Виды жесткости. Способы умягчения воды

Катионы Ca²⁺ обусловливают кальциевую жесткость, а катионы Mg²⁺ - магниевую жесткость. Общая жесткость складывается из кальциевой и магниевой, т.е. из суммарной концентрации в воде катионов Ca²⁺ и Mg²⁺.

Под умягчением воды понимают либо устранение, либо уменьшение ее жесткости. Главным образом оно заключается в полном или частичном удалении из нее катионов Ca²⁺, Mg²⁺ и Fe²⁺. Существует три основных способа умягчения воды: термическая обработка, химическая обработка, ионный обмен.

1. Термическая обработка

Суть способа заключается в предварительном нагревании воды до 70-80 °С или ее кипячении. При этом катионы Ca²⁺, Mg²⁺  осаждаются в виде малорастворимых соединений. 

По отношению к процессам умягчения воды различают жесткость карбонатную и некарбонатную.

Карбонатной называют жесткость, вызванную присутствием в воде гидрокарбонатов кальция Ca(HCO₃)₂ и магния Mg(HCO₃)₂. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются, а образующиеся малорастворимые карбонаты выпадают в осадок, и общая жесткость воды уменьшается на величину карбонатной жесткости. Поэтому карбонатную жесткость также называют временной.

При кипячении катионы кальция осаждаются в виде карбоната кальция:

Ca²⁺ + 2HCO₃^2- = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂,

а катионы магния – в виде основного карбоната или в виде гидроксида магния (при рН>10.3):

2Mg²⁺ + 2HCO₃^- + 2OH^- = (MgOH)₂CO₃↓ + H₂O + CO₂

гидроксид-ионы OH^- образуются за счет взаимодействия ионов HCO₃^- с водой:

HCO₃^- + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH^-

Остальная часть жесткости, сохраняющаяся после кипячения воды, называется некарбонатной. Она определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот: сульфатов, хлоридов, нитратов. При кипячении эти соли не удаляются, поэтому некарбонатную жесткость также называют постоянной.

2. Химическая обработка.

Умягчение воды также может быть достигнуто обработкой различными химическими веществами. Так, карбонатную жесткость можно устранить добавлением гашеной извести

Ca²⁺ + 2HCO₃^- + Ca²⁺ + 2OH^- = 2CaCO₃↓ + 2H₂O

Mg²⁺ + 2HCO₃^2- + 2Ca²⁺ + 4OH^- = Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2 H₂O

При одновременном добавлении извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жесткости (известково-содовый способ). Карбонатная жесткость при этом устраняется известью, а некарбонатная – содой:

Ca²⁺ + CO₃^2-+ = CaCO₃↓;

Mg²⁺ + CO₃^2-+ = MgCO₃

и далее

MgCO₃ + Ca²⁺ + 2OH^- = Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓

Эффективным средством для умягчения воды служит полифосфат натрия Na₅P₃O₁₀. В этом случае связывание ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ осуществляется за счет образования хорошо растворимых в воде хелатных комплексных соединений:

P₃O₁₀^5- + Ca²⁺ = [Ca(P₃O₁₀)]^3-

P₃O₁₀^5- + Mg²⁺ = [Mg(P₃O₁₀)]^3-

3. Ионный обмен

Применяются и другие способы устранения жесткости воды, среди которых один из наиболее современных основан на применении катионитов - катионитный способ. Имеются твердые вещества, которые содержат в своем составе подвижные ионы, способные обмениваться на ионы внешней среды. Они получили название ионитов.

Иониты делятся на две группы. Одни из них обменивают свои катионы на катионы среды и называются катионитами, другие обменивают свои анионы и называются анионитами. Иониты не растворяются в растворах солей, кислот и щелочей.

Из неорганических ионитов наибольшее значение имеют цеолиты – алюмосиликаты сложного состава, имеющие кристаллическое строение. Например, алюмосиликат состава Na₂O∙Al₂O₃∙4SiO₂∙mH₂O имеет пространственную решетку, образованную атомами Al, Si и O. Решетка пронизана полостями, в которых размещаются молекулы воды и ионы Na⁺. Последние, обладая определенной свободой перемещения, замещаются на ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ при пропускании воды через слой зерен (гранул) цеолита.

Более совершенны ионообменные смолы, получаемые на основе синтетических полимеров. Они обладают одновременно высокими эксплуатационно-техническими характеристиками и разнообразными физико-химическими свойствами.

Для устранения жесткости воды применяют катиониты. Их состав условно можно выразить общей формулой Na₂R, где Na⁺ - весьма подвижный катион, а R^2- - частица катионита, несущая отрицательный заряд.

Если пропускать воду через слои катионита, то ионы натрия будут обмениваться на ионы кальция и магния:

Ca²⁺ + Na₂R = 2Na⁺ + CaR;

Mg²⁺ + Na₂R = 2Na⁺ + MgR

Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, жесткость при этом устраняется.

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит перестает работать – утрачивает способность умягчать воду. Однако любой ионит легко подвергается регенерации. Для этого через катионит пропускают концентрированный раствор NaCl (Na₂SO₄) или HCl (H₂SO₄). При этом ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ выходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na⁺ или H⁺.

4. Физические методы устранения жесткости

Для умягчения воды применяются также методы, основанные на физических явлениях.

Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обуславливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.

Магнитно-ионизационный метод также использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля. Для увеличения в воде количества ионов ее предварительно облучают ионизирующим излучением.

Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворенных веществ и их объединение в более крупные частицы, которые выпадают в осадок.

Ультразвуковая обработка воды также приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка.

© Е.А. Нуднoва, И.Н. Аржaнова

К следующему разделу
К оглавлению