5 Література
Набиванець Б.Й., Сухан В.В., Калабіна Л.В. Аналітична хімія природного середовища. – К.: Либідь, 1996. – 304 с.
Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. – К.: Наукова думка, 1971. – 499 с.
Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. – Л.: Химия, 1977. – 376 с.
Коростелев П.П. Лабораторная техника химического анализа. – М.: Химия, 1981. – 312 с.
Коренман И.М. Справочник. Методы количественного анализа. – М.: Химия, 1989. – 128 с.
Гурвич Я.А. Справочник молодого аппаратчика-химика. – М.: Химия, 1991. – 256 с.
Кульский Л.А., Гороновский И.Т., Когановский А.М., Шевченко М.А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды. В двух частях. Часть I. – К.: Наукова думка, 1979. – 680 с.
ГОСТ 18164-72. Вода питьевая. Методы определения содержания сухого остатка.
ГОСТ 4245-72. Вода питьевая. Методы определения содержания хлоридов.
ГОСТ 4389-72. Вода питьевая. Методы определения содержания сульфатов.
Лабораторна робота № 3
Пом’якшення і допом’якшення природної води реагентними методами
Мета роботи. Визначити карбонатну і некарбонатну твердість зразка природної води. Провести пом’якшення води вапняно-содовим методом і допом’якшення води-фосфатним методом. Розрахувати необхідну для цього кількість реагентів.
1 Фізико-хімічні основи процесу
Під терміном «твердість води» розуміють її здатність зв’язувати у нерозчинні з’єднання іони жирних кислот , які входять у склад мила, а також утворюють накип в котлах та інших апаратах і трубопроводах. При цьому порушується режим теплообміну, гідродинамічний режим , що призводить до порушення всього технологічного процесу. Тому твердість води визначає її придатність для потреб промисловості , теплоенергетики, господарчо-побутових потреб тощо.
Твердість природних вод зумовлюється присутністю в них іонів Са2+ і Мg2+. Іони Са2+ надходять у воду під час розчинення вапняків під дією вугільної кислоти, які містяться у воді, а також під час безпосереднього вилужування водою гіпсу. Основним джерелом іонів Мg2+ є доломіти, які розчиняються водою при наявності вугільної кислоти.
Наявність у воді великої кількості солей, що зумовлюють твердість, небажано, оскільки така вода стає непридатною для господарчо-побутових і багатьох виробничих потреб.
Розрізняють карбонатну, некарбонатну і загальну твердість.
Карбонатна твердість, яка зумовлена наявністю у воді гідрокарбонатів кальцію і магнію, і виражається у мг∙екв/дм3. Ця твердість майже повністю видаляється при кип’ятінні води, оскільки присутні в ній гідрогенкарбонати підлягають розпаду з утворенням вугільної кислоти і СаСО3, MgСО3 за реакціями:
Са(НСО3)2 СаСО3 ↓ + Н2О + СО2 ↑
Mg(НСО3)2 MgСО3 + Н2О + СО2 ↑
Кальцій карбонат є важкорозчинним. Його добуток розчинності становить ДРСаСО3 = 1,2*10-8, тому СаСО3 випадає в осад. Зовсім по-іншому веде себе магній карбонат. Його добуток розчинності складає ДРMgСО3 = 2*10-4, що порівняно вищий ніж у СаСО3, тому магній карбонат в осад не випадає. Для видалення MgСО3 із води використовуються реагентні методи.
Некарбонатна твердість зумовлюється сульфатами, хлоридами і нітратами кальцію і магнію.
Загальна твердість води представляє собою суму карбонатної і некарбонатної твердості. Вона визначається за формулою:
Тз
=
,
мг∙екв/дм3,
(1)
де [Cа2+], [Mg2+] – концентрація іонів відповідно Са2+ і Mg2+, мг/дм3;
20,04 та 12,16 – молярна маса еквіваленту відповідно М(1/2 Са2+) і М (1/2 Mg2+) у мг∙екв/дм3 , яка відповідає 1 мг∙екв/дм3 твердості води.
Під час реагентного пом’якшення вода обробляється речовинами, які зв’язують іони Са2+ і Mg2+ , що знаходяться у воді, в практично нерозчинні з’єднання. В якості реагентів використовують кальцій оксид(вапно), натрій карбонат(кальцинована сода), натрій гідроксид, натрій фосфат(V) (Na3РО4), барій гідроксид та інші речовини.
Існують такі методи реагентного пом’якшення води: вапнування; вапняно-содовий; содово-натровий; содово-регенеративний; барієвий; фосфатний і оксалатний.
Процес пом’якшення води вапнуванням (декарбонізація вапнуванням) засновано на реакції:
Са(ОН)2 + Са(НСО)3 2СаСО3 ↓ + 2Н2О
Для покращення осадження СаСО3 у воду окрім вапна додають коагулянт.
Вапняно-содовий метод використовується для усунення карбонатної і некарбонатної твердості. Його засновано на таких процесах: гашене вапно реагує із розчиненим у воді вуглекислим газом за реакцією:
Са(ОН)2 + СО2 СаСО3 ↓ + Н2О,
а також вступає в реакцію із гідрогенкарбонатами кальцію і магнію за реакціями:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 2СаСО3 ↓ + 2Н2О;
Мg(НСО3)2 + Са(ОН)2 СаСО3 ↓ + МgСО3 + 2Н2О.
При надлишку вапна магній карбонат взаємодіє з ним, утворюючи магній гідроксид, який випадає в осад за реакцією:
MgСO3 + Ca(OH)2 CaCO3 ↓ + Mg(OH)2 ↓.
Видалення солей некарбонатної твердості відбувається за реакціями:
СaSO4 + Na2CO3 CaCO3 ↓ + Na2SO4;
MgSO4 + Na2CO3 MgCO3 + NaSO4.
Потім MgCO3 реагує з Са(ОН)2 з утворенням Mg(ОН)2. Усунути повністю твердість цим методом неможливо через деяку розчинність СаСО3 і Mg(ОН)2. Тому він використовується для відносно неглибокого пом’якшення води. Цим методом залишкова твердість може бути доведена до 0,5 – 1,0 мг∙екв/дм3, а лужність – до 0,8 – 1,2 мг∙екв/дм3, але для цього воду підігрівають до 70 – 80oС або перемішують, або вводять деякий надлишок реагентів (10 – 20 %).
Під час пом’якшення содово-натровим методом у воду додають NaCO3 і NaOH, при цьому протікають такі реакції:
Са(НСО3)2 + 2NaOH CaCO3 ↓ + Na2CO3 + 2H2O;
Mg(HCO3)2 + 2NaOH Mg(OH)2 ↓ + Na2CO3 + CO2 ↑ + H2O;
CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 ↓ + Na2SO4 тощо.
Содово-натровий метод зазвичай використовується для пом’якшення води, в якій карбонатна твердість трохи більше за некарбонатну.
Содово-регенеративний метод пом’якшення використовується для води, яка йде на живлення котлів низького тиску. Особливість цього методу полягає в тому, що натрій карбонат(сода) відновлюється в процесі пом’якшення води.
Під час реакції соди із кальцій гідрогенкарбонатом утворюється натрій гідрокарбонат за реакцією:
Са(НСО3)2 + Na2CO3 CaCO3 ↓ + 2NaHCO3 ,
який потрапляє в котел з пом’якшеною водою , розкладається під впливом високої температури за реакцією:
2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 ↑ + H2O
Пом’якшення води барієвим методом відбувається за допомогою барій гідроксиду або барій карбонату за реакціями :
CaSO4 + Ba(OH)2 BaSO4 ↓ + Ca(OH)2
CaSO4 + BaCO3 CaCO3 ↓ + BaSO4 ↓
За допомогою цього методу можна не тільки пом’якшити воду, але й видалити з неї сульфати. Однак з’єднання барію отруйні, а метод дорого коштує, тому цей метод у нас не використовується.
Найбільш повне пом’якшення води відбувається в результаті використання в якості реагента натрій фосфату(V) , тобто під час фосфатного методу пом’якшення.
Іони РО43- зв’язують іони Mg2+ і Са2+ у практично нерозчинні фосфати за реакціями:
3Са2+ + 2РО42- Са3РО4 ↓;
3Mg2+ + 2PO42- Mg3(PO4)2 ↓
Цей метод дає можливість знизити твердість води до 0,035–0,07 мг∙екв/дм3 і використовується у тих випадках , коли необхідне глибоке пом’якшення. Через високу вартість реагента фосфатний метод використовується для пом’якшення води, твердість якої знижена іншими методами до 0,35 – 0,7 мг∙екв/дм3. Зазвичай фосфатування проводиться при підігріві води до температури 120 – 150oС після вапняно-содового пом’якшення.
Оксалатний метод використовується для видалення кальцієвої твердості у невеликій кількості води шляхом її обробки оксалатом натрію. Метод засновано на невеликій розчинності (6,8 мг/дм3) оксалат натрію. Пом’якшення води відбувається за реакціями:
CaSO4 + Na2C2O4 CaC2O4 ↓ + Na2SO4;
Ca(HCO3)2 + Na2C2O4 CаC2O4 ↓ + 2NaHCO3
Оксалатний метод хоча і простий, але дуже дорогий.
обладнання
Бюретки ємкістю 25, 50см3
Лійки скляні
Годинникове скло
Колби конічні ємкістю 250, 500, 1000 см3
Колби конічні широкогорлі ємкістю 250 см3
Мірні циліндри ємкістю 25, 100, 250, 500 см3
Піпетки Мора ємкістю 50, 100 см3
Піпетки ємкістю 5 см3
Вакуумна установка з воронкою Бюхнера
Водяна баня
Електроплитка
Фільтр щільний «синя стрічка»
Розчини і реактиви
Амоній буферний розчин з рН ≈ 10
Кальцій гідроксид (вапняне молоко), розчин з концентрацією СаО 1 мг/см3
Вода дистильована
Індикатор еріохром чорний Т, суха суміш із NаСl
Індикатор метилоранж
Індикатор фенолфталеїн
Натрій карбонат Nа2СО3 (сода), розчин з масовою часткою 5 %
Кислота хлористоводнева, розчин з молярною концентрацією еквівалента 0,1 моль/дм3 (0,1 н) та 0,05 моль/дм3 (0,05 н)
Трилон Б (комплексон ІІІ), розчини з молярною концентрацією еквівалента С (1/2 Н2У 2-) = 0,02 моль/дм3 (0,02н) та 0,01 моль/дм3 (0,01 н)
Натрій фосфат(V) Nа3РО4 або Nа3РО4 *12Н2О розчин з молярною концентрацією еквівалента С (1/3 Nа3РО4) = 0,1 моль/дм3 (0,1 н або 0,1 мг∙екв/м3)
Приготування розчинів
1. Натрій карбонат Nа2СО3, розчин з масовою часткою 5 %
5 г Nа2СО3 розчиняють у 95 см3 дистильованої води.
2. Натрій фосфат(V) Nа3РО4 або Nа3РО4 *12Н2О, розчин з молярною концентрацією еквівалента С (1/3 Nа3РО4) = 0,1 моль/дм3 (0,1 н або 0,1 мг∙екв/см3)
В мірну колбу ємкістю 1 000 см3 наливають трохи дистильованої води, додають туди 5,465 г Nа3РО4 або 12,674 г Nа3РО4 *12Н2О і доводять до мітки дистильованою водою.