Химия · Растворы и электролиты · 7 класс

Очистка и умягчение воды

Как мутная вода из канала становится чистой в кране, а в чайнике остаётся накипь?

Ситуация

Основная часть воды, текущей в Ташкенте из крана, раньше была мутной водой канала Бозсу. На водопроводной станции «Кадирия» в Кибрайском районе её отстаивают с коагулянтом, фильтруют и хлорируют. А дома на дне чайника собирается белая накипь, и в колодезной воде мыло плохо пенится. Как мутная вода становится питьевой и как можно умягчить «жёсткую» воду?

Тема

Очистка воды и умягчение жёсткости. Ташкентская станция очистки воды и накипь в чайнике: отстаивание, коагуляция, фильтрование, хлорирование, умягчение

Ключевые понятия

Коагуляция и фильтрование
Хлорирование
Жёсткость воды

Формулы

Al^{3 +} + 3 HCO_{3}^{-} \overset{}{\to} Al (OH)_{3} ↓ + 3 CO_{2} ↑

Коагуляция: сульфат алюминия ( $Al_{2} (SO_{4})_{3}$ ) с гидрокарбонатами воды образует рыхлые хлопья Al(OH)₃ — они склеивают частицы глины и оседают.

Cl_{2} + H_{2} O \overset{}{⇌} HCl + HClO

Хлорирование: хлорноватистая кислота HClO убивает микробы; «остаточный хлор» в воде защищает и в трубах.

Ca (HCO_{3})_{2} \overset{\overset{}{t}}{\to} CaCO_{3} ↓ + CO_{2} ↑ + H_{2} O

Временная (карбонатная) жёсткость исчезает при кипячении — накипь в чайнике — это CaCO₃.

CaSO_{4} + Na_{2} CO_{3} \overset{}{\to} CaCO_{3} ↓ + Na_{2} SO_{4}

Постоянная жёсткость устраняется содой; ионообменная смола (катионит) отдаёт $Na^{+}$ вместо $Ca^{2 +}$ : $2 R - Na + Ca^{2 +} \overset{}{\to} R_{2} Ca + 2 Na^{+}$ .

Жёсткость = \frac{c_{N} V_{титранта}}{V_{пробы}} \cdot 1000 ммоль-экв/л

Результат титрования: $c_{N}$ — нормальная концентрация титранта (Трилон Б 0,025 M = 0,05 н; HCl 0,05 M = 0,05 н).

Теория

Как загрязняется вода

В природной воде всегда что-то есть: частицы глины и песка (мутность измеряют в единицах NTU), остатки растений, растворённые соли и микроорганизмы. К этому добавляет своё человек: бытовые стоки — кишечные бактерии (E. coli — признак фекального загрязнения), промышленные стоки — тяжёлые металлы и нефтепродукты, с полей — удобрения (нитраты) и пестициды. Если пить такую воду, есть риск кишечных заболеваний и отравления. Остановить загрязнитель у самого источника — самый дешёвый и надёжный путь: обычные очистные сооружения не могут удержать растворённые тяжёлые металлы.

Как очищают питьевую воду

1) Решётка задерживает крупный мусор. 2) Коагуляция: в воду добавляют сульфат алюминия ( $Al_{2} (SO_{4})_{3}$ ), он гидролизуется и образует рыхлые хлопья $Al (OH)_{3}$ ; хлопья захватывают мелкие частицы глины и бактерии. 3) В отстойнике они оседают. 4) Песчаный фильтр задерживает оставшиеся мелкие частицы. 5) Обеззараживание: хлор ( $Cl_{2}$ или NaClO) или озон ( $O_{3}$ ). Озон силён, но быстро разлагается в воде — поэтому для защиты труб всё равно добавляют немного хлора. Рекомендации ВОЗ: мутность в идеале менее 1 NTU; в 100 мл воды E. coli не должно быть; после 30 минут контакта свободного хлора ≥ 0,5 мг/л, у потребителя ≥ 0,2 мг/л. По нормам СНГ остаточный свободный хлор 0,3–0,5 мг/л. В Ташкенте это делает станция «Кадирия» в Кибрае (с 1969 года).

Жёсткость воды

Жёсткость — количество ионов кальция и магния в воде. В Узбекистане и СНГ её измеряют в ммоль-экв/л: 1 ммоль-экв/л = 20,04 мг/л Ca²⁺ = 12,15 мг/л Mg²⁺ ≈ 50 мг/л CaCO₃. Временную (карбонатную) жёсткость дают гидрокарбонаты — $Ca (HCO_{3})_{2}$ , $Mg (HCO_{3})_{2}$ , постоянную — сульфаты и хлориды — $CaSO_{4}$ , $MgCl_{2}$ . Их сумма — общая жёсткость. Шкала Геологической службы США (USGS): до 60 мг/л CaCO₃ — мягкая, 61–120 — умеренно жёсткая, 121–180 — жёсткая, больше — очень жёсткая. По нормам СНГ для питьевой воды — до 7 ммоль-экв/л. Жёсткая вода образует в чайниках и котлах накипь (теплопередача ухудшается, котёл перегревается) и расходует мыло впустую: $2 C_{17} H_{35} COONa + Ca^{2 +} \overset{}{\to} (C_{17} H_{35} COO)_{2} Ca ↓ + 2 Na^{+}$ — мыло не пенится, а оседает белыми хлопьями.

Способы умягчения воды

Кипячение устраняет временную жёсткость: $Ca (HCO_{3})_{2} \overset{}{\to} CaCO_{3} ↓ + CO_{2} ↑ + H_{2} O$ (CaCO₃ немного растворим — остаётся примерно 0,3 ммоль-экв/л). Известь действует так же: $Ca (HCO_{3})_{2} + Ca (OH)_{2} \overset{}{\to} 2 CaCO_{3} ↓ + 2 H_{2} O$ . Сода ( $Na_{2} CO_{3}$ ) устраняет оба вида: $CaSO_{4} + Na_{2} CO_{3} \overset{}{\to} CaCO_{3} ↓ + Na_{2} SO_{4}$ ; нужная масса: $m = \frac{1}{2} жёсткость \cdot V \cdot M (Na_{2} CO_{3})$ , то есть на 1 л воды по 53 мг соды на каждый ммоль-экв. Ионный обмен: катионит (сульфированная полистирольная смола) забирает $Ca^{2 +}$ и $Mg^{2 +}$ и отдаёт вместо них $Na^{+}$ ; когда смола насыщена, её регенерируют раствором поваренной соли: $R_{2} Ca + 2 NaCl \overset{}{\to} 2 R - Na + CaCl_{2}$ . Бытовые кувшины-фильтры работают по тому же принципу.

Вуз: цех водоподготовки

Общую жёсткость определяют комплексонометрическим титрованием: к 100 мл пробы добавляют аммиачный буфер (pH 10) и эриохром чёрный Т — его комплекс с $Mg^{2 +}$ винно-красный. Трилон Б ( $Na_{2} H_{2} Y$ ) связывает металлы в прочный комплекс: $Me^{2 +} + H_{2} Y^{2 -} \overset{}{\to} MeY^{2 -} + 2 H^{+}$ ; когда связан последний ион металла, индикатор освобождается и цвет переходит в синий. Карбонатную жёсткость определяют по HCl с метилоранжем: $HCO_{3}^{-} + H^{+} \overset{}{\to} CO_{2} + H_{2} O$ , от жёлтого к оранжевому. В известково-содовом методе дозы (на 1 л, упрощённо): известь ≈ 37 мг × карбонатная жёсткость, сода ≈ 53 мг × постоянная жёсткость. Обменная ёмкость — ммоль-экв, поглощаемые 1 мл смолы: $E = \sum (H_{вх} - H_{вых}) Δ V / V_{смолы}$ ; для сильнокислотных катионитов полная ёмкость обычно ≈ 1,8–2 ммоль-экв/мл. Если последовательно работают H-катионит и анионит, вода обессоливается. Обратный осмос: солёную воду пропускают через полупроницаемую мембрану под давлением, большим осмотического (для морской воды ≈ 2,7 МПа); при электродиализе ток вытягивает ионы через ионоселективные мембраны. Промышленные стоки очищают механическим, химическим (нейтрализация, осаждение тяжёлых металлов в виде гидроксидов) и биологическим (активный ил в аэротенках) способами.

Охрана гидросферы, безопасность и модель

Аральская катастрофа: в 1960 году Арал был озером площадью ≈ 68 000 км² с солёностью ≈ 10 г/л. После того как воду Амударьи и Сырдарьи стали массово забирать на орошение, оно высохло и разделилось на несколько частей; солёность южного (Большого) Арала в 2000-е годы превысила 100 г/л, с высохшего дна ветер поднимает соль и пыль. Поэтому необходимо экономить воду, очищать стоки (в Ташкенте стоки очищают механическим и биологическим способом на станциях аэрации) и защищать источники. Техника безопасности: хлор — ядовитый газ, со щёлочами и кислотами работайте в очках и перчатках; аммиачный буфер открывайте в вытяжном шкафу; воду не пробуйте на вкус. Модель: показатели станции — упрощённые типовые кривые (качество источников приближённое); состав образцов типовой; растворы идеальные, 25 °C; при титровании Трилоном Б принята одна условная константа устойчивости ( $10^{8,7}$ ); в колонке поток ускорен.

Знаете ли вы?

Вода, которую пьёт основная часть жителей Ташкента, очищается на станции «Кадирия» в Кибрайском районе: она запущена в 1969 году, вода канала Бозсу отстаивается с жидким коагулянтом, проходит через 48 фильтров и хлорируется.
Аральское море в 1960 году было озером площадью около 68 000 км² и солёностью около 10 г/л; после того как воду рек стали забирать на орошение, солёность его южной части в 2000-е годы превысила 100 г/л — почти втрое солонее океанской воды.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кислоты и металлы — 7 класс
Кислоты, основания и индикаторы — 7 класс
Электролитическая диссоциация — 9 класс
Гидролиз солей и среда — 9 класс
Растворы и растворимость — 11 класс
Концентрация раствора — 11 класс
Закон Рауля, перегонка и осмос — 1 курс