9.2. Методи очищення води

Воду, що використовують у хімічних цілях, очищають дистиляцією. Для зберігання й транспортування дистильованої води часто застосовують посудини й труби з чистого олова. Скляні посудини непридатні, оскільки лужні компоненти скла повільно розчиняються у воді. Для одержання дуже чистої води користуються перегінним апаратом і посудинами, виготовленими з плавленого кварцу.

Забруднення, від якого найважче вберегти дистильовану воду, — це карбон(IV) оксид, що міститься в повітрі й легко розчиняється у воді.

Ефективно й без великих витрат воду можна очистити від іонів-забруднювачів, застосувавши дуже цікавий процес, що ґрунтується на використанні гігантських молекул — молекулярних структур, настільки великих, що вони утворюють видимі частинки. Прикладом таких гігантських молекул може правити кристал алмазу (розд. 7). Деякі складні неорганічні кристали, наприклад мінерали, що називаються цеолітами, мають такий самий характер. Їх застосовують для «пом'якшення» жорсткої води — для видалення з неї іонів важких металів. Такий спосіб називається іонообмінним методом.

І позитивні, й негативні іони можна видалити з води, застосувавши метод, що ґрунтується на використанні двох ємностей з двома різними речовинами. Перша ємність А містить зерна органічних смол, які складаються з гігантських молекул, що утворюють пористу структуровану ґратку, з якою зв'язані кислотні групи. Цими групами можуть бути сульфогрупи SO₃H*

Реакції, що відбуваються під час проходження розчину, який містить солі, через ємність А, можна записати так:

RSO₃H(кр.) + Na⁺ → (RSO₃^-)Na⁺(кр.) + H⁺

2RSO₃H(кр.) + Ca²⁺ → (RSO₃^-)₂Ca²⁺ (кр.) + 2H⁺

Іншими словами, іони Натрію й Кальцію видаляються з розчину й зв'язуються кислотним каркасом, а іони Гідрогену переходять у розчин. Розчин при цьому з сольового (що містить іони Na⁺, Cl^- тощо) переходить у кислотний (що містить іони H⁺, Cl^- тощо).

Потім кислотний розчин проходить через ємність Б, у якій містяться зерна з гігантськими молекулами органічних смол, що зв'язують основні групи. Такими групами можуть бути, наприклад, заміщені амонієві основи (RNH₃)⁺(OH)^-:

Гідроксид-іон, що міститься в цих групах, з іоном Гідрогену кислотного розчину утворює воду

OH^- + H⁺ → H₂O

Негативні іони залишаються в смолі завдяки тому, що їх утримують позитивні іони амонію, які містяться в її ґратці. При цьому відбуваються такі реакції:

(RNH₃⁺)(OH^-)(кр.) + Cl^- + H⁺ → (RNH₃⁺)Cl^-(кр.) + H₂O

2(RNH₃⁺)(OH^-)(кр.) + SO₄^2- + 2H⁺ → (RNH₃⁺)₂(SO₄^2-) (кр.) + 2H₂O

Вода, що виходить з ємності Б, практично не містить іонів, і її можна застосовувати в лабораторній практиці й у промислових процесах замість дистильованої води.

Після закінчення процесу гігантські молекули ємності А можна регенерувати, пропускаючи через неї розбавлену сульфатну кислоту

2(RSO₃^-)Na⁺(кр.) + H₂SO₄ → 2RSO₃H (кр.) + 2Na⁺ + SO₄^2-

Регенерувати гігантські молекули в ємності Б можна за допомогою розчину натрій гідроксиду середньої концентрації

(RNH₃⁺)Cl^-(кр.) + OH^- → (RNH₃⁺)OH^-(кр.) + Cl^-

Жорстку воду можна пом'якшити також хімічною обробкою. Описаний же вище іонообмінний метод очищення води, що ґрунтується на використанні гігантських органічних молекул (синтетичних смол) для видалення з води домішкових іонів, застосовується обмежено, лише в тих випадках, коли промисловість потребує дуже чистої води, зокрема для виробництва лікарських препаратів. Воду, що надходить у міський водогін, звичайно обробляють хімікатами з наступним тривалим відстоюванням у великих резервуарах, після чого її пропускають через піщані фільтри. У процесі відстоювання видаляються завислі у воді речовини разом з осадами, які можуть утворюватися під час додавання до води хімікатів, а також деякі мікроорганізми. Живі мікроорганізми, що залишилися після фільтрування, гинуть унаслідок обробки води озоном, хлором, хлорним вапном, натрій або кальцій гіпохлоритом.

Жорсткість води зумовлена головним чином присутніми в ній іонами Кальцію, Феруму(II) і Магнію; саме ці іони утворюють нерозчинні сполуки зі звичайним милом. Жорсткість найчастіше виражають у частинах на мільйон (млн^-1) у перерахунку на кальцій карбонат (або іноді в гранах на галон: 1 гран на 1 галон дорівнює 17,1 млн^-1)²*. Побутова вода, жорсткість якої не перевищує 100 млн^-1, вважається доброю, вода з жорсткістю 100—200 млн^-1 — цілком придатною.

У районах, багатих на вапняки, ґрунтові води можуть містити великі кількості іонів Кальцію та гідрогенкарбонат-іона HCO₃^-. На відміну від нерозчинного кальцій карбонату, кальцій гідрогенкарбонат Ca(HCO₃)₂ — розчинна речовина. Таку воду (її називають водою з тимчасовою жорсткістю) можна пом'якшити простим кип'ятінням, під час якого відбувається осадження кальцій карбонату й видалення надлишкового карбон(IV) оксиду

Ca²⁺ + 2HCO₃^- → CaCO₃ (кр.) + H₂O + CO₂ (г.)

Проте економічно цей метод очищення води для постачання нею міст не знаходить застосування через високу вартість пального, потрібного для кип'ятіння води. Замість цього воду пом'якшують додаванням кальцій гідроксиду (гашеного вапна)

Ca²⁺ + 2HCO₃^- + Ca(OH)₂ → CaCO₃ (кр.) + 2H₂O

Якщо замість гідрогенкарбонат-іона у воді міститься сульфат- або хлорид-іон, то така жорсткість води не усувається кип'ятінням, і в цьому разі кажуть, що вода має постійну жорсткість. Таку воду можна пом'якшити обробкою натрій карбонатом

Ca²⁺ + CO₃^2- → CaCO₃ (кр.)

Іони Натрію, що містяться в натрій карбонаті, залишаються у водному розчині разом із сульфат- і хлорид-іонами, які вже були присутні у воді до її обробки.

Під час пом'якшення води кальцій гідроксидом або натрій карбонатом досить використати таку кількість речовини, яка потрібна для осадження іонів Магнію й Феруму з утворенням магній гідроксиду та ферум(II) або ферум(III) гідроксиду. У деяких випадках разом із пом'якшувальними реагентами як коагулянти додають невелику кількість алюміній сульфату, галунів або ферум(III) сульфату. Ці речовини утворюють із лужними реагентами гелеподібні осади алюміній гідроксиду Al(OH)₃ або ферум гідроксиду Fe(OH)₃, які захоплюють осад, що утворився в процесі пом'якшення води, і сприяють його відстоюванню. Гелеподібний осад може адсорбувати речовини, що забарвлюють, та інші забруднення, присутні у воді³*.

Часто в парових котлах використовують воду, що містить кальцій сульфат, який під час кип'ятіння відкладається у вигляді накипу. Щоб цього уникнути, воду, що надходить у котел, іноді обробляють натрій карбонатом, що спричиняє осадження кальцій карбонату у вигляді шламу й запобігає утворенню накипу, який складається з кальцій сульфату. У деяких випадках застосовують тринатрій фосфат (Na₃PO₄), що спричиняє осадження Кальцію у вигляді шламу, який складається з гідроксиапатиту Ca₅(PO₄)₃OH. В обох випадках шлам періодично видаляють під час чищення котлів. Великі сучасні котли працюють на деіонізованій воді, яку одержують шляхом іонообмінного очищення з використанням органічних смол.

* R—складова частина каркаса.

2* В СРСР жорсткість природних вод виражають у міліграм-еквівалентах на 1 літр (мг-екв/л), а пом'якшених вод — у мікрограм-еквівалентах на 1 кг (мкг-екв/кг). До 1952 р. її виражали в градусах жорсткості (1° відповідає 0,357 мкг-екв/л). — Прим. перекл.

3* Адсорбція — це прилипання молекул газу, рідини, розчинених речовин або частинок до поверхні твердої речовини. Процес абсорбції полягає у проникненні молекул у тверду або рідку речовину з утворенням розчину або сполуки. У деяких випадках використовують термін сорбція, що охоплює обидва ці явища. Кажуть, що нагріта скляна посудина під час охолодження адсорбує водяну пару з повітря й покривається при цьому тоненьким шаром води; але водночас уважають, що дегідратувальний агент, наприклад концентрована сульфатна кислота, абсорбує воду, утворюючи гідрати.