Vanduo Vandens chemija Vandens chemija

Vandens kiekis žmogaus audiniuose ir organuoseSuaugusio žmogaus organizme yra ∼ 70 % vandens.Žmogaus, sveriančio 65 kg, organizme yra ∼ 40 l vandens.• Kaulai 45 %• Oda 70 %• Raumenys 76 %• Širdis 78 %• Plaučiai 83 %• Inkstai 83 %• Smegenys 75 %• Kepenys 68 %• Kraujas 90–92 %• Seilės 99–99.5 %• Skrandžio sultys 97 %• Prakaitas 98 %• Gamtinis vanduo nėra grynas–tai įvairių druskų irdujų tirpalas!!!• Iš dujų gamtiniame vandenyje daugiausia ištirpę O 2 ir N 2 .Vandenilio sulfidas (H 2 S) ir amoniakas (NH 3 ) gamtiniamevandenyje susidaro pūvant organinėms medžiagoms.• Vandenynų vandenyje yra apie 3,5 % ištirpusių medžiagų(daugiausia druskų), Baltijos jūroje – tik 0,75 %.• Jūros vandenyje daugiausia yra Na + ir Cl – jonų (apie 77 %),po to – Mg 2+ , Ca 2+ , K + ir kt.• Gruntiniame ir šaltinių vandenyje dažniausiai yra šių jonų:Ca 2+ , Mg 2+ , HCO 3– , Cl – , SO 42–, Na + , mažiau – Fe 2+ jonų.Druskų koncentracija, g/lVandens kietumasVandens kietumą sudarančių druskųatsiradimas vandenyjeVandens kietumą sudaro gamtiniamevandenyje ištirpusios:a) kalcio druskos (kalcio jonai Ca 2+ ),b) magnio druskos (magnio jonai Mg 2+ ).www.sinkhole.org

Vandens kietumo skirstymas• Laikinąjį arba karbonatinį kietumą (KK) sudarokalcio ir magnio hidrokarbonatai: Ca(HCO 3 ) 2 irMg(HCO 3 ) 2• Pastovųjį arba nekarbonatinį kietumą (NK) sudarokalcio ir magnio stiprių rūgščių druskos (sulfatai irchloridai): CaSO 4 , MgSO 4 , CaCl 2 , MgCl 2• Bendrąjį kietumą sudaro laikinojo ir pastoviojokietumų druskos:BK = KK + NKVirinant vandenį, kuriame yra karbonatinį(laikinąjį) kietumą sudarančių kalcio ir magniohidrokarbonatų, vyksta pastarųjų terminisskilimas. Kalcio ir magnio hidrokarbonatų skilimoproduktai nusėda ant kaitinimo elementų, indosienelių ir sudaro nuoviras:Ca(HCO 3 ) 2 → CaCO 3 ↓ + CO 2 ↑ + H 2 OMg(HCO 3 ) 2 → MgCO 3↓ + CO 2 ↑ + H 2 ONekarbonatinį (pastovųjį) kietumą sudarančiosdruskos, virinant vandenį, neskyla ir nuovirųnesudaro.Nuoviros garo katiluose trikdo technologiniusprocesus:• sumažėja šiluminių įrenginių šilumos laidumas,padidėja energijos nuostoliai,• plieninio katilo sienelės perkaista ir iš ugnies pusėsapsitraukia Fe 3O 4sluoksniu, kuris eksploatacijosmetu atšoka nuo sienelių ir dėl to suintensyvėjaplieno dujinė korozija,• garo katilas gali pradegti, prakiurti, sprogti ir pan.• kietas vanduo trumpina vandentiekio sistemos,kriauklių, unitazų, dušų ir kt., tarnavimo laiką,• įrengimų valymas tampa pagrindine kieto vandensproblema.Kietas vanduo didina muilo sąnaudas:2CH 3 (CH 2 ) 14 COO - Na + + Ca 2+ → Ca(CH 3 (CH 2 ) 14 COO) 2 ↓+2Na +tirpus natrio palmitatas netirpus kalcio palmitatas(natrio muilas)(kalcio muilas)Dalis muilo iš pradžių sunaudojama vandensminkštinimui.Susidaro netirpaus kalcio (arba magnio) muilo putųsluoksnis, kuris pats gali užteršti drabužius.• Vandens kietumas matuojamas kalcio ir magniojonų arba jų druskų milimoline koncentracija t.y.milimolių skaičiumi viename litre vandens[mmol/l]C M =nVtirpiniotirpalo=Mmtirpiniotirpinio⋅VtirpaloTirpinio (Ca 2+ arba Mg 2+ druskos) medžiagos kiekis n tirpinio (mol);Tirpalo (“kieto” vandens) tūris V tirpalo (l);Tirpinio (Ca 2+ arba Mg 2+ druskos) masė m tirpinio (g);Tirpinio (Ca 2+ arba Mg 2+ druskos) molio masė M tirpinio (g/mol).mol/l

Vandens kietumo skirstymasKietis, mmol/lKietumas< 0,75 labai minkštas0,75–1,5 minkštas1,5–2,7 vidutiniškai kietas2,7–5,35 kietas> 5,35 labai kietasKietumo nustatymas• Karbonatinis kietumas nustatomas titruojant0,1 mol/l koncentracijos HCl tirpalu, ikiindikatoriaus metiloranžo spalvos pasikeitimoiš geltonos į oranžinę:Ca(HCO 3 ) 2 + 2HCl → CaCl 2 + 2CO 2 ↑ + 2H 2 OMg(HCO 3 ) 2 + 2HCl → MgCl 2 + 2CO 2 ↑ + 2H 2 OMinksčiausias lietaus vanduo: 0,035–0,05 mmol/l.Kiečiausias jūrų ir vandenynų vanduo: iki 32,5 mmol/l.CaCl 2 ir MgCl 2 + HCl → nereaguojaKietumo nustatymas• BK nustatomas kompleksonometriniu būdu titruojantdinatrio etilendiaminotetraacetato (trilono B, sutrumpintaiNa 2 T) tirpalu. Ca 2+ ir Mg 2+ jonai su Na 2 T sudaro patvarųkompleksinį junginį:Na 2 T+ Ca 2+ CaT + 2Na +Na 2 T+ Mg 2+ MgT + 2Na +• Į vandenį įdėtas eriochromo juodasis T indikatoriussusijungia su Ca 2+ ir Mg 2+ jonais, jis įgyja raudonojo vynospalvą. Kai titravimo metu visi tiriamąjame vandenyjeesantys Ca 2+ ir Mg 2+ jonai susijungia suetilendiaminotetaacetato jonais (sutrumpintai žymima T 2+ ),indikatorius įgyja mėlyną spalvą. • http://www.indigo.com/test-strips/gph-test-strips/Cobalt-chloride-test-strips.htmlVandens minkštinimasVandens minkštinimas – tai dalinis arbavisiškas Ca 2+ ir Mg 2+ jonų pašalinimas išvandens.Vandens minkštinimo būdaiCheminiaiterminisnusodinimoFizikiniaidistiliavimasmagnetinis• Laikinas vandens kietumas gali būtipašalinamas1) terminiu būdu virinant 95–98 °Ctemperatūroje:Ca(HCO 3 ) 2 → CaCO 3 ↓ + CO 2 ↑ + H 2 OMg(HCO 3 ) 2 → MgCO 3 ↓ + CO 2 ↑ + H 2 OSusidaro nuoviros.jonų kaitosultragarsinis, difuzinis irkt.

2) cheminiu būdu – gesintomis kalkėmis Ca(OH) 2 (jų tirpalas- “kalkių pienas”):Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 → 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 OMg(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 → MgCO 3 ↓ + CaCO 3 ↓ + 2H 2 OGesintų kalkių dedama tik tiek, kiek reikia karbonatiniamkietumui pašalinti.• Kalcio jonų perteklius gali padidinti vandens kietumą.• Gesintos kalkės pašalina ir vandenyje ištirpusį CO 2 :CO 2 + Ca(OH) 2 → 2CaCO 3 ↓ + H 2 O• Vandens nekarbonatinis kietumaspašalinamas cheminiu būdu naudojantsodą:CaCl 2 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + 2NaClMgCl 2 + Na 2 CO 3 → MgCO 3 ↓ + 2NaClCaSO 4 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4MgSO 4 + Na 2 CO 3 → MgCO 3 ↓ + Na 2 SO 4Praktikoje vanduo dažnai minkštinamasgesintų kalkių ir sodos mišiniu.Taigi, susidaręs magnio karbonatasreaguoja su gesintomis kalkėmis:MgCO 3 + Ca(OH) 2 → Mg(OH) 2 ↓ + CaCO 3 ↓Tokiu būdu minkštinto vandens kietumas∼ 0,15 mmol/lKartais papildomai vanduo minkštinamasnatrio fosfatu Na 3 PO 4 :3CaCl 2 + 2Na 3 PO 4 → Ca 3 (PO 4 ) 2 ↓ + 6NaCl3MgSO 4 + 2Na 3 PO 4 →Mg 3 (PO 4 ) 2 ↓+ 3Na 2 SO 4Tuomet suminkštinto vandens BK ∼ 0,01-0,02 mmol/l.Daug fosfatų yra skalbimo milteliuose.Jie sukelia reiškinį – eutrofikaciją –“vandens žydėjimą”.Natrio heksapolifosfatasSintetinės plaunamosios medžiagosSudėtis:• kalcinuotoji soda (Na 2 CO 3 ),• natrio tripolifosfatas (Na 5 P 3 O 10 )• natrio metasilikatas (Na 2 SiO 3·9H 2 O)• aktyvaus paviršiaus medžiagų priedai PAM.Į vandenį įmaišius PAM (sulfonato, sulfonolo, sintanolo,sintamido, oksiforo), jis pradeda drėkinti net tepaluotąpaviršių.Į kai kurių skalbiklių sudėtį įeina kancerogeninėsmedžiagos: aktyvatoriai (EDTA), nitroacetatas (NTA),chloro junginiai, kvapiosios medžiagos (ypač sintetiniųmuskuso kvapų), minkštikliai, alkilfenoletosilatai.

Vandens minkštinimas jonų kaitosmetodu• Jonų kaitos metodas – tai procesas, kurio metuvandenį kietinantys jonai pakeičiami jonais, kurievandens kietumo nesudaro.Naudojami:• aliumosilikatai Na 2 [(AlSi) x O 2x ], sutrumpintai Na 2 Rnatūralūs (ceolitai)sintetiniai (permutitai)• organinės dervos (sintetiniai jonitai).• Ceolitai ir permutitai turi purią kristalinęstruktūrą ir juose esantys Na + jonai galibūti pakeisti Ca 2+ ir Mg 2+ jonais išvandens:Na 2 R + CaSO 4 → CaR + Na 2 SO 4Na 2 R + MgCl 2 → MgR + 2NaClR – aliumosilikato anijonas• Sintetiniai jonitai – tai stambiamolekulėsmedžiagos, turinčios erdvinę struktūrą irnetirpios vandenyje.• Vienos jų sugeria katijonus ir vadinamoskatijonitais, kitos - anijonus ir vadinamosanijonitais.• Katijonitų sudėtis paprasčiau gali būti išreikštataip:H + n R n– arba Na + n R n–•Anijonitų sudėtis paprasčiau gali būti išreikštataip:R n+ (OH – ) n• Katijonituose prie polimerinių makromolekuliųkovalentiniu ryšiu yra prijungtos sulfo arbakarboksi grupės, turinčios neigiamą krūvį(anijonai –SO 3− arba –COO − ), o teigiamivandenilio arba šarminio metalo jonai sušiomis grupėmis-anijonais susijungę joniniuryšiu:SO 3− H + NH 3+ OH − COO − Na +• Anijonituose prie polimerinių makromolekuliųkovalentiniu ryšiu yra prisijuntos aminogrupės, turinčios teigiamą krūvį (anijonaiNH 3+ ), o neigiami hidroksido OH − jonai sušiomis grupėmis-katijonais susijungę joniniuryšiu:R – sintetinės dervos anijoninis radikalas (liekana).• Leidžiant kietą vandenį per natrio katijonitąNa 2 R (k) , vandenyje esantys Ca 2+ ir Mg 2+ jonaipakeičia Na + jonus jonite:Na 2 R (k) + Ca 2+ (aq) → CaR (k) + 2Na + (aq)Na 2 R (k) + Mg 2+ (aq) → MgR (k) + 2Na + (aq)• Ca 2+ ir Mg 2+ katijonais prisisotinęs katijonitasregeneruojamas sočiuoju NaCl tirpalu:CaR (k) + 2NaCl (aq) → Na 2 R (k) + CaCl 2(aq)MgR (k) + 2NaCl (aq) → Na 2 R (k) + MgCl 2(aq)

• Kai vanduo minkštinamas vandeniliokatijonitu, jis parūgštėja:H 2 R (k) + Ca 2+ (aq) → 2H + (aq) + CaR (k)H 2 R (k) + Mg 2+ (aq) → 2H + (aq) + MgR (k)Ca 2+ ir Mg 2+ katijonais prisisotinęs katijonitasregeneruojamas 5-10 % koncentracijos HClarba H 2 SO 4 tirpalu:CaR (k) + 2HCl (aq) → H 2 R (k) + CaCl 2(aq)MgR (k) + 2HCl (aq) → H 2 R (k) + MgCl 2(aq)Leidžiant vandenį per anijonitą, vandenyje esantysanijonai (Cl – , HCO 3– , SO2– 4 ) pakeičia anijonito OH −jonus:ROH (k) + Cl – (aq) → RCl (k) + OH − (aq)ROH (k) + HCO– 3 (aq) → RHCO 3(k) + OH − (aq)2ROH (k) + SO2– 4 (aq) → R 2 SO 4(k) + 2OH − (aq)Cl – , HCO 3– , SO2– 4 anijonais prisisotinęs anijonitasregeneruojamas su 5-10 % koncentracijos NaOHtirpalu:RCl (k) + NaOH (aq) → ROH (k) + NaCl (aq)RHCO 3(k) + NaOH (aq) → ROH (k) + NaHCO 3(aq)R 2 SO 4(k) + 2NaOH (aq) → 2ROH (k) + Na 2 SO 4(aq)Fizikiniai vandens minkštinimo būdaiDejonizuotas vanduo gaunamas nuosekliaipraleidus vandenį pro:Labai gryno vandens gamyboje naudojamaselektrodejonizavimas (EDI)1) vandenilio katijonitą H 2 R (k)ir2) hidroksido anijonitą ROH (k)Vandenyje praktiškai nelieka jokių jonų, nes:H + (aq) + OH – (aq) → H 2 O (S)• Distiliuotas vanduo gaunamasvirinant vandenį, kai virimo metususidarę vandens garaikondensuojami ant šalto paviršiaus.• Vanduo gali būti minkštinamas (gryninamas)atvirkštinės osmozės (atbulinio osmoso) būdu.

TirpiklisKoncentruotastirpalasOsmozėNormalus osmosas Pusiausvyra Atbulinis osmosashpPro membraną praeina tik VANDENSmolekulėsAtvirkštinio osmoso sistema iš vandens išvalo:• chloridų > 97 %;• radioaktyvių elementų >90%;• kalcio ir magnio jonų >96%;• naftos produktų >98%;• nitratų ir nitritų >83%;• aromatinių angliavandenių >98%;• sunkiųjų metalų jonų >97%;• bakterijų >99%.http://www.textoscientificos.com/quimica/osmosis/inversaMagnetinis vandens minkštinimas• Vanduo, tekėdamas pro magnetus,įgyja minkšto vandens savybių, betjame vis dar išlieka toks pat kietumas.http://www.magnet-tool.com/magnetic_water_conditioner.htmlVandens minkštintojas magnorutulys• Daugkartinis ekologinis nukalkintojas skalbimoir indų plovimo mašinoms. Tarnauja 10 metų.• Veikimo principas: magnetų pagalba pakeičiamanuovirų molekuliųstruktūra, dėl kojos nesėda antskalbinių, indų,kaitinimo elementoir vamzdžių.• Ekologiškas irsaugus.Vandens kietumo skirstymasBendras(BK)Ištirpę Ca 2+ irMg 2+ druskosKarbonatinis(KK),laikinasis (LK),šarmingumasNekarbonatinis(NK),pastovusis (PK)Ca(HCO 3) 2Mg(HCO 3) 2CaSO 4, CaCl 2MgSO 4, MgCl 2BK = KK + NK

Bendras (BK)Vandens minkštinimo būdųapibendrinimasKarbonatinis (KK)Laikinasis (LK)Nekarbonatinis (NK)Pastovusis (PK)Vandens paruošimas ir nuotėkųvalymasJonitais1) Na katijonituCa 2+ + Na 2 R →Mg 2+ + Na 2 R →2) H katijonituCa 2+ + H 2 R →Mg 2+ + H 2 R →T.p. reikia žinotiapdorojimo suanijonitais bei jonitųregeneravimo reakcijųlygtis.1) termiškai – virinatt⎯⎯→oCa(HCO 3) 2tMg(HCO 3) 2 ⎯⎯→o2) cheminiu būdu su “kalkiųpienu”Ca(HCO 3) 2+ Ca(OH) 2→Mg(HCO 3) 2+ Ca(OH) 2→1) cheminiu būdu su sodaCaCl 2+ Na 2CO 3→MgSO 4+ Na 2CO 3→2) cheminiu būdu sunatrio fosfatuCa 2+ + Na 3PO 4→Mg 2+ + Na 3PO 4→Gamtinio vandens valymasĮ vandentiekį tiekiamo vandens valymas:1) kietų ir koloidinių priemaišų atskyrimas,2) ištirpusių druskų ir dujų šalinimas,3) vandens dezinfekavimas.1. Kietų ir koloidinių priemaišų atskyrimas:• Stambios pakibusios dalelės pašalinamos, laikantvandenį nusistovėjimo rezervuaruose.• Smulkios dalelės pašalinamos, filtruojant per smėlio,žvyro arba kokso sluoksnį.• Tepalų, organinių medžiagų dalelės pašalinamoskoaguliacijos būdu, naudojant aliuminio sulfatąAl 2 (SO 4 ) 3 (kartais geležies(II) sulfatą FeSO 4·7H 2 O).2. Ištirpusių dujų šalinimasIš ištirpusių vandenyje dujų kenksmingiausias yradeguonis, nes jis spartina metalų koroziją.Dujos iš vandens pašalinamos terminiu ir cheminiu būdu.Pirmuoju būdu dujos šalinamos aparatuose, kuriuosekarštas vanduo plonu sluoksniu teka sienelėmis. Dargeresnių rezultatų gaunama vakuuminiuoseaparatuose.Cheminiu būdu deguonis pašalinamas, leidžiant vandenįpro geležies drožlių filtrą. Ištirpęs deguonis reaguoja sugeležimi, o susidariusios purios Fe(OH) 3 nuosėdos liekaant filtro:4Fe (k) + 3O 2(d) + 6H 2 O (s) → 4Fe(OH) 3(k)3. Vandens dezinfekavimas •Chloras naudojamas grynas arba jo junginiai:Vandeniui dezinfekuoti vartojamai:Cl 2(d)+ H 2O (s)→ HCl (aq)+ HClO (aq)• Chloras ir jo junginiai (Cl 2 , NaOCl,2Ca(Cl)OCl (aq)+ 2H 2O (s)→ CaCl 2(aq)+ Ca(OH) 2(aq)+ 2HClO (aq)chlorkalkėsCa(Cl)OCl),Hipochlorito rūgštis HClO yra silpna ir nepatvari• Ozonas (O 3 ),rūgštis, kuri skyla:• Sidabro jonai (Ag + ),HClO (aq)→ HCl (s)+ O (d)• Ultravioletiniai spinduliai (UV),Atominis deguonis yra labai stiprus opksidatorius: ardo• Ultragarsas (UG),bakterijų ląsteles, stabdo organinių medžiagų• elektrolizė ir kt.fermentaciją, oksiduoja vandenyje esančias kitasorganines medžiagas.

Nutekamieji vandenys ir jų valymas• Nutekamieji vandenys - tai buityje, pramonėje, transporte ir kiturnaudotas vanduo. Nutekamųjų vandenų užterštumas įvairiuoserajonuose skirtingu paros laiku nevienodas.• Ūkiniai ir buitiniai vandenys būna užteršti organinėmis,mineralinėmis ir bakteriologinėmis priemaišomis. Vyrauja NH + 4 ,NO - 2 , NO - 3 , S 2- , PO 4 jonai, kurie sudaro sąlygas kenksmingųmikroorganizmų veiklai.• Pramonės įmonių gamybiniai vandenys būna užteršti žaliavųbei perdirbimo produktų atliekomis. Labiausiai užteršti chemijospramonės ir galvaninių cechų nutekamieji vandenys. Visigamybiniai vandenys, prieš išleidžiant juos į miesto kanalizaciją,turi būti išvalomi pirminio valymo įrenginiais. Taikomi fizikiniai ircheminiai bei biologiniai metodai.Nutekamieji vandenys ir jų valymasNutekamųjų vandenų turi būti neutralūs (pH≈7).• Rūgštūs vandenys filtruojami per dolomito filtrus arbaneutralizavimui į juos dedamas apskaičiuotas kiekis gesintųkalkių (kalcio hidroksido) Ca(OH) 2 , kaustinės sodos (natriohidroksido NaOH) arba kalcinuotosios sodos (natrio karbonatoNa 2 CO 3 ).• Šarminiai vandenys neutralizuojami naudojant technišką sierosrūgštį H 2 SO 4 arba druskos rūgštį HCl. Taikoma ir abipusėneutralizacija, maišant rūgščius ir šarminius vandenis.• Apvalyti iki leidžiamos užterštumo normos vandenysnuteka į miesto kanalizaciją.• Miestų nutekamieji vandenys papildomai valomimechaniniais ir biologiniais metodais.Nuotekų valymo sistema individualiam namuiMiesto nutekamųjų vandenų valymas