Воду, используемую в химических целях, очищают дистилляцией. Для хранения и транспортировки дистиллированной воды часто применяют сосуды и трубы из чистого олова. Стеклянные сосуды не пригодны, так как щелочные компоненты стекла медленно растворяются в воде. Для получения очень чистой воды пользуются перегонным аппаратом и сосудами, изготовленными из плавленого кварца.
Загрязнение, от которого труднее всего уберечь дистиллированную воду, — это двуокись углерода, присутствующая в воздухе и легко растворяющаяся в воде.
Удаление из воды загрязняющих ее ионов
Эффективно и без больших затрат воду можно очистить от загрязняющих ионов, применив весьма интересный процесс, основанный на использовании гигантских молекул — молекулярных структур, настолько крупных, что они образуют видимые частицы. Примером таких гигантских молекул может служить кристалл алмаза (гл. 7). Некоторые комплексные неорганические кристаллы, например минералы, называемые цеолитами, имеют такой же характер. Их применяют для «умягчения» жесткой воды — для удаления из нее ионов тяжелых металлов. Такой способ называется ионообменным методом.
Как положительные, так и отрицательные ионы можно удалить изводы, применив метод, основанный на использовании двух емкостей с двумя разными веществами. Первая емкость А содержит зерна органических смол, состоящие из гигантских молекул, образующих пористую структурированную решетку, с которой связаны кислотные группы. Этими группами могут быть сульфогруппы SО3Н*
Реакции, протекающие при прохождении раствора, содержащего соли через емкость A, можно записать следующим образом:
RSO3Н(к.) + Na+ → (RSO3-)Nа+(к.) + Н+
2RSO3Н(к.) + Са2+ → (RSO3-)2Са2+ (к.) + 2Н+
Иными словами, ионы натрия и кальция удаляются из раствора и связываются кислотным каркасом, а ионы водорода переходят в раствор. Раствор при этом из солевого (содержащего ионы Nа+, Сl- и т. д.) переходит в кислотный (содержащий ионы Н+, Сl- и т. д.).
Затем кислотный раствор проходит через емкость Б, в которой находятся зерна с гигантскими молекулами органических смол, связывающими основные группы. Подобные группы могут быть, например замещенными аммонийными основаниями (RNH3)+(ОН)-:
Содержащийся в этих группах ион гидроксила с ионом водорода кислотного раствора и образует воду
ОН- + Н+ → Н2O
Отрицательные ионы остаются в смоле благодаря тому, что их удерживают находящиеся в ее решетке положительные ионы аммония. При этом протекают следующие реакции:
(RNH3+)(OH-)(к.) + Cl- + H+ → (RNH3+)Cl-(к.) + H2O
2(RNH3+)(OH-)(к.) + SO42- + 2Н+ → (RNH3+)2(SO42-) (к.) + 2Н2О
Вода, выходящая из емкости Б, практически не содержит ионов, и ее можно применять в лабораторной практике и в промышленных процессах вместо дистиллированной воды.
По окончании процесса гигантские молекулы емкости А можно регенерировать, пропуская через нее разбавленную серную кислоту
2(RSO3-)Na+(к.) + H2SO4 → 2RSO3H (к.) + 2Na+ + SO42-
Регенерировать гигантские молекулы в емкости Б можно при помощи раствора гидроокиси натрия средней концентрации
(RNH3+)Cl-(к.) + ОН- → (RNH3+)OH-(к.) + Cl-
Другие способы очистки воды
Жесткую воду можно умягчить также химической обработкой. Описанный же выше ионообменный метод очистки воды, основанный на использовании гигантских органических молекул (синтетических смол) для удаления из воды примесных ионов, применяется ограниченно лишь в тех случаях, когда промышленность нуждается в очень чистой воде, в частности для производства лекарственных препаратов. Воду, поступающую в городской водопровод, обычно обрабатывают химикатами с последующим продолжительным отстаиванием в больших резервуарах, после чего ее пропускают через песчаные фильтры. В процессе отстаивания удаляются взвешенные в воде вещества вместе с осадками, которые могут образовываться при добавлении к воде химикатов, а также некоторые микроорганизмы. Оставшиеся после фильтрования живые микроорганизмы погибают в результате обработки воды озоном, хлором, хлорной известью, гипохлоритом натрия или кальция.
Жесткость воды обусловлена главным образом присутствующими в ней ионами кальция, железа(II) и магния; именно эти ионы образуют нерастворимые соединения с обычным мылом. Жесткость чаще всего выражают в частях на миллион (млн-1) при пересчете на карбонат кальция (или иногда в гранах на галлон: 1 гран на 1 галлон равен 17,1 млн-1)2*. Бытовая вода, жесткость которой не превышает 100 млн-1, считается хорошей, вода с жесткостью 100—200 млн-1 — вполне пригодной.
В районах, богатых известняками, грунтовые воды могут содержать большие количества ионов кальция и гидрокарбонат-иона НСО3-. В отличие от нерастворимого карбоната кальция гидрокарбонат кальция Са(НСO3)2 — растворимое вещество. Такую воду (ее называют водой с временной жесткостью) можно умягчить простым кипячением, при котором происходит осаждение карбоната кальция и удаление избыточной двуокиси углерода
Са2+ + 2НСО3- → СаСО3 (к.) + Н2O + СO2 (г.)
Однако экономически этот метод очистки воды для снабжения ею городов не находит применения вследствие высокой стоимости горючего, необходимого для кипячения воды. Вместо этого воду умягчают добавлением гидроокиси кальция (гашеной извести)
Са2+ + 2НСО3- + Са(ОН)2 → СаСО3 (к.) + 2Н2О
Если вместо гидрокарбонат-иона в воде содержится сульфат- или хлорид-ион, то такая жесткость воды не устраняется кипячением, и в этом случае говорят, что вода обладает постоянной жесткостью. Такую воду можно умягчить обработкой карбонатом натрия
Са2+ + СO32- → СаСO3 (к.)
Ионы натрия, содержащиеся в карбонате натрия, остаются в водном растворе вместе с сульфат- и хлорид-ионами, которые уже присутствовали в воде до ее обработки.
При умягчении воды гидроокисью кальция или карбонатом натрия достаточно использовать такое количество вещества, которое требуется для осаждения ионов магния и железа с образованием гидроокиси магния и гидроокиси железа(II) или железа(III). В некоторых случаях наряду с умягчающими реагентами в качестве коагулянтов добавляют небольшое количество сульфата алюминия, квасцов или сульфата железа (III). Эти вещества образуют со щелочными реагентами гелеобразные осадки гидроокиси алюминия Аl(ОН)3 или гидроокиси железа Fе(ОН)3, которые захватывают осадок, образовавшийся в процессе умягчения воды, и способствуют его отстаиванию. Гелеобразный осадок может адсорбировать окрашивающие вещества и другие загрязнения, присутствующие в воде3*.
Часто в паровых котлах используют воду, содержащую сульфат кальция, который при кипячении отлагается в виде накипи. Во избежание этого поступающую в котел воду иногда обрабатывают карбонатом натрия, что вызывает осаждение карбоната кальция в виде шлама и предотвращает образование накипи, состоящей из сульфата кальция. В некоторых случаях применяют тринатрийфосфат (Na3РO4), вызывающий осаждение кальция в виде шлама, состоящего из гидроксиапатита Са5(РO4)3ОН. В обоих случаях шлам периодически удаляют при чистке котлов. Большие современные котлы работают на деионизованной воде, получаемой путем ионообменной очистки с использованием органических смол.
* R—составная часть каркаса.
2* В СССР жесткость природных вод выражают в миллиграмм-эквивалентах на 1 литр (мг-экв/л), а умягченных вод — в микрограмм-эквивалентах на 1 кг (мкг-экв/кг). До 1952 г. ее выражали в градусах жесткости (1° соответствует 0,357 мкг-экв/л). — Прим. перев.
3* Адсорбция — это прилипание молекул газа, жидкости, растворенных веществ или частиц к поверхности твердого вещества. Процесс абсорбции заключается во внедрении молекул в твердое или жидкое вещество с образованием раствора или соединения. В некоторых случаях используют термин сорбция, охватывающий оба эти явления. Говорят, что нагретый стеклянный сосуд адсорбирует при охлаждении водяные пары из воздуха и покрывается при этом тончайшим слоем воды; но в то же время считают, что дегидратирующий агент, например концентрированная серная кислота, абсорбирует воду, образуя гидраты.