Содержание  кальциевых и магниевых соединений в литре воды, выраженное в мг-экв  или мкг-экв, носят название жесткости  воды. Такое название возникло вследствии того, что промывание тканей в воде с высокой концентрацией ионов  Ca и Mg делает волокна ломкими, неэластичными, словно жесткими. Это обусловлено образованием на волокнах кальциевых и магниевых солей жирных кислот, входящих в состав мыла, а также углекислых солей.  
 
 
 
 
 
 

2.2 Методы определения  жесткости.

     Для определения жесткости могут  быть использованы:

     а) визуально-колориметрический метод, пригодный для анализа воды с  очень малой жесткостью порядка  десятых долей микрограмм – эквивалента  в литре;

     б) объемный олеатный метод, применяемый  относительно редко, обычно в тех  случаях, когда трилонатный метод  оказывается неэффективным.

     в) кислотно-основное титрование.

2.2.1 Колориметрический  метод

     Этот  метод основан на различной интенсивности  окраски хром темно – синего в  зависимости от концентрации ионов  Са2+  и Mg2+ в анализируемой воде и может быть использован для  быстрого определения малых жесткостей воды (от 10 мкг – экв/л).

2.2.2 Олеатный метод

     Этот  метод основан на малой растворимости  олеатов кальция и магния. Поэтому  добавление раствора олеата калия к  анализируемой пробе воды и ее взбалтывание вызывает сначала осаждение  всех содержащихся в воде ионов кальция  и магния в виде олеата, и лишь затем избыток олеата калия приводит к образованию устойчивой пены, что  и служит признаком окончания  титрования.

     Минимальное количество олеата, уже вызывающее при взбалтывании пробы воды появление  пены, зависит от концентрации в  ней ионов кальция и магния. Эта зависимость не имеет характера  прямой пропорциональности и является более сложной, что указывает  на отсутствие простых стехиометрических  соотношений при взаимодействии олеата калия с ионами щелочноземельных металлов.

     Отсутствие  стехиометрической закономерности не является, однако, препятствием для  использования олеатного метода в целях определения жесткости, так как при соблюдении точного  оговоренных условий в отношении температуры титруемой жидкости, ее объема, величины рН, частоты и интенсивности взбалтывания, характера пены, скорости прибавления олеатного раствора и т.д. можно получать этим методом хорошо воспроизводимые результаты.

     Олеатный  метод определения жесткости  применим для анализа вод, жесткость  которых не превышает 0,5 мг–экв/л. Наименьшая жесткость, которая может быть достаточно надежно зафиксирована олеатным методом, составляет 2 мкг – экв/л. Таким образом, чувствительность этого  метода практически такая же, как  и трилонометрического.

2.2.3 Метод кислотно-основного  титрования

     В основе кислотно-основного титрования в водных растворах лежат реакции  взаимодействия между кислотами  и основаниями:

     Н⁺ + ОН^– = Н₂О 

     С помощью этого метода прямым титрованием  можно определить концентрацию кислоты  или основания или содержание элементов, образующих кислоты или  растворимые основания (например, фосфора  – в виде фосфорной кислоты, мышьяка  – в виде мышьяковой кислоты и  т.п.)

     Обратным  титрованием или косвенными методами находят содержание некоторых солей (например, солей аммония, кальция  и др.). Применяя специальные приемы, титруют смеси кислот с их солями, смеси кислых и средних солей  и т.д. 
 
 
 
 
 

     2.3. 2 типа жесткости воды: 

     - временная – карбонатная жесткость,  обусловлена присутствием на  ряду с кальцием, магнием и  железом гидрокарбонатных анионов;  
- постоянная – некарбонатная жесткость, характеризуется присутствием сульфатных, нитратных и хлоридных анионов, соли кальция и магния которых прекрасно растворяются в воде;  
- общая жесткость определяется как суммарная величина наличия солей магния и кальция в воде, то есть суммой карбонатной и некарбонатной жесткости.

     Принято классифицировать жесткость воды следующим образом:  
- мягкая вода – жесткость 3,0 мг-экв/л и более  
- средняя жесткость – от 3,0 до 6,0 мг-экв/л  
-         жесткая вода – свыше 6,0 мг-экв/мл.

     2.4 Методы устранения.

2.4.1  Термоумягчение.

     Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются  с образованием накипи:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O.

Кипячение устраняет  только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту.

2.4.2 Реагентное умягчение.

 

 Метод основан  на добавлении в воду кальцинированной соды Na₂CO₃ или гашёной извести Ca(OH)₂. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O

     Лучшим  реагентом для устранения общей  жесткости воды является ортофосфат натрия Na₃PO₄, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения:

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6NaHCO₃

3MgSO₄ + 2Na₃PO₄ → Mg₃(PO₄)₂↓ + 3Na₂SO₄

     Ортофосфаты кальция и магния очень плохо  растворимы в воде, поэтому легко  отделяются механическим фильтрованием. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку  связан с решением ряда специфических  проблем: фильтрации осадка, точной дозировки  реагента.

2.4.3 Катионирование.

     Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего  ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает  катионы солей жёсткости (кальций  и магний, железо и марганец). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая  ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. При правильно подобранной ионообменной загрузке жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом — до 0,01 мг-экв/л. В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду.

2.4.4 Обратный осмос.

     Метод основан на прохождении воды через  полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости  удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может  достигать 99,9 %. Этот метод нашёл наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды. В качестве недостатка данного метода следует отметить необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану.

2.4.5 Электродиализ.

     Основан на удалении из воды солей под действием  электрического поля. Удаление ионов  растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.

     Полностью очистить воду от солей жёсткости  можно дистилляцией. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Методика определения  жесткости воды  комплексонометрическим  методом.

3.1  Сущность метода

     Метод основан на образовании при рН=10±0,2 прочного бесцветного комплексного соединения трилона Б с ионами кальция и магния. В эквивалентной  точке титрования все ионы кальция  и магния связываются в комплексное  соединение трилоном Б, в результате чего происходит изменение окраски  индикатора от красной до голубой.

     Чувствительность  метода составляет 0,5 мг – экв/л при  титровании 0,1н 

3.2 Отбор проб

     Отбор проб является важной частью анализа, необходимым условием правильности получаемых результатов.

     Главные принципы, которые требуется соблюдать  при отборе проб воды, состоят в  следующем:

1. Проба воды, взятая для анализа, должна отражать условия и место ее отбора. При отборе поверхностных вод необходимо изучить окружающую местность и брать пробы воды выше и ниже спуска сточных вод. Пробы из трубопроводов при наличии штуцера отбирают так, чтобы скорость вытекания воды из трубопровода совпадала со скоростью отбора. Соответственно цели анализа отбирают разовые и смешанные (средние) пробы за определенный период, сливая разовые, взятые из одного и того же места, через равные промежутки времени. Иногда средние пробы отбирают одновременно из разных мест исследуемого объекта и сливают вместе. Окончательный объем средней пробы должен быть пропорционален расходу воды и определяется из условия заданного перечня определений.

     2. Объем пробы должен быть достаточным и соответствовать применяемой методике анализа. Для неполного анализа, при котором определяют только несколько компонентов, достаточно отобрать 1 л воды. Для более подробного анализа следует брать 2 л воды.

     3. Пробы воды отбирают в стеклянные  или полиэтиленовые бутыли с  хорошо подобранной пробкой, а  при наличии крупных примесей  – в жестяные бидоны или  банки с широким горлом. Посуду, используемую для отбора проб, необходимо вымыть хромовой смесью  и тщательно промыть водопроводной,  а затем дистиллированной водой.  Перед отбором пробы посуду  ополаскивают несколько раз исследуемой  водой.

     4. Отбор пробы, условия транспортирования  и сроки хранения определяются  из условий отсутствия изменений  в содержании определяемых компонентов  или в свойствах воды. Необходимо  учесть, что ни консервация, ни  фиксация не обеспечивают постоянного  состава пробы на продолжительное  время. 

     Целью этих операций является сохранение содержания соответствующего компонента без изменения  на время, необходимое для доставки и обработки пробы воды. К анализу  следует приступать в кратчайший срок после отбора пробы.

3.3 Реактивы и оборудование

     Реактивы  и материалы:

• трилон Б (фиксанал 0,1н) по ТУ 6-09-2540-87;
• серно – кислый магний MgSO₄ (фиксанал 0,1н) ТУ 6-09-2540-87;
• аммиачный буферный раствор;
• индикатор эриохром черный Т или кислотный хром темно – синий ч.д.а. ТУ 6-09-3870-87Е;
• сернистый натрий 9 – водный ч.д.а., Na₂S ГОСТ 2053-77.

     Приготовление реактивов:

• Трилон Б 0,05н: раствор готовят из 0,1н трилона Б, приготовленного из фиксанала, разбавлением его в 20 раз. Для этого 50 мл трилона Б 0,1н переносят в мерную колбу на 100 мл и доводят до метки обессоленной воды. При отсутствии фиксанала берут навеску 18,613 г. трилона Б и растворяют в мерной колбе на 1000 мл. Устанавливают титр трилона Б по фиксаналу 0,1н MgSO₄. Пипеткой отбирают 10 мл 0,1н MgSO₄ в коническую колбу, добавляют 90 мл обессоленной воды, 5 мл аммиачно – буферного раствора, 5 – 7 капель индикатора кислотного хром темно – синего (эриохром черного, хромогена) и титруют раствором трилона Б до голубого цвета. Должно пойти 20 мл трилона Б
• Аммиачный буферный раствор: 20 г NH₄Cl растворить в 500 мл воды, добавить 80 мл концентрированного аммиака NH₄OH и довести объем до 1000 мл.
• Индикаторы кислотный хром темно – синий или эриохром черный Т: 0,5 г индикатора растворяют в 20 мл аммиачно – буферного раствора и доводят объем до 100 мл этиловым спиртом.