Химические и электрохимические методы очистки воды

Пример 1. Определите массы реагентов, требуемых для полного умягчения воды, если природная вода имеет следующие показатели жесткости (моль-экв/л): Ж_к = 3,3; Ж_нк = 2,2. Объем воды V = 5 л. Солевой состав воды Cа(HCO₃)₂ и MgCl₂.

Решение. Умягчение воды методом осаждения – это обработка воды химическими реагентами: солью и известью. В результате образуются труднорастворимые вещества CaCO₃ и Mg(OH)₂, выделяемые из воды фильтрованием.

При добавлении в воду извести Са(ОН)₂ снижается карбонатная жесткость воды

Cа(HCO₃)₂ + Са(ОН)₂ → 2CaCO_3(к) + 2Н₂О.

При добавлении в воду соды Na₂CO₃ снижается некарбонатная жесткость воды

Na₂CO₃ → 2Na⁺ + CO₃²⁻,

CO₃²⁻ + H₂O ↔ HCO₃⁻ + OH⁻,

Mg²⁺ + 2OH^- → Mg(OH)₂(к).

Массу используемых реагентов можно определить по закону эквивалентов:

m(Cа(ОН)₂) = Ж_к · 10^–3 · V · M_э(Са(ОН)₂),

m(Na₂CO₃) = Ж_нк · 10^–3 · V · M_э(Na₂CO₃).

Молярные массы эквивалентов реагентов

М_э,Ca(OH)2 = 37 г/моль; М_э,Na2CO3 = 53 г/моль.

Определим массы реагентов для умягчения воды

m_Ca(OH)2 = 3,3 · 10⁻³ · 5 · 37 = 0,611 г = 611 мг,

m_Na2CO3 = 2,2 · 10⁻³ · 5 · 53 = 0,583 г = 583 мг.

Пример 2. Общая жесткость воды Ж_о = 5,5 ммоль экв/л, карбонатная жесткость Ж_к = = 3,3 ммоль экв/л. Объем воды V= 5л. Определите массу осадка, выпавшего при термическом умягчении воды.

Решение. При термическом умягчении воды происходит снижение карбонатной жесткости в соответствии с реакцией

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃(к) + CO₂ + H₂O

Массу образовавшегося карбоната кальция CaCO₃ можно определить по закону эквивалентов:

m(СaCO₃)= Ж_к · 10^-3V М_э,CaCO3.

Молярная масса CaCO₃ М_CaCO3 = 100 г/моль.

Молярная масса эквивалента CaCO₃  М_э,CaCO3 = 50 г/моль, тогда

m_СaCO3 = 3,3 · 10^-3 · 5 · 50 = 0,825 г.

Определим, сколько карбоната кальция растворится в 5 л воды. Согласно табличным данным, произведение растворимости ПР_СaCO3 = 4,8 · 10^-9. Предельная растворимость в воде карбоната кальция:

предельная масса растворенного в 5 л воды карбоната кальция:

m_р,СaCO3 = c_рM_СaCO3 V = 6,9 · 10^-5 · 100 · 5 = 0,035 г.

Таким образом, в осадок при термическом умягчении воды выпадет

Δm_СaCO3 = m_СaCO3 – m_р,СaCO3 = 0,825 – 0,035 = 0,79 г.

Остаточная жесткость воды после ее термического умягчения будет практически равна некарбонатной жесткости 2,2 ммоль экв/л.

Пример 3. Для восстановления кислорода в воду вводят восстановители (Na₂SO₃ и/или N₂H₄). Пусть 20 м³ природной воды содержат 14 мг/л кислорода (О₂). Для частичного восстановления кислорода в воду ввели 63 мг/л сульфита натрия Na₂SO₃. Определите, сколько кислорода осталось в воде и сколько гидразина N₂H₄нужно ввести в воду для полного ее обескислороживания.

Решение. Молярные массы реагентов: Мэ(О₂) = 32 г/моль, Мэ(Na₂SO₃) = 126 г/моль, Мэ(Na₂SO₃) = 32 г/моль.

Реакция обескислороживания воды с помощью сульфита натрия протекает по уравнению:

2Na₂SO₃ + О₂ → 2Na₂SO₄.  

Из уравнения реакции следует, что 2 моль Na₂SO₃ взаимодействуют с 1 моль О₂. Исходя из этого, можно составить пропорцию и определить изменение концентрации кислорода ρ(О₂), прореагировавшего с заданной массой сульфита натрия:

Остаточное количество растворенного кислорода после частичного обескислороживания воды:

Реакция обескислороживания воды с помощью гидразина протекает по уравнению:

N₂H₄ + О₂ → 2N₂ + 2Н₂О.

Из уравнения химической реакции видно, что 1 моль гидразина взаимодействует с 1 моль кислорода. Составим пропорцию и определим концентрацию гидразина ρ(N₂H₄), необходимого для связывания остаточного кислорода

В расчете на заданный объем воды 20 м³ количество требуемого гидразина составит:

m(N₂H₄) = 6∙10⁻³∙20∙10³ = 120 г.

Контрольные задания

7-1. Химические способы умягчения воды. Запишите соответствующие уравнения реакций.

7-2. Термические способы умягчения воды. Запишите соответствующие уравнения реакций.

7-3. Классификация воды по жесткости. Какие значения концентраций солей жесткости по этой классификации предлагаются?

7-4. Безреагентные способы умягчения воды. Запишите уравнения реакций, на которых основаны эти методы.

7-5. Запишите уравнения процессов при пропускании воды через ионообменную систему. К какому типу химических реакций относятся происходящие реакции?

7-6. Какие вещества называют ионитами? Почему их так называют? Как их классифицируют? Какое применение иониты нашли в технологии воды?

7-7. В технологии воды иониты используются в виде ионообменных колонок, подготовка которых в рабочее состояние проводится по определенной методике. Какие подготовленные ионообменные колонки необходимо подобрать, чтобы проба воды, пропущенная через них, имела на выходе нейтральную среду? Опишите и выразите уравнениями происходящие процессы. Какая реакция отвечает за характер среды у воды в конце технологического процесса?

7-8. В технологии воды иониты используются в виде ионообменных колонок, подготовка которых в рабочее состояние проводится по определенной методике. Какие подготовленные ионообменные колонки необходимо подобрать, чтобы проба воды, пропущенная через них, имела на выходе щелочную среду? Опишите и выразите уравнениями происходящие процессы. Какая реакция отвечает за характер среды у воды в конце технологического процесса?

7-9. Воду, пропущенную через систему Н-катионитов и ОН-анионитов, называют «деминерализованной». Что это означает? Относят ли такую воду к полностью очищенной?

 7-10. Проанализируйте методики очистки воды дистилляцией и ионным обменом. Сделайте вывод об ожидаемой степени очищенности воды.

 7-11. Явление осмоса. Какую роль выполняют при этом полупроницаемые мембраны? Почему они так называются?

 7-12. Механизмы перехода воды через полупроницаемые мембраны. Какие гипотезы известны?

 7-13. Виды баромембранных методов и характеристики используемых мембран.

 7-14. Какие современные методы очистки воды, использующие мембранные технологии, известны? Почему им дано название «баромембранные методы»?

 7-15. Опишите явления «осмос» и «обратный осмос». Почему технология обратного осмоса активно используется для деминерализации воды?

 7-16. Ионообменные мембраны как основной элемент электромембранных технологий. Особенности строения, обеспечивающие высокую электропроводность и селективность мембран.

 7-17. Возможности методов электрофлотации и электрофореза по удалению коллоидных примесей из воды.

 7-18. Опишите процесс электродиализа с катионообменной мембраной водного раствора хлорида натрия. Суммарная реакция имеет вид:

Объясните, как должен быть устроен аппарат?

7-19.  Как, используя электродиализ с биполярной мембраной, осуществить получение нитрата калия по реакции:

NaNO₃ + KCl → NaCl + KNO₃ ?

 7-20. Опишите процессы, происходящие под действием постоянного электрического тока в водном растворе сульфата натрия:

а) без мембраны (процесс электролиза);

б) с биполярной мембраной (процесс электродиализа).

7-21. Какую массу и каких реагентов нужно затратить на умягчение 30 л воды, имеющей средние величины жесткости: Ж_к = 4 ммоль экв/л, Ж_о = 5 ммоль экв/л. Составьте уравнения процессов умягчения воды.

7-22. Какую массу и каких реагентов нужно затратить на умягчение 7 л воды, имеющей средние величины жесткости: Ж_к = 1,6 ммоль экв/л, Ж_о = 2,75 ммоль экв/л. Составьте уравнения процессов умягчения воды.

7-23. На умягчение 10 л воды израсходовано Са(ОН)₂ массой 3,7 г и Na₂СО₃ массой 1,06 г. Рассчитайте общую жесткость Ж_о исходной воды. Составьте уравнения процессов умягчения воды.

7-24. На умягчение 150 л воды израсходовано Са(ОН)₂ массой 5,57 г и Na₂СО₃ массой 26,6 г. Рассчитайте общую жесткость Ж_о исходной воды. Составьте уравнения процессов умягчения воды.

7-25. При термическом умягчении 10 л воды образовался осадок массой 2 г. Определите остаточную Ж_нк, если исходная общая жесткость воды Ж_о составляла 6,5 ммоль экв/л. Составьте уравнение процесса умягчения воды.

7-26. При термическом умягчении 20 л воды образовался осадок массой 2 г. Определите остаточную Ж_нк, если исходная общая жесткость воды Ж_о составляла 5 ммоль экв/л. Составьте уравнение процесса умягчения воды.

7-27. Рассчитайте массу гидразина N₂H₄, которую нужно ввести для обескислороживания 1 м³ воды, содержащей 64 мг/л кислорода, если в воду предварительно было введено 126 мг/л сульфита натрия Na₂SO₃. Составьте уравнения процессов.

7-28. Рассчитайте массу гидразина N₂H₄, которую нужно ввести для обескислороживания 20 м³, содержащей 32 мг/л кислорода, если в воду предварительно было введено 63 мг/л сульфита натрия Na₂SO₃. Составьте уравнения процессов.

7-29. Определите, сколько литров 2 М раствора сульфита натрия Na₂SO₃ необходимо израсходовать для восстановления кислорода, растворенного в 50 м³ питательной воды, содержащей 3,2 мг/л О₂.

7-30. Определите, сколько литров 1 М раствора сульфита натрия Na₂SO₃ необходимо израсходовать для восстановления кислорода, растворенного в 500 м³ питательной воды, содержащей 0,4 мг/л О₂.

7-31. Определите, сколько литров 1,5 М раствора гидразина N₂H₄ необходимо израсходовать для восстановления кислорода, растворенного в 50 м³ питательной воды, содержащей 3,2 мг/л О₂.

7-32. Определите, сколько литров 1 М раствора гидразина N₂H₄ необходимо израсходовать для восстановления кислорода, растворенного в 325 м³ питательной воды, содержащей 0,64 мг/л О₂.