Определение жесткости воды по её проводимости

Оглавление
Введение
1.Теория и практика использования связи электропроводности с жесткостью воды
1.1 Понятие жесткости воды
1.2 Электропроводность воды
2. Экспериментальное исследование метода
2.1 Планирование и выполнение эксперимента
2.2 Результаты и их обсуждение
2.3 Предложение
Заключение
Список литературы

Все выполненные измерения приведены в таблицах 1, 2, 3 и на графиках, на рисунках 2, 3, 4.
Пояснения к описанной методике эксперимента:
а) Водопроводная вода в зимнее время с большой вероятностью имеет заявленную горводоканалом общую жесткость 2 - 3 ммоль экв/л и общее солесодержание не выше 600 мг/л; вода марки "Чистая вода" получается последовательно полным обессоливанием артезианской воды (обратным осмосом) и точным дозированием необходимых солей; вода "Доволенская" имеет столько медалей различных выставок, что также, вероятно, имеет указанный на этикетке состав. Таким образом, предполагалось, что состав исследованных образцов воды известен:
Водопроводная вода (предполагаемый состав):
Ca2++Mg2+ - 10 ммоль экв/л;
Na++K+ - 0,1 ммоль экв/л;
HCO3- – 10 ммоль экв/л;
Cl- - 0,04 ммоль экв/л;
SO 2-4 – 0,06 ммоль экв/л;
Используя числа переноса ионов, т. е относительные скорости движения аниона или катиона, можно определить, какую долю в общем переносе электричества имеет концентрация тех или иных ионов.
Для приведенного состава водопроводной воды получим:
1,5x10+1,2х10+1,25x0,1+1,6x0,06+1,4x0,04=15+12+0,125+0,096+0.056=
=27,277.
Для отдельно взятых ионов солей жесткости:
1,5x10+1,2х10= 27.
Очевидно, для данного состава воды, основной вклад (почти 99%) в проводимость вносят ионы солей жесткости.
Это показывает реальную возможность для данного типа воды определять жесткость воды (в нашем случае и с нашим прибором – относительное содержание солей жесткости) через измерение сопротивления.
Состав воды "Доволенская":
Химический состав (в мг/л):
Натрий+Калий (Na++К+) = 2300—2700;
Кальций (Ca2+) = 40-80;
Магний (Mg2+) = 40-80;
Хлориды (Cl-) = 3400-3900;
Гидрокарбонаты (HCO3-) = 650—800;
Бром (Br-) = менее 30;
Кремниевая кислота = менее 30;
Минерализация = 6,0-8,0 г/л
Видим что при значительной минерализации, общая жесткость воды находится в пределах 4 – 8 ммоль экв/л.
Состав воды "Чистая вода", в мг/л:
Видим, что этот образец воды по степени минерализации и величине общей жесткости близок к водопроводной воде.
б) Имеются данные о том, что методом многократного вымораживания можно получить глубоко обессоленную воду, с удельным сопротивлением 0,95 МОм/см. Этот метод основан на том, что образование кристаллов льда при снижении температуры ниже 0 градусов происходит только из молекул воды (явление криоскопии). Вследствие этого пресная вода выделяется в виде льда из раствора. Раствор становится все более и более концентрированным. Если затем слить образовавшийся рассол и растопить лед, то получится обессоленная вода. Бутылочки переворачивались, чтобы было легче слить рассол.
2.2 Результаты и их обсуждение
Результаты сведены в таблицы и графики.
Обозначения: И, - исходная вода; К – после кипячения; Мо – обессоленная после вымораживания; Мр – рассол после вымораживания.
Таблица 1.
Водопроводная вода
Этап И К Мо Мр Сопротивление, Ом 750-800 1200-1400 1800-1900 650-700
Таблица 2.
"Чистая вода"
Этап И К Мо Мр Сопротивление, Ом 800-900 1300-1350 1800-2000 650-700
Таблица 3.
Вода "Доволенская"
Этап И К Мо Мр Сопротивление, Ом 650-700 1000-1200 1700-1800 650-700
Обсуждение результатов:
1). Видим, что операции по удалению солей качественно отражены в полученных результатах. Отклонения от ожидаемого поведения "Чистой воды" вызваны, видимо, несоответствием данных о составе реальным составам (предполагалось почти полное совпадение результатов).
2). Прибор и выбранный метод измерения, очевидно, не позволяют измерять сопротивление сильно минерализованной воды.
3). Метод вполне пригоден, после калибровки на известных составах воды, для оценки содержания солей жесткости в слабо – и сильно минерализованных питьевых водах.
2.3 Предложение
Рассмотрение конструкций современных приборов определения жесткости воды вызвало у автора желание сделать предложение по возможной новой (неизвестной автору) конструкции:
1). Подготовить тестовые полоски из фильтровальной бумаги с нанесенными (наклеенными) на неё кусочками такой же бумаги, но пропитанные растворами, вызывающими выборочное осаждение определенных ионов жесткости.
2). Нанести исследуемый раствор на каждую полоску (обмакнуть).
3) Через определенное время (чтобы выпали осадки, но не высохла бумага), наверное, порядка 1 - 2 минут, поместить полоску в зазор прибора, где каждый наклеенный кусочек будет находиться между отдельными обкладками (изолированными) высокочастотного конденсатора. Тогда, по значениям общего сопротивления цепи каждого конденсатора, можно будет определить ионный состав солей жесткости в растворе (чем больше подвижных ионов останется в теле кусочка бумаги, тем меньше будет величина емкости высокочастотного конденсатора). Если это будет работать, то это должен быть быстрый и универсальный метод определения всех форм жесткости. Здесь нет влияния поляризации электродов, их коррозии. Точность метода может быть наверняка очень высокой. Обработку и представление результатов обработать и представить не сложнее, чем в существующих приборах.
Заключение
Основные выводы по результатам выполнения первого раздела работы: не существует однозначного определения общей жесткости: так называют и общее содержание солей в растворе (включая одновалентные ионы щелочных металлов), и содержание ионов кальция и магния. Т.е. определение зависит от теоретической и практической позиции и цели исследователя. Большое количество используемых единиц измерения жесткости, без навыков, легко приводит к путанице.
Связь проводимости (удельной электропроводности) с различными формами жесткости воды неоднозначна и требует конкретного рассмотрения для различных типичных составов воды. Для постоянного ионного состава исходной воды метод позволяет, после построения калибровочной кривой, с большой точностью и чувствительностью отслеживать изменение жесткости.
Современные приборы и методы измерения жесткости по величине проводимости достигли большого совершенства. Единственный их значительный недостаток – непосредственный контакт электродов с раствором.
В работе проведено исследование изменения жесткости трех образцов воды с предполагаемым составом на широкодоступном оборудовании – бытовом тестере. Показано, что прибор хорошо чувствует изменения жесткости после кипячения и вымораживания, но не пригоден для точного измерения сопротивления рассолов.
По результатам выполнения работы сделано предложение о возможной удачной конструкции измерителя жесткости, который возможно собрать и испытать. Не исключено, что такая работа будет когда-нибудь выполнена, или уже где-то выполняется.
В целом, поставленные перед началом работы цели достигнуты. Возможно, для большей полноты их выполнения, следовало выполнить исследование более широкого набора образцов воды с точно известным исходным составом, и с использованием напряжения на электродах, а также с определением истинных значений жесткости после каждого этапа обработки исходной воды.
Список литературы
1. Горбунов А.И. и др. Теоретические основы общей химии: Учебник для студентов технических университетов и вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 720 с.
2. Кострикин Ю.М. и др. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1990 – 254 с.
3. Кульский Л.А. Основы химии и технологии воды. – Киев: "Наукова Думка", 1991. - 568 с.
4. Хомченко И. Г., Трифонов А. В., Разуваев Б.Н. Современный аквариум и химия, - Владимир: Новая Волна, 1997. - 190 с.
5. Сайт о приборах для контроля жесткости воды по электропроводности
( http://www.ecounit.ru/artikle_66.html ( (03.02.10).
6. Сайт компании "Чистая вода". ( http://www.cwc.ru. ( (01.02.10).
1 мг-экв/л = 1 ммоль экв/л.
3
200
Общая жесткость воды, ммоль экв/л
0 2 4 6 8
300
500
400
100
600
Удельная электропроводность, мкСм/см
Калибровочная кривая для приблизительного определения жесткости воды no удельной электропроводности. Точки — экспериментальные значения для различных природных вод, по которым построена кривая.
Рисунок 3.
Профессиональный измеритель жесткости на основе ионоселективных электродов.
Рисунок 2.
Пример измерителя жесткости по электропроводности воды микропроцессорного типа, разработанный для широкого применения.
Рисунок 1
Испытательный стенд. Измеряется сопротивление воды, обессоленной выморозкой. Идет поляризация электродов.
R, Ом
Этапы обработки
2000
1500
1000
500
Мр
М0
К
Рисунок 2.
И
Рисунок 3.
И
К
М0
Мр
500
1000
1500
2000
Этапы обработки
R, Ом
Рисунок 4.
И
К
М0
Мр
500
1000
1500
2000
Этапы обработки
R, Ом