Са²⁺], [Mg²⁺] – концентрация ионов в мг-экв/дм³;

m (Са²⁺), m (Mg²⁺) – содержание ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в мг;

V(Н₂О) – объем воды, дм³;

Э (Са²⁺), Э (Mg²⁺) – эквивалентная масса ионов Са²⁺ и Mg²⁺, которая равна:

Э (Са²⁺) =

Э(Mg²⁺) =

Тогда:

Жо = [Са²⁺] + [Mg²⁺] = = 3,99 + 4,52 = 8,5 мг-экв/дм³

2). Рассчитываем жесткость карбонатную (Жк) по формуле:

Жк = [НСО₃^-] =

где: [НСО₃^-] - концентрация в мг-экв/дм³;m (НСО₃^-) – содержание иона НСО₃^- в мг; V(Н₂О) – объем воды, дм³; Э (НСО₃^-) – эквивалентная масса иона НСО₃^-, которая равна:

Э (НСО₃^-) =

Тогда:

Жк = [НСО₃^-] =

3). Рассчитываем жесткость некарбонатную (Жнк), как разность между жесткостью общей и карбонатной:

Жнк = Жо – Жк = 8,5 – 6,8 = 1,7 мг-экв/дм³

4). Результаты расчетов приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6

Показатели жесткости исследуемой воды

Наименование показателя:	Содержание в:
мг-экв/дм^3	мг/дм^3
Са^2+	3,99	3,99 • 20,04 = 80
Mg^2+	4,52	4,52 • 12,16 = 55
Жесткость общая, Жо	8,5	-
Жесткость карбонатная, Жк	6,8	-
Жесткость некарбонатная, Жнк	1,7	-

 

4.3 Индивидуальные задания

Условие задания (табл. 4.7): Рассчитать карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды.

Таблица 4.7

Состав исследуемой воды

№ задания	Объем воды, V(Н2О), м^3	Содержание ионов (m) в г:	Концентрация СО2, мг/дм^3
HCO3^-	Ca^2+	Mg^2+
	2,02	274,7	80,8	48,48	12,5
	1,2	144,0		28,8	7,4
	3,2	480,0		198,4	15,3
	4,1	561,7	500,2	307,5	20,1
	3,5	1050,0			70,1
	1,8	225,0			15,2
	3,3	775,5		254,1	50,4
	1,3	163,8		31,2	7,1
	1,5	184,5			10,2
	1,9	220,4			15,8
	2,1	390,6		100,8	18,9
	3,5	1172,5
	2,6	559,0	150,8	114,4	14,2
	2,9	449,5	272,6	217,5	20,2
	4,6	308,2		400,2	5,2
	5,9	472,0	483,8	395,3	9,2

Продолжение табл. 4.7

	8,2	516,6	508,4	360,8	5,8
	2,9	87,0	171,1	92,8	2,2
	2,3	747,5	195,5	149,5	78,2
	3,6	176,4	367,2		2,3
	3,4	408,0	224,4	193,8	14,2
	4,1	533,0	323,9	221,4	11,4
	2,5	652,5		172,5	52,4
	3,6	432,0		158,4	10,8
		1000,0			33,2
	0,4	72,0		27,2	26,1
	1,6	259,2		67,2	15,1
	0,9	126,0	80,1	60,3	15,2
	2,6	343,2			14,1
	1,2	192,0		93,6	19,9
	2,1	235,2	199,5	88,2	18,5
	1,1	171,6	79,2		15,1
	3,6	846,0	471,6	367,2	62,3
	4,2	483,0	344,4	201,6	9,3
	3,3	412,5	316,8	254,1	13,2
	1,7	173,4	130,9	151,3	7,1
	3,2	576,0	204,8	281,6	18,5
	1,5	244,5
	1,8	216,0	106,2	61,2	7,5
	1,2	378,0	116,4	80,4	68,2
	2,4	261,6	244,8	208,8	10,1
	3,3	300,3		181,5	8,1
	2,4	348,0	213,6	98,4	16,1
	2,5	627,5			50,1
	4,6	552,0		211,6	7,4
	5,5	1149,5	489,5		33,1
	8,7	1626,9	809,1	591,6	28,1
	2,5	430,0	142,5		15,0
	2,38	345,1	230,86	164,22	18,2
	3,61	476,5	357,39	227,43	15,0

 

Расчет дозы реагентов для умягчения исследуемой воды

Теоретическая часть

Использование жестких вод для хозяйственно-бытовых и промышленных нужд приводит к весьма нежелательным последствиям:

- усиление коррозии паровых котлов и теплообменников вследствие гидролиза магниевых солей и повышения концентрации водородных ионов в растворе;

- отложение накипи на поверхности теплообменных аппаратов (котлов, холодильников) снижает экономичность работы этих установок. Это приводит к образованию вздутий и трещин в трубах паровых котлов;

- в жесткой воде плохо развариваются продукты, понижается их питательная ценность. Белки переходят в нерастворимое состояние, плохо усваиваются организмом;

- преждевременный износ тканей при стирке в жесткой воде и перерасход моющего средства. Волокна тканей сорбируют кальциевые и магниевые мыла, а это делает их хрупкими и ломкими.

Для умягчения воды в промышленности и в быту используют термический, реагентный и ионообменный методы.

Термический метод применяют для устранения карбонатной (временной) жесткости воды. При кипячении гидрокарбонаты металлов разрушаются, образуя труднорастворимые вещества:

t^o

Са(НСО₃)₂ → СаСО₃↓ + СО₂↑+ Н₂О

Общая жесткость воды уменьшается на величину карбонатной жесткости.

Ионообменный метод широко применяется в промышленности. Жесткость воды устраняют с помощью ионитов (ионообменных смол). Воду фильтруют через ионообменные смолы (катиониты), при этом ионы кальция и магния замещаются на катионы Н⁺, Nа⁺, образуя растворимые соединения, не обусловливающие жесткость воды. Процесс ионного обмена можно представить схемой:

2 NaR + Са²⁺ = СаR₂ + 2 Na⁺

2 НR + Са²⁺ = СаR₂ + 2 Н⁺

где: NаR, НR – условное обозначение катионита в Nа⁺– и Н⁺ – форме.

После замещения всех ионов Н⁺, Nа⁺ в катионите ионами кальция или магния его регенерируют (восстанавливают), пропуская через смолу концентрированный раствор хлорида натрия или кислоты:

СаR₂ + 2 Na⁺ = 2 NaR + Са²⁺

СаR₂ + 2 Н⁺ = 2 НR + Са²⁺

Реагентный метод заключается в обработке воды различными химическими вещества (реагентами), которые осаждают ионы кальция и магния и умягчают воду.

Фосфатный метод основан на использовании гексаметафосфата натрия, что обеспечивает глубокое умягчение воды независимо от вида жесткости:

2 СаС1₂ + Na₆Р₆O₁₈ = Na₂Са₂P₆О₁₈ + 4 NaCl

Известково-содовый метод умягчения воды является одним из самых распространенных, рекомендованных СНиП 2.04.02-84. Известь устраняет карбонатную жесткость воды, а сода – некарбонатную. При использовании этого метода можно достичь величины остаточной жесткости 0,5 - 1,0 мг-экв/дм³ и карбонатной жесткости 0,8 - 1,2 мг-экв/дм³. Нижние пределы жесткости могут быть получены при нагреве воды до 35-40^ºС.

Карбонатную жесткость устраняют добавлением к воде щелочи (гидроксида кальция - гашеной извести):

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2 СаСО₃ ↓+ 2 Н₂О

Дозу извести в мг/дм³ рассчитывают по формуле:

мг/дм³

где: Дuзвести – доза извести для 1дм³ умягчаемой воды в расчете на CaO, мг/дм³; CO₂ – содержание свободной углекислоты, мг/дм³; [ Mg²⁺] – содержание Mg²⁺, мг/дм³; Ж_к – жесткость карбонатная, мг-экв/дм³; Д_к – доза коагулянта, мг/дм³; Э_к –эквивалент коагулянта, мг/экв – мг; 0,5 – избыток извести для ускорения процесса, мг-экв/дм³; 28 – эквивалент CaO.

Некарбонатную жесткость воды устраняют добавлением к воде соды:

СаС1₂ + Na₂CO₃ = СаСО₃↓ + 2 NaCl

2 MgSO4 + 2 Na2CO3 + Н2О = (МgOH)2СО3↓+ СО2↑+ 2 Na2SO4

Дозу соды в мг/дм³ рассчитывают по формуле:

, мг/дм³

где: Дcоды – доза соды для 1дм³ умягчаемой воды, мг/дм³; Жнк – жесткость некарбонатная, мг-экв/дм³; Д_к, Э_к – см. выше; 1 – избыток соды для ускорения процесса; 53 – эквивалент соды.

Примечание: При условии > Жк, содержании [Mg²⁺] ≤ 15 мг/дм³ и перманганатной окисляемости ≤ 10 мг 0₂/дм³ в производственных условиях можно использовать не осветлители с взвешенным осадком, а вихревые реакторы, что позволяет не применять коагулянты и из приведенных формул определения Дuзвести и Дcоды исключить член .

5.2. Пример решения индивидуального задания

Пример.

Условие задания: Рассчитать дозу извести и соды для умягчения исследуемой воды, если известно, что:

Составводы:
Жк, мг-экв/дм^3	Жобщ, мг-экв/дм^3	[Mg^2+], мг/дм^3	[CO2], мг/дм^3
6,8	8,5

Решение

1). РассчитатьЖнк для исходной воды по формуле:

Жнк = Жобщ – Жк = 8,5 – 6,8 = 1,7 мг-экв/дм³

По формуле СНиПа рассчитать дозу соды в мг/дм³:

мг/дм³ = 0,143 г

Поскольку для умягчения используют 10 %-ый раствор соды Na₂CO₃

(ρ = 1,05 г/см³), вычисляем объем этого раствора:

10 г Na₂CO₃ содержится в 100 г раствора

0,143 г Na₂CO₃ ----------- в х г раствора

10% раствора Na₂CO₃

Объем 10%-ого раствора соды для умягчения воды:

2) По формуле СНиПа рассчитать дозу извести (СаО) в мг/дм³:

= 484 мг/дм³

СаО реагирует с водой с образованием Са(ОН)₂ по уравнению:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Поэтому следует пересчитать дозу СаО в Са(ОН)₂:

М(CaO) = 56 г/моль; М(Ca(OH)₂) = 74 г/моль

Тогда:

74 мг Ca(OH)₂ содержат 56 мг CaO

х мг Ca(OH)₂ ------------ 484 мг CaO

640 мг = 0,64 г Са(ОН)₂

Поскольку для умягчения используют 0,5 %-ый раствор извести Ca(OH)₂

(ρ = 1,03 г/см³), вычисляем объем этого раствора:

0,5 г Ca(OH)₂ содержится в 100 г раствора

0,64 г Ca(OH)₂ ------------- в х г раствора

128 г 0,5% раствора Са(ОН)₂

Объем 0,5%-ого раствора извести для умягчения воды:

124 см³

5.3. Индивидуальные задания

 

Условия заданий (табл. 4.6 и табл. 4.7):

Задание № 1. Написать уравнения реакций известково-содового умягчения;

Задание № 2. Рассчитать дозу извести и соды для известково – содового умягчения воды.

Использовать результаты расчетов показателей жесткости воды и магния (в мг/дм³) из табл.4.6; а также данные по содержанию углекислого газа из табл. 4.7.

6. Обработка результатов определения содержания взвешенных веществ