12.07.2015 Views

Vanduo. Vandens kietumas ir minkštinimas

Vanduo. Vandens kietumas ir minkštinimas

Vanduo. Vandens kietumas ir minkštinimas

SHOW MORE
SHOW LESS
  • No tags were found...

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

V<strong>ir</strong>inant vandenį, kuriame yra karbonatinį arbalaikinąjį kietumą sudarančių kalcio <strong>ir</strong> magniohidrokarbonatų, vyksta pastarųjų terminisskilimas. Kalcio <strong>ir</strong> magnio hidrokarbonatų skilimoproduktai nusėda ant kaitinimo elementų, indosienelių <strong>ir</strong> sudaro nuov<strong>ir</strong>as:Ca(HCO 3 ) 2 → CaCO 3 ↓ + CO 2 ↑ + H 2 OMg(HCO 3 ) 2 → MgCO 3↓ + CO 2 ↑ + H 2 ONekarbonatinį arba pastovųjį kietumą sudarančiosdruskos, v<strong>ir</strong>inant vandenį, neskyla <strong>ir</strong> nuov<strong>ir</strong>ųnesudaro.http://chemwiki.ucdavis.edu/Inorganic_Chemistry/Descriptive_Chemistry/Main_Group_Elements/Main_Group_Reactions/Case_Study%3A_Hard_Waterhttp://www.personal.psu.edu/afr3/blogs/siowfa12/2012/12/who-stole-my-safe-water.htmlNuov<strong>ir</strong>os garo katiluose trikdo technologiniusprocesus:• sumažėja šiluminių įrenginių šilumos laidumas,padidėja energijos nuostoliai,• plieninio katilo sienelės perkaista <strong>ir</strong> iš ugnies pusėsapsitraukia Fe 3O 4sluoksniu, kuris eksploatacijosmetu atšoka nuo sienelių <strong>ir</strong> dėl to suintensyvėjaplieno dujinė korozija,• garo katilas gali pradegti, prakiurti, sprogti <strong>ir</strong> pan.• kietas vanduo trumpina vandentiekio sistemos,kriauklių, unitazų, dušų <strong>ir</strong> kt., tarnavimo laiką,• įrengimų valymas tampa pagrindine problema, kaijuose naudojamas kietas vanduo.Kietas vanduo didina muilo sąnaudas:2CH 3 (CH 2 ) 14 COONa + Ca 2+ → (CH 3 (CH 2 ) 14 COO) 2 Ca↓+2Na +t<strong>ir</strong>pus natrio palmitatas net<strong>ir</strong>pus kalcio palmitatas(natrio muilas)(kalcio muilas)Dalis muilo iš pradžių sunaudojama vandensminkštinimui.Susidaro net<strong>ir</strong>pūs kalcio <strong>ir</strong> magnio muilai (dribsniųpavidalu), kurie patys gali užteršti drabužius arkitus muilu plaunamus pav<strong>ir</strong>šius.Būtent net<strong>ir</strong>piųjų muilų susidarymas tokiamevandenyje suteikė jam pavadinimą “KIETAS”• <strong>Vandens</strong> <strong>kietumas</strong> matuojamas Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+jonų arba jų druskų moline koncentracija, t.y.molių skaičiumi viename litre vandens [mol/l]C M =nVt<strong>ir</strong>piniot<strong>ir</strong>palo=Mmt<strong>ir</strong>piniot<strong>ir</strong>pinio⋅Vt<strong>ir</strong>paloT<strong>ir</strong>pinio (Ca 2+ arba Mg 2+ druskos) medžiagos kiekis n t<strong>ir</strong>pinio (mol);T<strong>ir</strong>palo (“kieto” vandens) tūris V t<strong>ir</strong>palo (l);T<strong>ir</strong>pinio (Ca 2+ arba Mg 2+ druskos) masė m t<strong>ir</strong>pinio (g);T<strong>ir</strong>pinio (Ca 2+ arba Mg 2+ druskos) molio masė M t<strong>ir</strong>pinio (g/mol).mol/lDažniausiai Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+ jonų bei jų druskųkoncentracijos yra gan nedidelės, todėl paprastaipakanka ją išreikšti milimoline koncentracija, t.y. mmol/l<strong>Vandens</strong> kietumo sk<strong>ir</strong>stymasKietumas, mmol/l<strong>Vanduo</strong>< 0,75 labai minkštas0,75–1,5 minkštas1,5–2,7 vidutiniškai kietas2,7–5,35 kietas> 5,35 labai kietasMinksčiausias lietaus vanduo: 0,035–0,05 mmol/l.Kiečiausias jūrų <strong>ir</strong> vandenynų vanduo: iki 32,5 mmol/l.


Kietumo nustatymas• Karbonatinis <strong>kietumas</strong> nustatomas titruojant0,1 mol/l koncentracijos HCl t<strong>ir</strong>palu, ikiindikatoriaus metiloranžo spalvos pasikeitimoiš geltonos į oranžinę:Ca(HCO 3 ) 2 + 2HCl → CaCl 2 + 2CO 2 ↑ + 2H 2 OMg(HCO 3 ) 2 + 2HCl → MgCl 2 + 2CO 2 ↑ + 2H 2 OCaCl 2 <strong>ir</strong> MgCl 2 + HCl → nereaguojaKietumo nustatymas• BK nustatomas kompleksonometriniu būdu titruojantdinatrio etilendiaminotetraacetato (trilono B, sutrumpintaiNa 2 T) t<strong>ir</strong>palu. Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+ jonai su Na 2 T sudaro patvarųkompleksinį junginį:Na 2 T + Ca 2+ CaT + 2Na +Na 2 T + Mg 2+ MgT + 2Na +• Į vandenį įdėtas eriochromo juodasis T indikatoriussusijungia su Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+ jonais, jis įgyja raudonojo vynospalvą. Kai titravimo metu visi t<strong>ir</strong>iamąjame vandenyjeesantys Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+ jonai susijungia suetilendiaminotetraacetato jonais (sutrumpintai žymima T 2+ ),indikatorius įgyja mėlyną spalvą.<strong>Vandens</strong> <strong>minkštinimas</strong><strong>Vandens</strong> <strong>minkštinimas</strong> – tai dalinis arbavisiškas Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+ jonų pašalinimas išvandens.<strong>Vandens</strong> minkštinimo būdaiCheminiaiterminisnusodinimoFizikiniaidistiliavimasmagnetinis• http://www.indigo.com/test-strips/gph-test-strips/Cobalt-chloride-test-strips.htmljonų kaitosultragarsinis, difuzinis <strong>ir</strong>kt.• Laikinas vandens <strong>kietumas</strong> gali būtipašalinamas1) terminiu būdu v<strong>ir</strong>inant arba šildantvandenį aukštesnėje nei 70 °Ctemperatūroje:Ca(HCO 3 ) 2 → CaCO 3 ↓ + CO 2 ↑ + H 2 OMg(HCO 3 ) 2 → MgCO 3 ↓ + CO 2 ↑ + H 2 OSusidaro nuov<strong>ir</strong>os.2) cheminiu būdu – gesintomis kalkėmis Ca(OH) 2 (jų sotust<strong>ir</strong>palas vandenyje vadinamas “kalkių pienu”):Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 → 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 OMg(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 → MgCO 3 ↓ + CaCO 3 ↓ + 2H 2 OGesintų kalkių dedama tik tiek, kiek reikia karbonatiniamkietumui pašalinti.• Kalcio jonų perteklius gali padidinti vandens kietumą.• Gesintos kalkės pašalina <strong>ir</strong> vandenyje išt<strong>ir</strong>pusį CO 2 :CO 2 + Ca(OH) 2 → 2CaCO 3 ↓ + H 2 O


• Ceolitai <strong>ir</strong> permutitai turi akytąkristalinę struktūrą <strong>ir</strong> juose esantys Na +jonai gali būti pakeičiami Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+jonais iš vandens:Na 2 R + CaSO 4 → CaR + Na 2 SO 4Na 2 R + MgCl 2 → MgR + 2NaClčia R sutrumpintai pažymėtas aliumosilikato anijonas [(AlSi) x O 2x ] 2–• Sintetiniai organiniai jonitai – taistambiamolekulės organinės medžiagos, turinčioserdvinę struktūrą <strong>ir</strong> net<strong>ir</strong>pios vandenyje.• Vienos jų “sugeria” katijonus <strong>ir</strong> vadinamoskatijonitais, kitos - anijonus <strong>ir</strong> vadinamosanijonitais.• Katijonitų sudėtis paprasčiau gali būti išreikštataip:H + n Rn– arba Na + n Rn–•Anijonitų sudėtis paprasčiau gali būti išreikštataip:R n+ (OH – ) nčia R sutrumpintai pažymėtas sintetinės organinės dervos anijoninisradikalas (liekana).• Katijonituose prie polimerinių makromolekuliųkovalentiniu ryšiu yra prijungtos sulfo arbakarboksi grupės, turinčios neigiamą krūvį(anijonai –SO 3− arba –COO − ), o teigiamivandenilio arba šarminio metalo jonai sušiomis grupėmis-anijonais susijungę joniniuryšiu:SO 3− H + NH 3+ OH − COO − Na +• Anijonituose prie polimerinių makromolekuliųkovalentiniu ryšiu yra prisijuntos aminogrupės, turinčios teigiamą krūvį (katijonaiNH 3+ ), o neigiami hidroksido OH − jonai sušiomis grupėmis-katijonais susijungę joniniuryšiu:vandenilio→ Na 2 R (k) + MgCl 2(aq)• Leidžiant kietą vandenį per natrio katijonitą• Kai vanduo minkštinamasNa 2 R (k) , vandenyje esantys Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+ jonaipakeičia Na + jonus jonite:katijonitu, jis parūgštėja:MgR (k) + 2NaCl (aq) MgR (k) + 2HCl (aq) → H 2 R (k) + MgCl 2(aq)Na 2 R (k) + Ca 2+ (aq) → CaR (k) + 2Na + (aq)H 2 R (k) + Ca 2+ (aq) → 2H + (aq) + CaR (k)Na 2 R (k) + Mg 2+ (aq) → MgR (k) + 2Na + (aq)H 2 R (k) + Mg 2+ (aq) → 2H + (aq) + MgR (k)Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+ katijonais prisisotinęskatijonitas regeneruojamas nedideliu kiekiusočiojo NaCl t<strong>ir</strong>palo:Ca 2+ <strong>ir</strong> Mg 2+ katijonais prisisotinęs katijonitasregeneruojamas nedideliu kiekiu 5-10 %koncentracijos HCl t<strong>ir</strong>palo:CaR (k) + 2NaCl (aq) → Na 2 R (k) + CaCl 2(aq)CaR (k) + 2HCl (aq) → H 2 R (k) + CaCl 2(aq)


nuosekliaiLeidžiant vandenį per anijonitą, vandenyje esantys rūgščiųliekanų anijonai (Cl – , HCO 3– , SO2–4 ) pakeičia anijonito OH −(hidroksido) anijonus:ROH (k) + Cl – (aq) → RCl (k) + OH − (aq)Dejonizuotas vanduo gaunamaspraleidus vandenį pro:RHCO 3(k) + NaOH (aq) → ROH (k) + NaHCO 3(aq)HR 2 SO 4(k) + 2NaOH (aq) → 2ROH (k) + Na 2 SO (aq) + OH – (aq) → H 2 O (S)4(aq)ROH (k) + HCO– 3 (aq) → RHCO 3(k) + OH − (aq)1) vandenilio katijonitą H 2 R (k)2ROH (k) + SO2– 4 (aq) → R 2 SO 4(k) + 2OH − (aq)<strong>ir</strong>Cl – , HCO 3– , SO2–4 anijonais prisisotinęs anijonitasregeneruojamas nedideliu kiekiu 5-10 % koncentracijos2) hidroksido anijonitą ROH (k)NaOH t<strong>ir</strong>palo:RCl (k) + NaOH (aq) → ROH (k) + NaCl (aq)Vandenyje praktiškai nelieka jokių jonų, nes:Fizikiniai vandens minkštinimo būdaiLabai gryno vandens gamyboje naudojamaselektrodejonizavimas (EDI) arba elektrodializė• Distiliuotas vanduo gaunamasv<strong>ir</strong>inant vandenį, kai v<strong>ir</strong>imo metususidarę vandens garaikondensuojami ant šalto pav<strong>ir</strong>šiaus.• <strong>Vanduo</strong> gali būti minkštinamas (gryninamas)atv<strong>ir</strong>kštinės osmozės (atbulinio osmoso) būdu.Koncentruotast<strong>ir</strong>palasOsmozėhpT<strong>ir</strong>piklisNormalus osmosas Pusiausvyra Atbulinis osmosashttp://www.textoscientificos.com/quimica/osmosis/inversa


Pro membraną praeina tik VANDENSmolekulėsAtv<strong>ir</strong>kštinio osmoso sistema iš vandens išvalo:• chloridų > 97 %;• radioaktyvių elementų >90%;• kalcio <strong>ir</strong> magnio jonų >96%;• naftos produktų >98%;• nitratų <strong>ir</strong> nitritų >83%;• aromatinių angliavandenių >98%;• sunkiųjų metalų jonų >97%;• bakterijų >99%.Magnetinis vandens <strong>minkštinimas</strong>• <strong>Vanduo</strong>, tekėdamas pro magnetus,įgyja minkšto vandens savybių, betjame vis dar išlieka toks pat <strong>kietumas</strong>.Bendras (BK)Jonitais1) Na katijonituCa 2+ + Na 2 R →Mg 2+ + Na 2 R →2) H katijonituCa 2+ + H 2 R →Mg 2+ + H 2 R →<strong>Vandens</strong> minkštinimo būdųapibendrinimasKarbonatinis (KK)Laikinasis (LK)1) termiškai – v<strong>ir</strong>inatt⎯⎯→oCa(HCO 3) 2tMg(HCO 3) 2 ⎯⎯→o2) cheminiu būdu su “kalkiųpienu”Nekarbonatinis (NK)Pastovusis (PK)1) cheminiu būdu su sodaCaCl 2+ Na 2CO 3→MgSO 4+ Na 2CO 3→2) cheminiu būdu sunatrio fosfatuCa 2+ + Na 3PO 4→Mg 2+ + Na 3PO 4→http://www.magnet-tool.com/magnetic_water_conditioner.htmlT.p. reikia žinotiapdorojimo suanijonitais bei jonitųregeneravimo reakcijųlygtis.Ca(HCO 3) 2+ Ca(OH) 2→Mg(HCO 3) 2+ Ca(OH) 2→<strong>Vandens</strong> paruošimas <strong>ir</strong> nuotėkųvalymasGamtinio vandens valymasĮ vandentiekį tiekiamo vandens valymas:1) kietų <strong>ir</strong> koloidinių priemaišų atskyrimas,2) išt<strong>ir</strong>pusių druskų <strong>ir</strong> dujų šalinimas,3) vandens dezinfekavimas.1. Kietų <strong>ir</strong> koloidinių priemaišų atskyrimas:• Stambios pakibusios dalelės pašalinamos, laikant vandenįnusistovėjimo rezervuaruose.• Smulkios dalelės pašalinamos, filtruojant per smėlio, žvyro arbakokso sluoksnį.• Tepalų, organinių medžiagų dalelės pašalinamos koaguliacijosbūdu, naudojant koaguliantus: aliuminio sulfatą Al 2 (SO 4 ) 3 (kartaisgeležies(II) sulfatą FeSO 4·7H 2 O), bazinį aliuminio chloridą arbapolialiuminio hidroksidą-chloridą, kurio sudėtį geriausiai atitinkaformulė Al m (OH) n Cl 3m–n


2. Išt<strong>ir</strong>pusių dujų šalinimasIš išt<strong>ir</strong>pusių vandenyje dujų kenksmingiausias yradeguonis, nes jis spartina metalų koroziją.Dujos iš vandens pašalinamos terminiu <strong>ir</strong> cheminiu būdu.P<strong>ir</strong>muoju būdu dujos šalinamos aparatuose, kuriuosekarštas vanduo plonu sluoksniu teka sienelėmis. Dargeresnių rezultatų gaunama vakuuminiuoseaparatuose.Cheminiu būdu deguonis pašalinamas, leidžiant vandenįpro geležies drožlių filtrą. Išt<strong>ir</strong>pęs deguonis reaguoja sugeležimi, o susidariusios purios Fe(OH) 3 nuosėdos liekaant filtro:3. <strong>Vandens</strong> dezinfekavimasVandeniui dezinfekuoti vartojamai:• Chloras <strong>ir</strong> jo junginiai (Cl 2 , NaOCl,Ca(Cl)OCl),• Ozonas (O 3 ),• Sidabro jonai (Ag + ),• Ultravioletiniai spinduliai (UV),4Fe (k) + 3O 2(d) + 6H 2 O (s) → 4Fe(OH) 3(k)•Chloras naudojamas grynas arba jo junginiai:Cl 2(d)+ H 2O (s)→ HCl (aq)+ HClO (aq)2Ca(Cl)OCl (aq)+ 2H 2O (s)→ CaCl 2(aq)+ Ca(OH) 2(aq)+ 2HClO (aq)chlorkalkėsHipochlorito rūgštis HClO yra silpna <strong>ir</strong> nepatvar<strong>ir</strong>ūgštis, kuri skyla:HClO (aq)→ HCl (s)+ O (d)Atominis deguonis yra labai stiprus opksidatorius: ardobakterijų ląsteles, stabdo organinių medžiagųfermentaciją, oksiduoja vandenyje esančias kitasorganines medžiagas.Nutekamieji vandenys <strong>ir</strong> jų valymas• Nutekamieji vandenys - tai buityje, pramonėje, transporte <strong>ir</strong> kiturnaudotas vanduo. Nutekamųjų vandenų užterštumas įva<strong>ir</strong>iuoserajonuose sk<strong>ir</strong>tingu paros laiku nevienodas.• Ūkiniai <strong>ir</strong> buitiniai vandenys būna užteršti organinėmis,mineralinėmis <strong>ir</strong> bakteriologinėmis priemaišomis. Vyrauja NH + 4 ,NO - 2 , NO - 3 , S 2- , PO 3− 4 jonai, kurie sudaro sąlygas kenksmingųmikroorganizmų veiklai.• Pramonės įmonių gamybiniai vandenys būna užteršti žaliavųbei perd<strong>ir</strong>bimo produktų atliekomis. Labiausiai užteršti chemijospramonės <strong>ir</strong> galvaninių cechų nutekamieji vandenys. Visigamybiniai vandenys, prieš išleidžiant juos į miesto kanalizaciją,turi būti išvalomi p<strong>ir</strong>minio valymo įrenginiais. Taikomi fizikiniai <strong>ir</strong>cheminiai bei biologiniai metodai.Nutekamieji vandenys <strong>ir</strong> jų valymasNutekamųjų vandenų turi būti neutralūs (pH≈7).• Rūgštūs vandenys filtruojami pro dolomito filtrus arbaneutralizavimui į juos dedamas apskaičiuotas kiekis gesintųkalkių (kalcio hidroksido) Ca(OH) 2 , kaustinės sodos (natriohidroksido NaOH) arba kalcinuotosios sodos (natrio karbonatoNa 2 CO 3 ).• Šarminiai vandenys neutralizuojami naudojant technišką sierosrūgštį H 2 SO 4 arba druskos rūgštį HCl. Taikoma <strong>ir</strong> abipusėneutralizacija, maišant rūgščius <strong>ir</strong> šarminius vandenis.• Apvalyti iki leidžiamos užterštumo normos vandenysnuteka į miesto kanalizaciją.• Miestų nutekamieji vandenys papildomai valomimechaniniais <strong>ir</strong> biologiniais metodais.Nuotekų valymo sistema individualiam namui


Miesto nutekamųjų vandenų valymashttp://www.kaunovandenys.lt/lt/gyventojams/jusu_vanduo/nuoteku_valymas/

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!