123108 (Жёсткость воды, её значение и методы её устранения)

Федеральное агентство по образованию

Министерство образования Российской Федерации

Филиал Санкт-Петербургского государственного

инженерно-экономического университета

в г. Пскове

Кафедра математических и естественных наук

Курсовая работа

Дисциплина:

Теоретические основы прогрессивных технологий

Тема:

Жёсткость воды, её значение и методы её устранения

Псков

2007

Аннотация

Тема нашей курсовой работы затрагивает жёсткость воды, значение и методы её устранения. Мы рассмотрели особенности воды, её химические и физические свойства, дали определение жёсткости воды, описали все найденные способы устранения жёсткости, значение и последствия после её использования.

Таким образом, проведя маленькое исследование в рамках написания курсовой работы, можно понять, что жёсткая вода неблагоприятно воздействует не только на техническое и промышленное оборудование, но и на такие вещи как ткань, посуда, а также и на кожу человека и продукты питания.

Жёсткость воды – это наиболее распространённая проблема качества воды. В настоящее время для борьбы с жёсткой водой существуют и более современные способы, чем кипячение воды или вымораживание, например, установка фильтров-умягчителей. Они смягчают воду и в результате, она обладает лучшими вкусовыми качествами и более благоприятно воздействует на кожу человека.

Введение

В настоящее время всё большую актуальность приобретает проблема очистки, или правильнее сказать подготовки воды. Причём не только воды для питья и приготовления пищи, но и той, которая используется в быту - для стирки, мытья посуды и т.д. Существует проблема, общая как для загородных домов с автономной системой водоснабжения, так и для городских квартир. Имя этой проблемы - жёсткость воды. И если на качество питьевой воды жёсткость хоть и влияет, но не столь сильно, то для современной бытовой техники, автономных систем горячего водоснабжения и отопления, новейших образцов сантехники необходимость борьбы с жесткостью крайне актуальна.

Глава 1

1.1 Вода. Особенности тепловых свойств воды

Вода – одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца ещё не понята. Внешне вода кажется достаточно простой, в связи с чем долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определённой пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen – от греч. hydro genes), которое можно истолковать как «порождающий воду».

Дальнейшее исследование показали, что за незатейливой химической формулой Н₂О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами.

Первая особенность воды: вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоёмкости от температуры имеет минимум.

Из-за того, что удельная теплоёмкость воды имеет минимум около 37ºС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38ºС.

Вторая особенность воды: теплоёмкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определённое её количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, - по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло.

Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, т.е. воду очень трудно заморозить, а лёд – растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.

Имеются особенности и в поведении объёма воды. Плотность большинства веществ – жидкостей, кристаллов и газов – при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4ºС (точнее, до 3,98ºС) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4ºС, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4ºС (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0ºС.

Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности более чем на 8% тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лёд (твёрдая вода) занимает больший объём, чем жидкая вода, и держится на её поверхности.

1.2 Физические свойства воды

Несмотря на свой, казалось бы, предельно простой химический состав, вода - одно из самых загадочных веществ на Земле. Достаточно упомянуть, что это единственное химическое вещество, которое существует в условиях нашей планеты одновременно в трёх агрегатных состояниях - газообразном, жидком и твердом.

Физические свойства воды своеобразны. Не совсем обычна зависимость вязкости жидкой воды от давления: в области сравнительно низких давлений при температурах до 30ºС вязкость с ростом давления уменьшается. Вода – полярная, и жидкая вода, и лёд являются диэлектриками. Вода диамагнитна. Свойства воды зависят от её изотопного состава. Так, давление пара D₂O при 20ºС на 13% ниже, чем пара Н₂O.

Высокая диэлектрическая проницаемость, большой дипольный момент молекулы, обеспечивающие хорошую растворимость в воде многих веществ, широкий температурный интервал существования жидкого состояния наряду с распространённостью воды обуславливают её широкое применение для многих технологических процессов.

1.3 Химические свойства воды

Вода – простейшее устойчивое химическое соединение водорода и кислорода (окись водорода - Н₂O), одно из самых распространённых соединений в природе, играющее исключительно важную роль в процессах, происходящих на Земле.

Известно 3 изотопа водорода (¹Н – протий; ²Н, или Д, - дейтерий; ³Н, или Т, - тритий) и 6 изотопов кислорода (¹⁴О, ¹⁵О, ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О, ¹⁹О), так что существует большое количество изотопных разновидностей молекул воды. Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с ядрами О и Н в вершинах.

Химически чистая вода состоит почти исключительно из молекул Н₂O. Незначительная доля молекул (при 25ºС – примерно одна на 5·10⁹) диссоциирует по схеме Н₂O ↔ Н⁺ + ОН^-. Протон Н⁺ в водной среде существовать в свободном состоянии не может и, взаимодействуя с молекулами воды, образует комплексы Н₅ О₂⁺. Хотя степень диссоциации в воде ничтожна, она играет большую роль в химических процессах, происходящих в различных системах, в том числе и биологических. В частности, она является причиной гидролиза солей слабых кислот и оснований и некоторых других реакций, протекающих в воде.

Вода взаимодействует со многими элементами и веществами. Так, при реакции воды с наиболее активными металлами выделяется водород и образуется соответствующая гидроокись. При реакции со многими окислами образуются кислоты или основания. Вода гидролизует гидриды и карбиды щелочных и щелочноземельных металлов и другие вещества.

Глава 2. Жёсткость воды и методы её устранения

2.1 Определение жёсткости воды

Природная вода обязательно содержит растворённые соли и газы (кислород, азот и др.). Присутствие в воде ионов Mg²⁺ и Са²⁺ и некоторых других, способных образовывать твёрдые осадки при взаимодействии с анионами жизненных органических кислот, входящих в состав различных мыл (например, со стеарат-ионом С₁₇Н₃₅СОО^2-), обуславливает так называемую жёсткость воды.

Во всех просмотренных нами научных источниках, понятие жёсткости воды обычно связано с катионами кальция (Са²⁺) и в меньшей степени магния (Mg²⁺). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жёсткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жёсткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na⁺) таким свойством не обладают.

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жёсткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются:

На практике стронций, железо и марганец оказывают на жёсткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al³⁺) и трёхвалентное железо (Fe³⁺) также влияют на жёсткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, "вклад" в жёсткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва²⁺).

Чем выше концентрация указанных двухзарядовых катионов Mg²⁺ и Са²⁺ в воде, тем вода жёстче. Наличие в воде этих катионов приводит к тому, что при использовании, например при стирке, обычного мыла (но не синтетического моющего средства) часть его расходуется на образование с этими катионами нерастворимых в воде соединений так называемых жирных кислот (мыло представляет собой смесь натриевых и калиевых солей этих кислот):

2С₁₇ Н₃₅ СОО^- + Са²⁺ = (С₁₇Н ₃₅СОО)₂Са↓

2С₁₇Н ₃₅ СОО^- + Мg²⁺ = (С₁₇Н ₃₅СОО)₂Mg↓

и пена образуется лишь после полного осаждения ионов.

Мыла – это натриевые (иногда калиевые) соли органических кислот, и их состав можно условно выразить формулой NaR или KR, где R – кислотный остаток. Анионы R образуют с катионами кальция и магния нерастворимые соли CaR₂ и MgR₂ . На образование этих нерастворимых солей и расходуется бесполезно мыло. Таким образом, при помощи мыльного раствора мы можем оценить общую жёсткость воды, общее содержание в ней ионов кальция и магния.

Ионы кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺), а также других щёлочноземельных металлов, обуславливающих жёсткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворённого диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий. В маломинерализованных водах больше всего ионов кальция. С увеличением степени минерализации содержание ионов кальция быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния в минерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в солёных водах нескольких десятков граммов. 

В целом, жёсткость поверхностных вод, как правило, меньше жёсткости вод подземных. Жёсткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой.

Жёсткость - это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение.

Для тушения пожаров, полива огорода, уборки улиц и тротуаров жёсткость воды не имеет принципиального значения. Но в ряде случаев жёсткость воды может создать проблемы. При принятии ванны, мытье посуды, стирке, мытье машины жёсткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая. Это обуславливается некоторыми фактами:

• При использовании мягкой воды расходуется в 2 раза меньше моющих средств;

• Жёсткая вода, взаимодействуя с мылом, образует “мыльные шлаки”, которые не смываются водой и оставляют малосимпатичные разводы на посуде и поверхности сантехники;

• Во многих промышленных процессах соли жёсткости могут вступить в химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты.

Жёсткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях, чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Накипь является причиной 90% отказов водонагревательного оборудования. Поэтому к воде, подвергаемой нагреву в котлах, бойлерах и т.п. предъявляются на порядок более высокие требования по жесткости. Тонкий слой накипи на греющей поверхности вовсе не безобиден, так как продолжительность нагревания через слой накипи, обладающей малой теплопроводностью, постепенно возрастает, дно прогорает все быстрее и быстрее – ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться так, что дно сосуда не выдержит и начнёт протекать. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы.