6. Забруднення природних вод. Очистка і опріснення води
Природні води також містять у собі частинки глини та піску, залишки рослинних та тваринних організмів, а також велику кількість мікроорганізмів, які часто можуть стати причиною захворювань.
Таким чином, у залежності від застосування, природні води необхідно вміти очищувати від механічних домішок, надлишку солей та мікроорганізмів. При застосуванні природних вод для водопостачання населених пунктів використовують цілу систему очистки води: фільтрування – для видалення меха- нічних домішок, застосування адсорбентів – для очищення від органічних до-мішок та знезаражування – для знищення мікроорганізмів, які можуть викли-кати захворювання.
Фільтрування природних вод проводиться через шари піску та гравію, які затримують крупні механічні домішки.
Знезаражування проводиться обробкою води хлором або хлорним вап-ном. Хлор та хлорне вапно при взаємодії з водою утворюють кислоту НСlO, що розпадається на НСl та атомарний Оксиген НСlO НСl + O, який знищує мікроорганізми. Достатньо 0,7 г Сl2 на 1 т води для її знезаражування.
Аналогічний ефект викликає обробка озоном, який теж дає атомарний Оксиген О3 О2 + О. Використовується також метод обробки води аргентум-іонами Ag+ (достатньо 0,1–0,2 мг/л), які також мають бактерицидний ефект.
Іноді вода підлягає хімічному очищенню. Цей процес проводять додаван-ням до води алюміній сульфату, який при взаємодії з кальцій гідрогенкарбо-натом, що міститься у ній, утворює алюміній гідроксид:
Al2(SO4)3
+ 3Ca(HCO3)2
3CaSO4
+ 6CO2
+ 2Al(OH)3
Осідаючи, алюміній гідроксид захоплює нерозчинні домішки. Для очистки від водорозчинних солей природну воду переганяють (дистилюють) і в залежності від вимог можна отримати дистильовану воду, бідистилят або ультра-чисту воду.
7. Твердість води та методи її усунення
Очищена фільтруванням та знезаражуванням природна вода містить у собі водорозчинні солі лужних та лужноземельних металів. Переважно – це хлориди, сульфати, гідрогенкарбонати, наявність яких надає воді твердість.
Підвищена твердість води сприяє утворенню накипу в парових котлах, опалювальних приладах, що значно знижує інтенсивність теплообміну і призводить до значного збільшення витрат енергоносіїв. У твердій воді не піниться мило (деяка частина мила утворює з кальцій-катіонами нерозчинний осад), у зв’язку з чим збільшуються витрати миючих засобів. Якість тканин, які прались у твердій воді, погіршується внаслідок осадження на них кальці-євих та магнієвих солей вищих жирних кислот мила. У воді з високою твер-дістю погано розварюються овочі та м’ясо, оскільки кальцій-катіони утворю-ють з білками харчових продуктів нерозчинні сполуки.
Розрізняють тимчасову та постійну твердість води.
Тимчасова (карбонатна) твердість води характеризується наявністю у воді розчинних кальцій гідрогенкарбонатів та магній гідрогенкарбонатів, які при кип’ятінні розкладаються за рівнянням реакції (термічний метод усу-нення):
Me(HCO3)2 MeCO3 + CO2 + H2O.
Таким чином, розчинні у воді солі перетворюються у нерозчинні карбонати, які випадають у осад. Для термічного усунення тимчасової твердості води достатньо прокип’ятити воду протягом 20-30 хвилин.
Саме утворення осаду (накипів) у трубопроводах системи опалення та каналах системи охолодження двигунів внутрішнього згоряння (радіатори та оболонка охолодження двигуна) робить малопридатним застосування природних вод із високою твердістю.
Постійна (не карбонатна) твердість характеризується наявністю у воді розчинних магній-, кальцій- та ферум(ІІ) сульфатів та хлоридів. Вона не усувається кип’ятінням.
Особливо шкідливі магній хлориди, які гідролізують у воді за реакцією:
MgCl2 + 2H2O Mg(OH)2 + 2HCl.
А утворений магній гідроксид при взаємодії з ферум(ІІ)-іонами знову дає магній хлорид:
FeCl2 + Mg(OH)2 Fe(OH)2 + MgCl2.
Утворений магній хлорид також гідролізується і середовище стає кислим і його корозійна активність зростає.
Сума тимчасової та постійної твердості складає загальну твердість води. В нашій країні її характеризують числом міліеквівалентів (м-екв) кальцій- та магній-катіонів, які містяться в 1 л води.
Існують хімічні методи усунення твердості води, суть яких полягає у додаванні до води сполук, які переводять розчинні солі у нерозчинні. Для усунення гідрогенкарбонатів використовують гашене вапно, яке взаємодіє з гід-рогенкарбонатами за реакцією:
Me(HCO3)2 + Ca(OH)2 MeCO3 + CaCO3+ 2H2O.
У зв’язку з тим, що розчинність магній гідроксиду менша, ніж карбонату, магній буде випадати у вигляді гідроксиду Mg(OH)2. Утворення магній карбо-нату може статися при досить високій концентрації карбонат-іонів у розчині і найбільш імовірним буде утворення основного гідроксид магній карбонату (MgOH)2CO3.
Для усунення постійної твердості, викликаної наявністю розчинних солей двовалентних металів, у воду додають розчин соди, який перетворює суль-фати та хлориди у нерозчинні карбонати за реакцією:
MeSO4 + Na2CO3 MeCO3 + Na2SO4.
Для хімічного пом’якшення твердої води використовують солі натрію, які осаджують кальцій- і магній-катіони: Na3PO4, (NaPO3)6, Na2B4O7 та інші.
Для кількісного визначення твердості води використовують об’ємний метод аналізу. Для визначення гідрогенкарбонатної (тимчасової) твердості вміст гідрогенкарбонатів визначають титруванням солей кальцію та магнію титрованим розчином хлоридної кислоти, яка взаємодіє з гідрогенкарбонатами за реакцією:
Me(HCO3)2 + 2HCl MeCl2 + CO2 + H2O.
Точка еквівалентності визначається за допомогою індикатору метиловий оранжевий. Робочим розчином є 0,1 н. розчин хлоридної кислоти. У колбочку для титрування набирають 100 мл досліджуваної води, додають 2–3 краплі індикатору метиловий оранжевий і титрують хлоридною кислотою до зміни світло-жовтого кольору на світло-рожевий.
Нормальну концентрацію солей, що утворюють тимчасову твердість, розраховують за формулою
-
Сн
=
V(HCl) Cн(HCl)
1000 мг-екв/л.
(70)
V(H2O)
У великих масштабах пом’якшення природних вод здійснюють за допомогою іонообмінної сорбції, при якій сорбент поглинає із води кальцій- і магній-катіони шляхом обміну на катіони, які посилаються сорбентом у розчин (Na+, H+ або інші).
Із неорганічних сорбентів для пом’якшення твердості води використовують пермутит – штучно отриманий зернистий алюмосилікат Na2[Al2Si2O8]x nH2O, у якого обмінними є натрій-катіони (схематична формула Na2П). Обмін катіонами між пермутитом і твердою водою можна виразити рівняннями реакцій:
Са(HCO3)2 + Na2П 2NaHCO3 + СаП;
CaSO4 + Na2П Na2SO4 + СаП;
або Ca2+ + Na2П 2Na+ + CaП.
Утворювані натрієві солі твердості води не викликають. Але використання пермутиту обмежене через невелику ємність його за катіонами твердості.
Більш високу обмінну ємність мають синтетичні органічні іонообмінні смоли або іоніти. На промислових підприємствах і електричних станціях іоніти використовують для пом’якшення або демінералізації води.
У першому випадку природну воду пропускають через фільтр з катіонами в натрієвій формі (рис. 31), який поглинає кальцій- і магній-іони, що викликають твердість, а на заміну їм спрямовує натрій-іони:
2RNa + Ca(HCO3)2 R2Ca + 2NaHCO3. У другому випадку знесолення (деміне-ралізацію) води здійснюють у дві стадії: спочатку воду пропускають крізь шар катіоніту в Н+-формі, а потім – крізь шар аніоніту в ОН--формі. Перша стадія є водневим цик-лом. При цьому усі катіони, які присутні в природній воді, обмінюються на Н+-катіони (катіони солей поглинаються смолою, а еквівалентна кількість Н+-іонів переходить у |
Рис. 31. Іонообмінний фільтр для пом’якшення води |
воду). Таким чином, солі перетворюються у кислоти:
2RH + Ca(HCO3)2 R2Ca + 2H2CO3.
2RH + MgSO4 R2Mg + H2SO4.
RH + NaCl RNa + HCl.
Друга стадія демінералізації – це аніонообмінний цикл. Аніони із природної води поглинаються смолою, а виділяється еквівалентна кількість ОН-іонів. Але гідроксид-іони нейтралізуються Н+-катіонами, отриманими при катіонному обміні, і утворюється вода:
2ROH + H2CO3 R2CO3 + 2H2O.
2ROH + H2SO4 R2SO4 + 2H2O.
ROH + HCl RCl + H2O.
Таким чином, іонний обмін дозволяє майже повністю знесолити (демінералізувати) природну воду. Отримана вода повністю замінює дистильовану.