Жесткость воды и способы ее умягчения. Методы, способы умягчения жесткой воды дома

На стенках чайника собирается накипь, смесители покрываются известковым налетом, а мыло дает мало пены? Возможная причина - жесткая вода. Излишняя жесткость вредит нагревательным приборам и сантехнике, увеличивает расход моющих средств, является причиной многих проблем со здоровьем. А есть ли польза от такой воды? Как измерить жесткость? Как «смягчить» воду и позаботиться о здоровье близких и исправности бытовой техники? Обо всем этом мы расскажем в статье.

Почему вода жесткая?

Понятие «жесткости» произошло от свойств белья и одежды постиранных в такой воде. Материал после контакта с жесткой водой сам становится грубым и неприятным на ощупь. Ярче всего эффект виден на махровых полотенцах. Повышенная жесткость воды вызвана большой концентрацией в ней катионов растворенных солей магния и кальция. Соли жесткости попадают в воду в процессе ее движения сквозь грунт, поэтому и концентрация их напрямую зависит от свойств почвы местности. В засушливые периоды концентрация солей в воде, как правило, растет, а в весенний паводковый период падает.

Признаки жесткости воды

1. Белесые известковые подтеки на кафеле и одежде.
2. Налет накипи на стенках чайника после кипячения воды.
3. Быстро засоряются сетки в смесителях, аэраторы и лейки в душе.
4. Фильтры кофемашины быстро выходят из строя.
5. Белая пена на поверхности кофе и чая.
6. Синтетические моющие средства и мыло в жесткой воде дают недостаточное количество пены для эффективной стирки.
7. Сухость и «стянутость» кожи после умывания.
8. Перхоть и жесткость волос после мытья.
9. Вареное мясо остается жестким, а картошка разваривается.
10. Слегка горьковатый привкус воды.

Если вы заметили несколько из этих признаков, значит вода, поступающая в ваш дом, жесткая, и стоит задуматься о ее смягчении, чтобы сохранить здоровье и исправность нагревательных приборов.

Польза и вред

Качество воды оказывает сильное влияние на здоровье человека. В первую очередь от жесткости воды страдают кожа и волосы. Кожа приобретает сухость, появляется ощущениеъ стянутости, засоряются поры. У маленьких детей излишне жесткая вода может вызвать дерматит, который впоследствии часто перерастает в экзему или аллергию.

Кожа головы и волосы страдают не меньше. Сухость, ломкость, быстрая загрязняемость и перхоть являются следствием использования жесткой воды. Употребление такой воды в качестве питьевой способствует отложению солей на костях и суставах, а также является одной из причин образования зубного камня. Длительное употребление в пищу такой воды способствует развитию мочекаменной болезни.

Кроме здоровья жесткость воды отражается и на кошельке. Накипь, образующаяся в бытовых нагревательных приборах и трубах отопления, обладает низкой теплопроводностью. Она препятствует выделению тепла, за счет чего нагревательные элементы перегорают, а трубы отопления остаются слегка теплыми, даже если вода в них горячая. Таким образом, растут затраты на подогрев воды, а на выходе получается почти нулевой результат. Из-за свойств воды мыло, шампуни, средства для мытья посуды и стирки хуже образуют пену, что снижает их эффективность и вынуждает использовать больший объем средств, что, в свою очередь, опять увеличивает расходы.

Несмотря на большое количество негативных качеств, у жесткой воды есть и положительные свойства. Минералы в ее составе способствуют снижению риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. Кроме того, слой солей внутри труб защищает металл от коррозии.

Польза и вред мягкой воды

Мягкая вода, несомненно, имеет больше преимуществ, чем жесткая. Употребление в пищу умягченной воды защитит организм от артрита и образования камней в полых органах, сохранит здоровье кожи, волос и зубов. Вкусовые качества еды, приготовленной с использованием мягкой воды, значительно выше. Экономия моющих средств составит 30-50% за счет хорошего пенообразования. Снизятся расходы на обогрев помещений. Использование умягченной воды защитит бытовые нагревательные приборы: электрочайники, стиральные и посудомоечные машины от поломок и исключит из семейного бюджета расходы на ремонт и покупку новой бытовой техники.

Единственным недостатком излишне умягченной воды является повышение риска развития сердечно-сосудистых заболеваний вследствие отсутствия в ней необходимых минеральных веществ для их профилактики.

Временная и постоянная жесткость

Существуют понятия временной и постоянной жесткости. Временная вызвана наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Эти соли выпадают в осадок при кипячении. Постоянная вызвана повышенной концентраций хлоридов и сульфатов кальция и магния. Они не выпадают осадком при кипячении и представляют основную угрозу для здоровья человека и исправности электроприборов.

Как измерить степень жесткости

Определить, какая вода: мягкая или жесткая, можно в домашних условиях или сдав образец на анализ на санитарно-эпидемиологическую станцию. Последний способ наиболее точен. В домашних условиях концентрацию солей жесткости можно определить с помощью хозяйственного мыла, тест-полосок и кондуктометром. Эти методы не точные, но позволяют определить примерную жесткость воды и принять решение о необходимости добавления смягчителей для стиральной и посудомоечной машин, а также использования фильтров для питьевой воды.

Способ с использованием хозяйственного мыла основан на свойстве связывания им солей жесткости. Для теста понадобится дистиллированная вода, хозяйственное мыло 60% или 72%, 0,5 литра водопроводной воды, кухонные весы. Хозяйственное мыло (1 г) нужно измельчить и растворить в небольшом количестве теплой дистиллированной воды. Мыльный раствор переливают в стакан и добавляют воду до 6 см, если мыло было взято 60%, и до 7 см - если 72%. Лучше взять цилиндрический стакан диаметром 6 см, в этом случае результат будет точнее.

Далее тонкой струйкой мыльный раствор начинают переливать в емкость с водопроводной водой постоянно помешивая. Появление устойчивой белой пены говорит о том, что все соли жесткости «связаны». Далее измеряют, сколько осталось мыльного раствора в стакане, фи отнимают от первоначальных 6-7 см.

Каждый перелитый сантиметр раствора связывает 2°dH солей. Результат в 5-8°dH свидетельствует о мягкой воде, 9-12°dH - средней жесткости. Если весь мыльный раствор был перелит, а пена так и не появилась, значит исследуемая вода жесткая или очень жесткая. В таком случает можно повторить тест с использованием меньшего количества водопроводной воды (0,25 л).

Самым простым способом определения жесткости воды в домашних условиях является метод тест-полосок. Методы могут немного отличаться в зависимости от производителя, но основной принцип заключается в сравнении цвета полоски после контакта с водой с соответствующей таблицей в инструкции.

Метод с использованием кондуктометра дает условный результат, так как прибор предназначен для измерения электропроводности воды. Чем выше электропроводность, тем больше солей растворено в воде. Точность метода зависит от температуры исследуемого образца. Определить концентрацию солей можно с помощью специальной переводной таблицы в инструкции к прибору.

Способы смягчения воды

Методы смягчения воды выбирают в зависимости от нужд. Для умягчения питьевой воды и для приготовления пищи, для купания и принятия душа, для защиты бытовых нагревательных приборов способы смягчения отличаются.

Для умягчения питьевой воды и для приготовления еды можно воспользоваться фильтром-кувшином и проточным фильтром под мойку. К сожалению, такие фильтры подходят для воды средней жесткости, если вода жесткая или очень жесткая, картридж придется менять очень часто.

Для защиты нагревательных элементов стиральной и посудомоечной машины можно применять химические смягчители на основе кальцинированной соды. Они в широком ассортименте представлены в магазинах бытовой химии. Разумеется, смягченная таким способом вода в пищу не годится.

Для умывания и принятия душа требуются большие объемы воды, поэтому следует обратить внимание на магистральные фильтры обратного осмоса и ионного обмена. Такие приборы универсальны, а очищенная с их помощью вода подойдет и для питья, и для бытовых электроприборов, и для умывания.

В фильтрах для жесткой воды на основе реакции ионного замещения используется специальный полимер - ионообменная смола. В процессе прохождения через нее воды ионы кальция и магния задерживаются, а вода обогащается ионами натрия. Бытовые модели таких фильтров обычно имеют несколько степеней очистки для очищения воды от ржавчины и иных примесей. Фильтры с ионообменными картриджами для жесткой воды популярны, благодаря эффективности и не слишком высокой цене.

Фильтры обратного осмоса - более радикальное и дорогое решение. С их помощью можно получить воду очень высокой очистки, почти дистиллированную. Принцип работы заключается в пропускании воды под высоким давлением через специальную мембрану. Пропускная способность мембраны такова, что просочится через нее могут только молекулы, имеющие размер не более молекулы воды. Однако такая вода не подойдет для аквариума, а врачи советуют употреблять в пищу воду средней жесткости для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний.

Такие фильтры обычно имеют несколько степеней очистки из-за чувствительности обратноосмотической мембраны. Модели премиум-класса на завершающем этапе обогащают воду нужными минералами для здоровья, но и стоимость таких фильтров значительно выше.

Фильтр "Гейзер"

Фильтры для жесткой воды "Гейзер" представлены во всех технических решениях: фильтры-кувшины, проточные, ионообменные и осмотические. Компания активно занимается научными разработками и в своих системах очистки использует такие инновационные материалы как арагон и каталон, которые улучшают качество очистки воды.

Компания производит картриджи универсального образца, что позволяет их без проблем заменять, если «родной» модели нет в наличии. Замена картриджей может представлять сложность из-за необходимости разбирать всю конструкцию фильтра и следить за герметичностью после сбора. Производитель гарантирует качественную работу изделий от 1 года до 5 лет, в зависимости от модели.

Фильтр "Аквафор"

Фильтры для жесткой воды "Аквафор" также имеют широкий модельный ряд: от фильтров-кувшинов до приборов обратного осмоса. Фильтры оснащают собственными исследовательскими разработками для улучшения качества воды: полым волокном, карбонблоком, акваленом. В ассортиментном ряду встречаются как стандартные модели с универсальными картриджами, однако больше фирменных конструкций с оригинальными сменными блоками. Заменить очистительные модули проще, чем в аналогичных моделях производства "Гейзер". Картриджи вставляют единым блоком, а герметичность конструкции не нарушается. Риск протечки меньше. Гарантия на фильтры производства "Аквафор" составляет 1 год.

Жесткая вода доставляет массу неудобств в повседневной жизни и оказывает негативное влияние на здоровье. Она портит кожу и волосы, оставляет известковый налет на сантехнике, накипь в чайнике и выводит из строя бытовую технику.

Для борьбы с излишней жесткостью воды применяют химическое смягчение и фильтры. Для бытовых нужд используют фильтры на основе ионного обмена и обратного осмоса. Крупные производители бытовых фильтров, компании "Гейзер" и "Аквафор", предоставляют широкий ассортимент моделей для смягчения воды. Обе компании работают примерно в одной ценовой категории, используют уникальные научные разработки, а качество воды, очищенной фильтрами их производства, находятся на стабильно высоком уровне. Конкурентная борьба между производителями играет на руку конечному потребителю и позволяет получить качественное изделие по приемлемой цене.

Основные методы умягчения воды

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

Термический метод умягчения воды

Реагентные методы умягчения воды

Технологические схемы и конструктивные элементы установок реагентного умягчения воды

Термохимический метод умягчения воды

Умягчение воды диализом

Магнитная обработка воды

Литература

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

Под умягчением воды подразумевается процесс удаления из нее катионов жесткости, т.е. кальция и магния. В соответствии с ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" жесткость воды не должна превышать 7 мг-экв/л. Отдельные виды производств к технологической воде предъявляют требования глубокого ее умягчения, т.е. до 0,05.0,01 мг-экв/л. Обычно используемые водоисточники имеют жесткость, отвечающую нормам хозяйственно-питьевых вод, и в умягчении не нуждаются. Умягчение воды производят в основном при ее подготовке для технических целей. Так, жесткость воды для питания барабанных котлов не должна превышать 0,005 мг-экв/л. Умягчение воды осуществляют методами: термическим, основанным на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживании; реагентными, при которых находящиеся в воде ионы Ca (II ) и Mg (II ) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения; ионного обмена, основанного на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы Na (I ) или Н (1) на ионы Са (II) и Mg (II ), содержащиеся в воде диализа; комбинированным, представляющим собой различные сочетания перечисленных методов.

Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями. В соответствии с рекомендациями СНиПа при умягчении подземных вод следует применять ионообменные методы; при умягчении поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды, - известковый или известково-содовый метод, а при глубоком умягчении воды - последующее катионирование. Основные характеристики и условия применения методов умягчения воды приведены в табл. 20.1.

умягчение вода диализ термический

Для получения воды для хозяйственно-питьевых нужд обычно умягчают лишь ее некоторую часть с последующим смешением с исходной водой, при этом количество умягчаемой воды Q y определяют по формуле

где Ж о. и. - общая жесткость исходной воды, мг-экв/л; Ж 0. с. - общая жесткость воды, поступающей в сеть, мг-экв/л; Ж 0. у. - жесткость умягченной воды, мг-экв/л.

Методы умягчення воды

Показатель	термический	реагентный	ионообменный
Характеристика процесса	Воду нагревают до температуры выше 100°С, при этом удаляется карбонатная и некарбонатная жесткости (в виде карбоната кальция, гидрокси-. да магния и гипса)	В воду добавляют известь, устраняющую карбонатную и магниевую жесткость, а также соду, устраняющую некарбонат - иую жесткость	Умягчаемая вода пропускается через катионито - вые фильтры	Исходная вода фильтруется через полупроницаемую мембрану
Назначение метода	Устранение карбонатной жесткости из воды, употребляемой для питания котлов низкого н среднего давления	Неглубокое умягчение при одновременном осветлении воды от взвешенных веществ	Глубокое умягчение воды, содержащей незначительное количество взвешенных веществ	Глубокое умягчение воды
Расход воды на собственные нужды		Не более 10%	До 30% и более пропорционально жесткости исходной воды
Условия эффективного применения: мутность исходной воды, мг/л			Не более 8
Жесткость воды, мг-экв/л	Карбонатная жесткость с преобладанием Са (НС03) 2, некарбонатная жесткость в виде гипса		Не выше 15
Остаточная жесткость воды, мг-экв/л	Карбонатная жесткость до 0,035, CaS 04 до 0,70		0,03.0,05 прн одноступенчатом и до 0,01 при двухступенчатом ка - тионировании	0,01 и ниже
Температура воды,°С			До 30 (глауконит), до 60 (сульфоугли)

Термический метод умягчения воды

Термический метод умягчения воды целесообразно применять при использовании карбонатных вод, идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами умягчения воды. Он основан на смещении углекислотного равновесия при ее нагревании в сторону образования карбоната кальция, что описывается реакцией

Са (НС0 3) 2 - > СаСО 3 + С0 2 + Н 2 0.

Равновесие смещается за счет понижения растворимости оксида углерода (IV), вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить оксид углерода (IV) и тем самым значительно снизить карбонатную кальциевую жесткость. Однако, полностью устранить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция хотя и незначительно (13 мг/л при температуре 18°С), но все же растворим в воде.

При наличии в воде гидрокарбоната магния процесс его осаждения происходит следующим образом: вначале образуется сравнительно хорошо растворимый (110 мг/л при температуре 18° С) карбонат магния

Mg (НСО 3) → MgC 0 3 + С0 2 + Н 2 0,

который при продолжительном кипячении гидролизуется, в результате чего выпадает осадок малорастворимого (8,4 мг/л). гидроксида магния

MgC 0 3 +H 2 0 → Mg (0H ) 2 +C 0 2 .

Следовательно, при кипячении воды жесткость, обусловливаемая гидрокарбонатами кальция и магния, снижается. При кипячении воды снижается также жесткость, определяемая сульфатом кальция, растворимость которого падает до 0,65 г/л.

На рис. 1 показан термоумягчитель конструкции Копьева, отличающийся относительной простотой устройства и надежностью работы. Предварительно подогретая в аппарате обрабатываемая вода поступает через эжектор на розетку пленочного подогревателя и разбрызгивается над вертикально размещенными трубами, и по ним стекает вниз навстречу горячему пару. Затем совместно с продувочной водой от котлов она по центрально подающей трубе через дырчатое днище поступает в осветлитель со взвешенным осадком.

Выделяющиеся при этом из воды углекислота и кислород вместе с избытком пара сбрасываются в атмосферу. Образующиеся в процессе нагревания воды соли кальция и магния задерживаются во взвешенном слое. Пройдя через взвешенный слой, умягченная вода поступает в сборник и отводится за пределы аппарата.

Время пребывания воды в термоумягчителе составляет 30.45 мин, скорость ее восходящего движения во взвешенном слое 7.10 м/ч, а в отверстиях ложного дна 0,1.0,25 м/с.

Рис. 1. Термоумягчитель конструкции Копьева.

15 - сброс дренажной воды; 12 - центральная подающая труба; 13 - ложные перфорированные днища; 11 - взвешенный слой; 14 - сброс шлама; 9 - сборник умягченной воды; 1, 10 - подача исходной и отвод умягченной воды; 2 - продувка котлов; 3 - эжектор; 4 - выпар; 5 - пленочный подогреватель; 6 - сброс пара; 7 - кольцевой перфорированный трубопровод отвода воды к эжектору; 8 - наклонные сепарирующие перегородки

Реагентные методы умягчения воды

Умягчение воды реагентными методами основано на обработке ее реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения: Mg (OH ) 2 , СаС0 3 , Са 3 (Р0 4) 2 , Mg 3 (P 0 4) 2 и другие с последующим их отделением в осветлителях, тонкослойных отстойниках и осветлительных фильтрах. В качестве реагентов используют известь, кальцинированную соду, гидроксиды натрия и бария и другие вещества.

Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарботаной жесткости, а также в случае, когда не требуется удалять из воды соли некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде раствора или суспензии (молока) в предварительно подогретую обрабатываемую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ионами ОН - и Са 2+ , что приводит к связыванию растворенного в воде свободного оксида углерода (IV) с образованием карбонатных ионов и переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные:

С0 2 + 20Н - → СО 3 + Н 2 0,НСО 3 - + ОН - → СО 3 - + Н 2 О.

Повышение в обрабатываемой воде концентрации ионов С0 3 2 - и присутствие в ней ионов Са 2+ с учетом введенных с известью приводит к повышению произведения растворимости и осаждению малорастворимого карбоната кальция:

Са 2+ + С0 3 - → СаС0 3 .

При избытке извести в осадок выпадает и гидроксид магния

Mg 2+ + 20Н - → Mg (ОН) 2

Для ускорения удаления дисперсных и коллоидных примесей и снижения щелочности воды одновременно с известкованием применяют коагуляцию этих примесей сульфатом железа (II) т.е. FeS 0 4 *7 Н 2 0. Остаточная жесткость умягченной воды при декарбонизации может быть получена на 0,4.0,8 мг-экв/л больше некарбонатной жесткости, а щелочность 0,8.1,2 мг-экв/л. Доза извести определяется соотношением концентрации в воде ионов кальция и карбонатной жесткости: а) при соотношении [Са 2+ ] /20<Ж к,

б) при соотношении [Са 2+ ] /20 > Ж к,

где [СО 2 ] - концентрация в воде свободного оксида углерода (IV), мг/л; [Са 2+ ] - концентрация ионов кальция, мг/л; Ж к - карбонатная жесткость воды, мг-экв/л; Д к - доза коагулянта (FeS 0 4 или FeCl 3 в пересчете на безводные продукты), мг/л; е к - эквивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв (для FeS 0 4 е к = 76, для FeCl 3 е к = 54); 0,5 и 0,3 - избыток извести для обеспечения большей полноты реакции, мг-экв/л.

Выражение Д к /е к берут со знаком минус, если коагулянт вводится раньше извести, и со знаком плюс, если совместно или после.

При отсутствии экспериментальных данных дозу коагулянта находят из выражения

Д к = 3 (С) 1/3 , (20.4)

где С - количество взвеси, образующейся при умягчении воды (в пересчете на сухое вещество), мг/л.

В свою очередь, С определяют, используя зависимость

Известково-содовый метод умягчения воды описывается следующими основными реакциями:

По этому методу остаточная жесткость может быть доведена до 0,5.1, а щелочность с 7 до 0,8.1,2 мг-экв/л.

Дозы извести Д и и соды Д с (в пересчете на Na 2 C 0 3), мг/л, определяют по формулам

(20.7)

где - содержание в воде магния, мг/л; Ж н. к. - некарбонатная жесткость воды, мг-экв/л.

При известково-содовом методе умягчения воды образующиеся карбонат кальция и гидроксид магния могут пересыщать растворы и долго оставаться в коллоидно-дисперсном состоянии. Их переход в грубодисперсный шлам длителен, особенно при низких температурах и наличии в воде органических примесей, которые действуют как защитные коллоиды. При большом их количестве жесткость воды при реагентном умягчении воды может снижаться всего на 15.20%. В подобных случаях перед умягчением или в процессе его из воды удаляют органические примеси окислителями и коагулянтами. При известково-содовом методе часто процесс проводят в две стадии. Первоначально из воды удаляют органические примеси и значительную часть карбонатной жесткости, используя соли алюминия или железа с известью, проводя процесс при оптимальных условиях коагуляции. После этого вводят соду и остальную часть извести и доумягчают воду. При удалении органических примесей одновременно с умягчением воды в качестве коагулянтов применяют только соли железа, поскольку при высоком значении рН воды, необходимом для удаления магниевой жесткости, соли алюминия не образуют сорбционно-активного гидроксида. Дозу коагулянта при отсутствии экспериментальных данных рассчитывают по формуле (20.4). Количество взвеси определяют по формуле

где Ж о - общая жесткость воды, мг-экв/л.

Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом, добавлением избытка реагента-осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимися осадками. При подогреве воды уменьшается растворимость СаСО 3 и Mg (OH ) 2 и более полно протекают реакции умягчения.

Бытует распространенное мнение, что воду из глубинных водоносных слоев можно употреблять в пищу без предварительной подготовки. Действительно, вода из них гораздо чище, чем из верховодки, однако, и в ней есть примеси, наличие которых может негативно отразиться на здоровье человека и работе оборудования. Чтобы подробно разобраться в вопросе, обратимся к специалистам отдела систем водоочистки компании БИИКС .

Вода - это прекрасный растворитель. Находясь в постоянном контакте с горными породами, она насыщается веществами, из которых эти породы состоят. Со временем накапливается огромное количество соединений. Состав воды зависит от типа породы, в которой проходит водоносный слой. Для Москвы и Подмосковья характерно высокое содержание карбонатных солей жесткости и соединений железа.

Длительное употребление в пищу воды повышенной жесткости приводит к отложениям конкрементов в почках (камней), при контакте кожа и волосы становятся сухими. Во время нагрева соединения выпадают в осадок, образуя твердый, плохо удаляемый налет. Приходят в негодность ТЭНы, засоряются трубы и шланги, повышается скорость износа подвижных частей оборудования.

Превышение жесткости может быть определено:

• визуально : образование налета на сантехнике и нагревательных элементах (в чайнике, на ТЭНах стиральных и посудомоечных машин, бойлеров);
• на вкус : в сравнении с бутилированной водой известной жесткости;
• по пенообразованию : в жесткой воде образуется меньше пены и расход моющих средств выше;
• в лаборатории .

Умягчение воды - это снижение концентрации солей жесткости и приведение этих показателей к рекомендованным значениям.

Нормы жесткости воды

В зависимости от концентрации солей жесткости, воду делят на:

• мягкую - содержание солей не более 2 мг-экв/л;
• нормальную - содержание солей в пределах 2 - 4 мг-экв/л;
• жесткую - содержание солей в пределах 4 - 6 мг-экв/л;
• высокой жесткости - содержание солей выше 6 мг-экв/л.

Российским стандартом, регламентирующим качество питьевой воды, установлено предельное значение концентрации солей жесткости на уровне 7,0 мг-экв/л. В то время, как ВОЗ устанавливает этот показатель на уровне 2,5 мг-экв/л, а в ЕЭС принят норматив 2,9 мг-экв/л. Таким образом, в качестве питьевой водопроводной воды в России допустима подача очень жесткой воды, с двукратным превышением рекомендаций ВОЗ.

Способы умягчения воды

Термический

Другими словами - кипячение. При повышении температуры, растворимый гидрокарбонат кальция (наиболее распространенное соединение, вызывающее жесткость) распадается на нерастворимый карбонат кальция и углекислый газ. Нерастворимая часть выпадает в осадок, газ улетучивается. Частично при кипячении уменьшается концентрация и сульфата кальция. Термический способ самый доступный в бытовых условиях, но не самый удобный и имеет низкую производительность. Кроме того, он не подходит для соединений магния.

Мембранный

Для умягчения воды таким способом используются молекулярные мембраны, которые пропускают только частицы воды, удаляя большую часть примесей (до 98%) . Так действуют фильтры обратного осмоса.

Не нужно пить загрязненную воду ради некоторых якобы полезных солей, которые в ней тоже содержатся. Намного лучше питать свой организм теми же самыми веществами, но находящимися в обычных продуктах. Собственно, человечество всю свою жизнь и берет их именно в хлебе, молоке, мясе, рыбе, овощах и фруктах. Например, в стакане молока одного лишь кальция в сотни раз больше, чем в стакане водопроводной. В некоторых случаях, для подготовки питьевой воды таким способом устанавливается минерализатор.

Химический (реагентный)

Суть способа - превратить растворимые соединения в нерастворимые. Для этого используются различные реактивы в зависимости от преобладания в воде солей того или иного типа. Для солей карбонатного типа используется известь, соединения натрия, сода и синтетические соединения, например, тринатрийфосфат. В итоге вода умягчается, но из-за присутствия реагентов в пищу употреблять ее нельзя.

Магнитный

На воду воздействуют путем наведения постоянного магнитного поля. Прохождение через магнитное поле меняет структуру солей жесткости. Молекулы перестают соединяться при нагревании и не образуют осадок, а также разрыхляют слой уже имеющейся накипи, которая растворяется в воде. Такой метод не снижает концентрацию солей, а препятствует их отложению в виде осадка. Для бытовых целей такая вода подходит хорошо: трубы, насосное оборудование и нагревательные элементы прослужат дольше. Эффективно умягчать воду можно с помощью магнитов можно только в небольших объемах и скорости потока не выше 0,5 м/с. С помощью магнитного умягчителя также снижается содержание железа.

Электромагнитный

Является усовершенствованной версией магнитного с той разницей, что избыток солей не только теряет способность выпадать в виде осадка, но и удаляется через отстойник в канализацию.

Ионообменный

Суть метода заключается в замещении ионов кальция и магния на ионы натрия, соединения которого растворимы и не оказывают негативного влияния на здоровье и оборудование.

Современные системы очистки питьевой воды нередко сочетают несколько способов, которые зависят от анализа воды из скважины. Определить, какой тип умягчителя нужен в вашей ситуации, помогут специалисты по водоочистке. Для артезианских скважин на территории Подмосковья, где преобладают карбонаты, рекомендуется установка умягчителей воды ионообменного типа.

Конструктивно устройство представляет собой пластиковый баллон, внутрь которого в виде гранул засыпается полимерная ионообменная смола, способная отдавать ионы натрия и поглощать ионы кальция и магния. Вода, поступающая в баллон, медленно проходит сквозь смолу на которой происходит реакция замещения. Когда концентрация ионов натрия в смоле падает, необходимо произвести процесс промывки и регенерации. С баллоном для этих целей соединен солевой бачок, откуда поступает раствор хлорида натрия. Процесс контролируется автоматическим блоком управления. Во время промывки подача умягченной воды прекращается, поэтому регенерация программируется на ночное время. Если разбор воды происходит непрерывно, то рекомендуется устанавливать два баллона и запускать регенерацию поочередно. Периодически, в среднем через 3-4 года, смолу необходимо менять, так как количество циклов её восстановления ограничено. Производительность системы зависит от объема загрузки в баллоне.

Статья подготовлена при участии специалистов отдела систем водоочистки сайта

4. Характеристики и свойства жесткой воды

К слабодиссоциирующим основаниям относятся гидроксиды кальция и магния. Поскольку в жесткой воде содержатся ионы Са 2+ и Mg 2+ , они участвуют в реакции гидролиза — взаимодействия с продуктами диссоциации воды:

В результате в растворе появляется избыточный водородный ион и жесткая вода «подкисляется», рН (отрицательный логарифм концентрации водородного иона) при этом снижается по сравнению с нейтральным и становится меньше 7. Чем выше ОЖ воды, тем ниже значение рН. К слабодиссоциирующим кислотам относится угольная кислота. Вода с карбонатной жесткостью содержит ионы НСО 3 - и СО 3 2- , а они участвуют в реакции гидролиза — взаимодействия с продуктами диссоциации воды:

В результате в растворе появляется избыточный гидроксильный ион, и вода с карбонатной жесткостью становится «щелочной», рН при этом повышается по сравнению с нейтральным и становится больше 7. Чем выше КЖ воды, тем выше значение рН.

Обычно в воде общая и карбонатная жесткость встречаются одновременно, но не всегда равны друг другу. Как следствие рН такой воды будет выше или ниже 7 в зависимости от соотношения карбонатной и общей жесткости.

Важной характеристикой воды является так называемая «щелочность», под которой понимают количество кислоты, способное нейтрализовать все анионы, придающие воде щелочность. На практике щелочность совпадает с карбонатной жесткостью, т.к. в результате химической реакции карбонатов и гидрокарбонатов с кислотой образуется угольная кислота, легко разлагающаяся на воду и летучее СО 2 .

Вода всегда контактирует с воздухом. В воздухе всегда содержится СО 2 (в среднем 0,046 % мас.), способный растворяться в воде, смещая равновесие реакции (6) влево и далее по цепочке смещая влево равновесие реакций (5), (4) и (3). В результате, вода в открытых водоемах, негерметичных емкостях или градирнях способна снижать рН до 6,3 за счет растворения СО 2 . Но при этом не остаются в стороне реакции (3) и (4) — реакции гидролиза ионов, создающих общую и карбонатную жесткости. Естественно, что из-за этого растворение СО 2 в жесткой воде будет происходить не так, как в дистиллированной.

При контакте воздуха с СО 2 равновесие системы «вода с ОЖ и КЖ» будет очень неустойчиво и будет постоянно смещаться в зависимости от концентрации СО 2 над раствором, растворимости СО 2 в данной многокомпонентной системе, концентрации ионов, условиями кристаллизации малорастворимых солей и, конечно, в зависимости от температуры, как одного из главных факторов, определяющих скорость химических реакций. Все это будет обусловленно постоянным смещением направления химических реакций, как это было указано в первом абзаце раздела 3.2.

4.1. Буферность жесткой воды

Необычайная подвижность системы, которую представляет собой вода с общей и карбонатной жесткостью, ее способность все время менять в зависимости от условий количественный состав компонентов, как это ни парадоксально, придают ей значительную инерционность относительно рН. В химии такую инерционность называют буферностью. Под буферностью понимают способность жесткой воды менять значение рН в достаточно узком диапазоне при значительном изменении концентрации ОЖ и КЖ. pH буферного раствора можно выразить уравнением

где pK — отрицательный логарифм константы диссоциации воды, и — равновесные концентрации гидроксильного иона и протона. В случае дистиллированной воды, как это описано в разделе 3.1., = = 10 -7 и, как следствие, lg1 = 0, а рН = рК = 7. В случае карбонатно-бикарбонатной буфферности, учитывая одновременное протекание следующих процессов диссоциации-ассоциации,

следует записать:

Напомним, что значения рК и как следствие рН ощутимо зависят от температуры и концентрации других ионов.

При соотношении : в диапазоне 1:100-100:1 бикарбонатная буферность обеспечивает изменения рН раствора в диапазоне 4,37-8,37. Аналогично при отношении : в диапазоне 1:100-100:1 карбонатная буферность обеспечивает изменение рН раствора в диапазоне 8,25-12,25. Растворимость СО 2 в жесткой воде в диапазоне изменения рН = 6-8,5 определяется в том числе величиной карбонатной жесткости (КЖ) и может быть рассчитана по аппроксимационному уравнению с ошибкой s = ±0,02 мгэкв/л:

Коэффициент множественной корреляции R2 = 0,9906.

Уравнение показывает, что растворимость углекислоты растет линейно с ростом КЖ. Это значит, что жесткая и очень жесткая вода при охлаждении в градирне достаточно интенсивно поглощает углекислоту из воздуха, что затем приводит к отложениям карбоната кальция на поверхностях теплообмена. А подпитка градирни (восполнение потерь воды за счет испарения) и постоянный контакт с воздухом — бесконечный источник образования карбонатной накипи. Логичным техническим решением в данном случае могла бы быть очистка подпиточной воды от Са 2+ и Mg 2+ (снижение ОЖ).

5. Методы и установки для снижения жесткости воды

Как следует из вышесказанного, натуральная и экологически чистая вода должна обладать определенной жесткостью. Недаром питьевую воду, соответствующую стандартам по содержанию ионов кальция и магния, можно отнести к жесткой. Главная причина, почему жесткой воде, снижению жесткости, умягчению уделяется такое большое внимание, заключается в способности гидроксидов, карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния, двойным солям этих металлов образовывать малорастворимые соединения, откладывающиеся на поверхностях теплообмена, на стенках технологического оборудования и трубопроводов, выводить из строя нагнетающие насосы. Оказывается, что умягчить воду, а в случае котлов высокого давления деминерализовать, гораздо дешевле, чем:

• проводить регулярные чистки или замену оборудования;
• иметь постоянный перерасход топлива на производство горячей воды, тепла, пара;
• загрязнять окружающую среду продуктами сгорания топлива, а особенно СО2, создающего на планете Земля парниковый эффект, благодаря которому наша планета стремительно приближается к состоянию безжизненной планеты Венеры.

Из свойств солей, обуславливающих жесткость воды, естественно вытекают методы ее умягчения, аппаратурные решения и технологические схемы.

5.1. Термическое умягчение воды

Растворимость малорастворимых солей жесткости падает с ростом температуры раствора. Лет тридцать назад автору этой статьи при составлении патентных обзоров попадалось довольно много патентов, в которых предлагалось нагреть жесткую воду, заставить кристаллизоваться (выпасть в осадок) соли жесткости, а умягченную таким образом воду использовать в технологическом процессе. Действительно, нагревая до 120-200°С очень жесткую воду, например, с общей жесткостью 17 мгэкв/л, и заставляя карбонат кальция выпадать в осадок, можно снизить как карбонатную, так и общую жесткость в 620-3700 раз. Технико-экономические проблемы, которые при этом надо решать:

• дешевое тепло;
• быстрая кристаллизация карбоната кальция желательно в объеме раствора;
• фильтрация осадка;
• очистка поверхностей оборудования для термического умягчения воды от карбоната кальция.

5.2. Химическое умягчение воды

На ТЭЦ воду, заполняющую теплотрассы и являющуюся теплоносителем, умягчают до содержания солей жесткости 1,1-1,5 мгэкв/л. Чаще всего применяются два метода химического умягчения: известковый и известково-содовый , . Другие методы умягчения, описанные в литературе, применяются гораздо реже.

Сущность химических методов очистки заключается в переводе ионов Са 2+ и Мg 2+ в соединения с ограниченной растворимостью: карбонат кальция СаСО 3 и гидроксид магния Мg(ОН) 2 . Критериями выбора конкретного метода очистки раствора являются общая жесткость сырой (неумягченной) воды, стоимость и доступность осадительных реагентов, возможность использования коагулянтов или флокулянтов.

Известковый метод (очистка суспензией гидроксида кальция, известковым молоком) применяется для умягчения «довольного жесткой» воды (см. табл. 1) и предусматривает образование гидроксида магния в соответствии с химической реакцией:

Мg 2+ + 2OH - = Mg(OH)2↓. (5)

Знак ↓ указывает, что данное соединение выпадает в осадок. При этом образование карбоната кальция с последующей кристаллизацией возможно при наличии карбонатной жесткости. При постоянном произведении растворимости за счет смещения равновесия по уравнению (5) поступающее с известковым молоком избыточное количество ионов кальция приводит к кристаллизации карбоната кальция

Са 2 + + СО 3 2- = СаСО 3 ↓. (6)

В методе скрыт парадокс: известковое молоко поставляет в жесткую воду гидроксид-ион, осаждающий магний. При этом к воде добавляется дополнительное количество иона кальция, осаждающего карбонат-ион, но загрязняющего при передозировке воду кальцием. Дозировка известкового молока становится проблемой, т.к. зависит от КЖ исходной воды (величина переменная, зависящая от углекислотного равновесия) и от ее ОЖ. Передозировка известкового молока приводит к тем же последствиям, что и недостача.

Известково-содовый метод применяется для умягчения «жесткой» и «очень жесткой» воды (см. табл. 1~8~), когда общая жесткость существенно превышает карбонатную. В этом методе очистки гидроксид магния и карбонат кальция образуются по тем же ионно-молекулярным уравнениям (5) и (6). Этот метод позволяет более глубоко очистить раствор от кальция и магния, но вынуждает при этом затрачивать дорогостоящую кальцинированную соду на очистку от кальция, внесенного в раствор вместе с известковым молоком.

Сложность решаемой задачи — химического умягчения природного раствора от загрязняющих примесей — заключается в том, что это многостадийный процесс, на каждой стадии которого протекает столько реакций (процессов), сколько в исходном растворе загрязняющих примесей. И даже больше. Естественно, что все процессы, запускаясь независимо, тем не менее взаимосвязаны. При этом у каждой реакции, у каждого процесса своя скорость протекания, своя температурная зависимость. Если к этому добавить, что все сведения о растворимости, влиянии температуры, константах реакциях и др., приведенные в справочниках, получены в равновесных условиях и системах, состоящих, как правило, только из двух компонентов— растворителя и растворенного вещества, а на практике приходится иметь дело с принципиально неравновесными процессами и многокомпонентными растворами, то точное описание и расчет химического умягчения воды кажется в принципе невозможным.

Перечислим стадии химического умягчения воды и протекающие на каждой стадии процессы.

Добавление к жесткой воде осадительных реагентов запускает химические реакции (5) и (6). Образование новых веществ в системе — гидроксида магния и карбоната кальция — создает пересыщение по этим веществам, запускает процессы зародышеобразования новых фаз (кристаллических гидрооксида магния, карбоната кальция) и роста образующихся кристаллов, т.е. процессы кристаллизации. Если в раствор добавляют коагулянт — соли железа или алюминия, идут процессы окисления двухвалентного железа до трехвалентного, гидролиза ионов с образованием гидроксидов железа или алюминия, их кристаллизация.

Как только появляется твердая поверхность, аморфная или кристаллическая, на ней адсорбируются ионы, молекулы воды и содержащиеся в растворе примеси. Образуется двойной электрический слой. Знак и величина двойного электрического слоя определяется свободной поверхностной энергией поверхности конкретной частицы, составом окружающей ее среды, концентрацией и сродством ионов и молекул к данной поверхности.

Двойной электрический слой является движущей силой процесса коагуляции. Коагуляция приводит к слипанию разнородных частиц в крупные агрегаты — флокулы. После этого суспензия, состоящая из флокул, готова к разделению на твердую и жидкую фазу, что и реализуется в гравитационном поле отстаиванием — осветлением.

Каждый из перечисленных процессов протекает со своей скоростью, по-своему реагирует на температуру. Все перечисленные процессы запускаются независимо, но взаимосвязаны через концентрацию отдельных компонентов, через балансы прихода-расхода, тепломассообмен. В результате, одним из важнейших факторов управления системой является гидродинамика — интенсивность перемешивания компонентов. Обычно на ТЭС (и на АЭС тоже) используется технологическая схема химического умягчения воды, в которой все вышеописанные многочисленные и взаимосвязанные процессы осуществляются в нижней части осветлителя —аппарата, предназначенного для гравитационного разделения твердой и жидкой фаз. Естественно, что такое техническое решение очень усложняет задачу производственного персонала по управлению процессом умягчения.

На рис. 1 приведена схема установки по химическому умягчению воды, разработанная автором этой статьи, опытно-промышленная проверка которой выполнена на Кременчугской ТЭС. В разработке сделана попытка разделить по возможности отдельные процессы, протекающие при химическом умягчении воды, за счет удаления их из нижней части осветлителя и перенос в каскад статических реакторов-смесителей . В разработке использованы некоторые технические решения, применяемые на Западе в химической промышленности и на ТЭС. Например, конструкция осветлителя, который поставляли на рынок французская фирма DEGREMONT и акционерное общество «ЭНСО-Гутцейт» (Финляндия) еще в 80-х годах ХХ столетия.

Поступающая на химическое умягчение вода без предварительной дегазации (насосы могут подсасывать воздух) проходит магнито-гидродинамический (МГД) резонатор 6, каскад реакторов 7, в каждый из которых подается определенное количество осадительного реагента, обеспечивается определенная интенсивность перемешивания и время пребывания образующейся суспензии. Естественно, что сильнокислый коагулянт — сернокислое железо —подается в последний по ходу движения жидкости реактор-смеситель. Тем самым предотвращается нецелесообразное расходование известкового молока и повышается точность дозировки коагулянта. Как следствие, только на этом достигается экономия осадительных реагентов.

Образовавшаяся суспензия вместе с воздухом поступает через струйный насос 3 в камеру воздухоотделения и созревания флокул 4, которая встроена в осветлитель 2. Воздух отделяется и удаляется через воздухоотделитель 1. Потоки в камере созревания флокул направлены так, что мелкие частицы в принципе не могут попасть на слив осветлителя. Крупные флокулы, накопленные в нижней части камеры созревания, создают шламовый фильтр, растут за счет мелких частиц и выводятся по мере укрупнения под действием силы тяжести в донную часть осветлителя. Накапливающийся шлам выводится самотеком в шламонакопитель. Умягченная вода, профильтровавшись через слой крупных флокул в донной части осветлителя, поднимается к переливу в его верхней части и далее поступает в сборник осветленной и умягченной воды.

Такая технология позволяет увеличить производительность осветлителя в два раза, снизить расход реагентов, повысить качество очистки, уменьшить объем жидких стоков, удаляемых из химцеха ТЭС в виде шлама. Но без МГДрезонатора в голове процесса эксплуатация этой технологической схемы невозможна: кристаллизующийся карбонат кальция будет откладываться на стенках статических реакторов-смесителей и трубопровода, увеличивая их гидравлическое сопротивление и затрудняя эксплуатацию.

Если из этой схемы удалить МГД-резонатор, каскад статических реакторовсмесителей и внутреннюю «начинку» осветлителя, то мы вернемся к традиционной схеме химического умягчения воды, применяемой на всех ТЭС и АЭС Советского Союза и стран СНГ.

5.3. Безреагентная водоподготовка

Безреагентная водоподготовка, или магнитная обработка воды, или магнитогидродинамический резонанс известен с 1936 г. Этот метод предотвращения отложений накипи на теплообменных поверхностях без нагрева не умягчает воду в том смысле, что не снижает ее карбонатную и общую жесткость.

Но поскольку умягчение воды не является самоцелью и метод МГД-резонанса решает главную задачу умягчения — предотвращение карбонатных отложений — о нем не стоит забывать. Главные его преимущества перед известными методами умягчения воды — дешевизна и простота в эксплуатации. МГД-резонатор надо только смонтировать и настроить. Он не требует никаких эксплуатационных затрат.

Механизм предотвращения накипеобразования на теплообменных поверхностях с помощью магнитной обработки— магнитогидродинамического резонанса — сводится к инициированию в воде структурной перестройки, фазового перехода второго рода (ФП2). В результате карбонат кальция, который обычно кристаллизуется в кристаллографической модификации кальцит, начинает кристаллизоваться в модификации арагонит. Арагонит не откладывается на теплообменных поверхностях. Более того, если отложения кальцита промывать «омагниченной водой», он переходит в арагонит, отложения разрыхляются, отслаиваются от поверхности и уносятся потоком воды.

5.4. Глубокое умягчение ионным обменом

Во многих промышленных котельных умягчение воды до норм, предъявляемых к воде теплосетей, оказывается недостаточным, если вода используется для питания котлов высокого давления, работающих при давлениях свыше 70x105 Па = 70 атм. Напомним, что это соответствует температурам кипения воды свыше 285°С. В этом случае воду деминерализуют — подвергают глубокому умягчению, удаляя не только ОЖ и КЖ, но и значительную часть примесей. Давно и широко для этих целей применяется многоступенчатый ионный обмен на базе использования синтетических органических катионообменных и анионообменных смол. В зависимости от приходящих с водой загрязнений и желаемого качества очищенной воды используют ионообменные смолы различного типа и в разных комбинациях.

5.4.1. Общие представления об ионообменных смолах

Промышленная деминерализация стала возможной только с развитием массового производства синтетических смол и появлением в продаже широкого ассортимента ионообменных смол.

Широко применявшиеся уже 40-50 лет назад ионообменные сорбенты— иониты — представляют собой твердые, нерастворимые, ограниченно набухающие в воде вещества. В основе этих ионообменных материалов лежит каркас (матрица), несущий положительный или отрицательный заряд, и подвижный противоион, заряд которого компенсирует заряд каркаса. Этот подвижный противоион как раз и способен извлечь из раствора ион такого же заряда и обменяться с ним. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты, аниониты и амфолиты. По химической природе каркаса — на неорганические, органические и минерально-органические. Иониты могут быть природными (например, цеолиты, целлюлоза, древесина, торф) и синтетическими (силикагель, алюмогель, сульфоуголь). Наиболее важными в технологии глубокого умягчения воды в последние десятилетия следует признать синтетические ионообменные смолы, ионообменные полимеры. Ионообменные смолы могут быть сильно-, среднеи слабокислыми, а также сильно-, среднеи слабоосновными.

Ионообменные сорбенты, регенерирующиеся серной кислотой и обменивающиеся на катионы раствора, относятся к сильнокислым катионообменным смолам. Анионная смола с сильным сродством к анионам угольной и кремниевых кислот обычно называется сильноосновной анионообменной смолой.

Промышленность выпускает разновидности сильноосновных анионообменных смол с высоким сродством к анионам сильных кислот: сульфатам (SO 4 2 -), хлоридам (Cl -), нитратам (NO 3 -), фосфатам (PO 4 3-) и так далее. Их называют слабоосновными анионообменными смолами.

Слабоосновные смолы не удаляют анионы угольной и кремниевых кислот, т.к. это могут делать сильноосновные смолы. И объяснение этому надо искать в разделе 3.2. этой статьи. Дело в том, что угольная и кремниевые кислоты относятся к очень слабодиссоциирующим веществам. Сродство к протону (Н +) у них гораздо выше, чем к органической матрице анионообменной смолы. Поэтому такие аниониты не используются поодиночке в производстве глубоко-умягченной воды для котлов высокого давления. Для регенерации слабоосновных смол применяется каустик более низкой концентрации. Это позволяет регенерировать их совместно с сильноосновными смолами для повышения экономичности работы анионообменного оборудования. Слабоосновная смола всегда загружается в емкость последней: в донную часть — сильноосновной анионит, над ним — слабоосновной.

Размещая слабоосновную смолу в верхней части анионообменного слоя, удается использовать ее ионообменную емкость и при этом быть уверенным, что сильноосновная смола удалит анионы угольной и кремниевых кислот.

Емкости с катионитом и анионитом в технологической схеме глубокого умягчения соединены трубопроводом так, чтобы поток из катионообменного аппарата вошел в вершину анионообменного аппарата, а выход от анионообменного аппарата направлялся в емкость умягченной воды или в аппараты тонкой очистки.

На рис. 2 представлена схема установки по глубокому умягчению (деминерализации) воды.

5.4.2. Сильнокислый катионит

Сильнокислый катионит регенерируется серной кислотой (можно использовать и соляную кислоту, но окончательный выбор диктуется ценой). Когда жесткая вода проходит через аппарат, наполненный сильнокислым катионитом, водородный ион — протон, являющийся подвижным противоионом в этом виде смолы, замещается на Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ или Fe 3+ и другие катионы, которые могут присутствовать в воде. Анионы, которые присутствуют в умягчаемой воде, с этим типом смолы не обмениваются и остаются в растворе. Протон (Н +), попадая в воду, придает ей кислую реакцию (см. раздел 3.1.), достигающую 2,0-3,0 единиц pH. Поэтому, аппарат, наполненный сильнокислым катионитом, соединительный трубопровод, емкости и запорную арматуру гуммируют, т.е. покрывают антикоррозионным слоем резины.

В обменных процессах играют роль два фактора:

• концентрация обменивающегося иона, как со стороны раствора, так и со стороны смолы;
• способность к обмену иона, присутствующего в умягчаемой воде.

По способности к обмену с сильно кислым катионитом можно выстроить катионы в следующий ряд: 1. водород; 2. кальций; 3. магний; 4. калий; 5. натрий.

В принципе, просматривается закономерность — чем больше радиус иона, тем выше его способность к обмену с протоном смолы. Если в жесткой воде одновременно присутствуют вышеперечисленные ионы в одинаковых концентрациях, то в первую очередь с подвижным противоионом Н + свежерегенерированного сильного катионита начнет обмениваться Са 2+ , причем каждый ион кальция заменит в катионите два иона водорода. Если концентрация Са 2+ снизится до некоторого порогового предела, наступит очередь Mg 2+ и какой-то период оба эти иона будут обмениваться с протоном смолы на равных.

Как правило, ионообменные аппараты представляют собой вертикальный цилиндр, заполненный смолой. Вода на умягчение поступает в верхнюю часть аппарата, омывая слои смолы и постепенно освобождаясь от ионов жесткости. Если бы мы отобрали пробы воды по высоте «сверху вниз» ионообменного аппарата, заполненного сильнокислым катионитом, то мы бы наблюдали постепенное уменьшение в воде концентрации Са 2+ , затем Mg 2+ и так далее в соответствии с вышеприведенным рядом. Но при этом в растворе все время увеличивалась бы кислотность или, что тоже самое, снижался рН.

Из вышесказанного естественно вытекает и метод контроля «срабатываемости» смолы в ионообменном аппарате. Как только в воде на выходе из аппарата появятся ионы жесткости или прекратится снижение рН, его надо переключать в режим регенерации смолы.

Помня о буферности воды с карбонатной жесткостью (см. раздел 4.1.) следует отметить, что рН воды на выходе из ионообменного аппарата может и не достигать минимальных значений 3 или 2.

В воде с карбонатной жесткостью критерием окончания процесса обмена подвижных протонов смолы служит рН = 4,3 или изменение окраски индикаторов: бромфенолового синего с синей на желтую; метилового оранжевого с желтой на красную; бромкрезолового зеленого с синей на желтую.

Нельзя допускать полного истощения обменной емкости сильнокислого катионита, т.к. тогда потребуется его двойная по продолжительности регенерация, а также из-за того, что в котлы высокого давления совершенно недопустимо попадание солей жесткости из-за потери контроля над качеством умягчения питательной воды.

При проектировании технологической линии по глубокому умягчению воды производительность установки рассчитывают исходя из обменной емкости анионообменной смолы. И этому есть две причины.

Первая: обменная емкость анионитов заметно ниже, чем обменная емкость катионитов. Эта проблема в принципе решается увеличением объема и соответственно размера загрузки анионообменного аппарата, но такое решение возможно только в узких пределах.

Вторая: недопустимо попадание в котел высокого давления кремниевых кислот, очистку от которых обеспечивают аниониты. Хотя попадание в котел кремниевых кислот менее критично, чем попадание солей жесткости, лучше сознательно заложить в проект «резерв» по производительности установки глубокого умягчения воды, чем поставить под угрозу надежность работы котлов высокого давления.

5.4.3. Снижение щелочности

Одной из неприятных составляющих воды, используемой как источник подпитки котлов, является щелочность. Под общей щелочностью воды понимают сумму концентраций ионов CO 3 2- , НCO 3 - и ОН - , т.е. всего того, что реагирует с сильной кислотой, а точнее с Н + . Особые неприятности доставляет карбонатная составляющая или карбонатная жесткость.

Как только сырая вода в технологической схеме умягчения прошла через стадию катионирования, Са 2+ или Mg 2+ обмениваются на H+, и в потоке воды появляется слабодиссоциирующие карбонат, гидрокарбонат-ионы и угольная кислота H 2 CO 3 . Эта кислота очень неустойчива. Она очень быстро разлагается на диоксид углерода (CO 2) и воду. По этой причине во многие технологические схемы глубокого умягчения включают аппарат, называемый декарбонизатором. Его размещают после ионообменных аппаратов, заполненных катионитом. Декарбонизатор представляет собой емкость, заполненную насадкой или кольцами Рашига на поддерживающей решетке. Поток воздуха от вентилятора, проходя через насадку, поднимается в верхнюю часть емкости — декарбонизатор. Вместе с ним из потока воды после аппарата с сильнокислым катионитом уносится и диоксид углерода. Вода после декарбонизатора обычно содержит 0,2 мгэкв/л CO 2 .

Декарбонизацию кислого потока можно также осуществить, пропуская кислый раствор через сильноосновной анионит, регенерируемый каустиком.

5.4.4. Слабокислый катионит

Некоторые типы вод с высокой общей и карбонатной жесткостью целесообразно обработать вначале слабокислым катионитом. Он удалит Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , а выделившийся при этом ион водорода переведет присутствующий в воде карбонат-ион в гидрокарбонат-ион, т.е. в HCO 3 - . Из-за того, что большинство промышленных источников водоснабжения содержат определенное количество некарбонатной жесткости (CaSO 4 , CaCl 2 и т.д.), необходимо вслед за аппаратом с слабокислым катионитом размещать аппарат с сильнокислым катионитом, чтобы достичь полного удаления общей жесткости.

Слабокислый и сильнокислый катиониты можно размещать в разных ионообменных аппаратах, но можно и как два отдельных слоя в одном аппарате. Эффективность регенерации слабокислого катионита очень высока по сравнению с регенерацией сильнокислого катионита. Следовательно, появляется возможность использовать поток после регенерации сильного катионита для регенерации слабого. При размещении слабокислотного и сильнокислотного катионита в одной и той же емкости, последний размещают в нижней части аппарата, т.к. удельный вес у него выше, чем у слабокислого. Это будет препятствовать смешиванию слоев при обратной промывке и взрыхлении. Обычно, слабокислый катионит в процессе обмена выделяет 40-60 % кислоты (Н +) за один цикл. Двухслойное заполнение слабым и сильным катионитом не применяется в котлах высокого давления из-за присутствия натрия в потоке, если регенерацию одного из катионитов ведут раствором хлорида натрия.

При регенерации слабокислого катионита серной кислотой необходимо строго контролировать концентрацию серной кислоты (Н 2 SO 4) и следить за тем, чтобы она не превысила 0,7 %. Более высокая концентрация серной кислоты приведет к вытеснению Ca 2+ из смолы, что вызовет кристаллизацию и осаждение сульфата кальция — гипса (CaSO 4). Гипс нерастворим во многих концентрированных кислотах. Удалять его из смолы придется только механически. Осаждение гипса неприемлемо и с эксплуатационной точки зрения, т.к. это повышает гидравлическое сопротивление оборудования.

5.4.5. Сильноосновный анионит

Задачей сильноосновного анионита является удаление слабодиссоциирующих кислот: кремниевых (H 2 SiO 3 и H 4 SiO 4) и угольной (H 2 CO 3). Кроме того, сильноосновный анионит удаляет анионы сильных кислот в потоке, выходящем из катионообменных аппаратов: сульфаты (SO 4 2+), хлориды Cl - и другие анионы. Подвижным противоионом сильноосновного анионита является OH - , который при регенерации извлекается анионитом из каустика (NaOH). В рабочем цикле гидроксильный ион OH - , вытесняясь из анионита кремниевыми или угольной кислотами и нейтрализуясь в потоке после катионообменных аппаратов водородным ионом (см. уравнение (2), образует воду.

Электропроводность воды обеспечивают катионы и анионы. В чистой воде концентрация их как продуктов диссоциации воды (см. раздел 3.1.) всего 0,0000001 моль/л.

Как следствие, электропроводность воды, вытекающей из аппарата, заполненного сильноосновным анионитом, очень низкая — около 1,9 микросименс. Именно поэтому любые скачки электропроводности будут свидетельствовать о проскоках катионов в аппаратах, предшествующих анионообменному.

Сильноосновные аниониты характеризуют двумя обменными емкостями: солевой и общей. Так называемая солевая емкость определяется способностью удалять угольную и кремневые кислоты. Общая емкость является суммой солевой обменной емкости анионита и его обменной емкостью по отношению к SO 4 2- , Cl - , NO 3 - и другим анионам.

Вода многих источников водоснабжения содержит органику. Сильноосновные аниониты адсорбируют из воды органические загрязнения. Поверхностные воды известны своей склонностью содержать железо-органические соединения. Эти соединения проскакивают через катионит, т.к. железо в них содержится не в ионной форме. Когда они достигают анионита, анионообменная смола адсорбирует целиком железо-органический комплекс. Он не удаляется в процессе регенерации, но занимает место, которое обычно занимают другие ионы. Конечный результат — уменьшение обменной емкости анионита.

Аниониты адсорбируют также другие формы органики в процессе регенерации. Адсорбирующаяся органика не только занимает обменные места, но также реагирует со смолой, меняя ее свойства. Такое видоизменение проявляется в снижении солевой емкости сильнокислых анионитов. По существу, анионит начинает терять свою способность удалять кремниевые и угольную кислоты, но демонстрирует увеличение обменной емкости при удалении анионов сильных кислот. Конечным результатом в системе водоподготовки для котлов высокого давления будет постоянное сокращение пробега между регенерациями, потому что концентрация кремниевых кислот в потоке, вытекающем из сильноосновного анионита, является главным контролируемым параметром.

Анионообменная смола может также задерживать микробиологические загрязнения. Хорошо растут на анионите грибы. Обработка раствором формальдегида — один из методов стерилизации анионитового участка технологической схемы.

5.4.6. Слабоосновный анионит

Слабоосновный анионит не в состоянии удалять ионы слабодиссоциирующих кислот — кремниевых и угольной. Однако он имеет высокую обменную емкость по отношению к анионам сильных кислот: SO 4 2 -, Cl - , NO 3 - и т.д.

Слабоосновный анионит может заменить сильноосновный в технологических схемах, включающих декарбонизатор, а также в тех случаях, когда содержание кремниевых кислот не играет решающей роли.

Возможно совместное использование двух анионитов — слабоосновного и сильноосновного, в одном аппарате. Такой вариант рекомендуется в технологических схемах, в которых отсутствует декарбонизатор после узла катионирования. В этом случае слабоосновный анионит загружают поверх сильноосновного анионита. В течение рабочего цикла следует позаботиться о том, чтобы в процессе обратной промывки эти две смолы не смешались. В конце рабочего цикла удельный вес слабоосновного и сильноосновного анионита почти одинаков, но после регенерации ощутимо отличается. Именно поэтому слабоосновный анионит следует размещать сверху — над сильноосновным.

В технологическом плане преимуществами такого размещения являются: во-первых, поток от катионитового блока попадает сначала на анионит с большой обменной емкостью; во-вторых, слабоосновные смолы также как и сильноосновный анионит поглощают органику, но органика, поглощенная ими, удаляется уже при обычной регенерации. Это помогает защищать сильноосновную смолу от необратимого органического загрязнения.

Мы описали особенности эксплуатации смол в рабочем цикле процесса глубокого умягчения сырой воды. Кроме того, рабочий цикл предусматривает стадии: промывки смолы при выводе ее на регенерацию, собственно регенерации, медленной и быстрой промывки после регенерации и взрыхления смолы.

5.4.7. Затраты на деминерализацию и регенерацию

В современных технологических схемах глубокого умягчения предусматривается автоматическое переключение последовательности выполнения операций при работе и регенерации деминерализующей системы.

Некоторые операторы требуют, чтобы в процессе регенерации было предусмотрено ручное управление каждой операцией. Это страхует от ситуаций, когда сбой в автоматизированном управлении последовательностью операций мог бы направить использованный раствор после регенерации в голову процесса, вместо того, чтобы направить его в стоки.

Начальные затраты на установку глубокого умягчения весьма высоки. В процессе эксплуатации (за вычетом оплаты труда операторов) основными затратами являются стоимость смол и реагентов. Смолы стоят очень дорого, при этом наиболее высокая цена у анионитов. Замена анионита в аппарате, содержащем 8,5 м 3 смолы, может достигать $ 40 тыс. только для одного типа смолы. Стоимость затрат на восполнения смолы в процессе эксплуатации за счет ее разрушения, потерь при обратных промывках и т.д. оценивается в 3 % в год.

В большинстве случаев для регенерации ионообменных смол применяется серная кислота концентрацией 96-97% и 50% каустик. Серная кислота стоит приблизительно $ 50 за тонну, а каустик приблизительно $ 120 за тонну. Количество кислоты и каустика, используемые на одну регенерацию, изменяются в зависимости от обменной емкости смолы.

Типичные затраты на регенерацию катионита: 0,07-0,12 т серной кислоты концентрацией 96-97 % на 1 м 3 смолы. Порядок затрат на регенерацию сильноосновных анионитов: 0,14-0,20 т 50% каустика на 1 м 3 смолы. При проектировании установки глубокого умягчения изготовители за единицу размера единицы оборудования выбирают такой, чтобы рабочий цикл производства качественной деминерализованной воды составлял приблизительно 24 часа. В некоторых случаях предусматривается сдвоенная технологическая схема, что дает возможность использовать каждую технологическую линию: одна — в работе, а другая — на регенерации. В остальных случаях в технологической схеме предусматриваются резервуары для хранения глубоко умягченной воды. Обычно полный цикл регенерации и промывки занимает несколько часов. Объем резервуара для хранения деминерализованной воды выбирается в зависимости от часовой потребности в питательной воде для котлов высокого давления (производительности) и с учетом времени регенерации смолы в установке глубокого умягчения.

5.5. Фильтрование или обратный осмос

Использование для очистки воды явлений осмоса или фильтрования через пористую перегородку с размером пор порядка молекулы началось в 60-х годах ХХ века.

Особенно перспективным именно для очистки воды оказался обратный осмос. Однако применение этой технологии в быту стало возможным относительно недавно благодаря совершенствованию процесса, конструкции аппаратов и резкому снижению себестоимости обратноосмотических мембран. В мире ежегодно устанавливаются десятки тысяч таких систем, и альтернативы им пока нет. Качество же очищенной обратноосмотическим методом воды просто поражает — свободный хлор, механические частицы, привкусы и запахи, токсичные органические вещества, тяжелые металлы, одноклеточные микроорганизмы удаляются на 96-100 %.

Единственная претензия к обратному осмосу как к одному из методов умягчения питьевой воды — слишком глубокая очистка от карбонатной и общей щелочности.

Осмосом называется самопроизвольный переход вещества через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора с различной концентрацией или раствор и чистый растворитель. В общем случае растворенное вещество из раствора с высокой концентрацией пытается перейти в раствор с низкой концентрацией. Если повысить давление в растворе с низкой концентрацией, то поток растворенного вещества прекратится. Разность давлений, прекращающая переток вещества (фильтрацию) через мембрану, называется осмотическим давлением.

Осмотические явления чрезвычайно распространены в растительном и животном мире. Осмос обеспечивает проникновение питательных веществ в клетку и вывод в межклеточную среду продуктов жизнедеятельности. Благодаря осмотическому давлению живая клетка имеет форму. Если живую клетку поместить в концентрированный раствор соли, она погибнет от избытка проникшей в нее соли.

Обратным осмосом называют метод разделения растворов. Если раствор (очищаемую воду) подать под давлением 3-8 МПа на полупроницаемую мембрану, то вода профильтруется через поры, а растворенное вещество останется. Эффективность обратного осмоса оценивают по селективности мембраны — способности удерживать ионы и молекулы разного размера, а также по удельной производительности единицы поверхности. Сегодня синтезированы полимерные мембраны с широким диапазоном размеров пор и высокой механической прочностью. Так, комплектация мембранного аппарата набором мембран с уменьшающимся по ходу движения жидкости размером пор обеспечивает получение из многокомпонентного раствора органических и неорганических соединений особо чистую воду.

5.6. Примеры использования умягчения для подготовки питьевой воды

Хотя умягчение в основном используется в промышленности для получения кондиционной воды в системах производства тепла и пара, тем не менее, бывают случаи, когда приходится применять умягчение при производстве питьевой воды.

5.6.1. Завод по обработке воды в городе Афины (штат Огайо, США)

Завод предназначен для переработки 26 500 м 3 сырой воды в сутки. Технологическая схема завода показана на рис. 3. Вода закачивается в аэратор 1 — аппарат производительностью 670 м 3 /ч для принудительной продувки воздуха через воду. Кислород воздуха окисляет железо и марганец, а сам воздух удаляет газы, которые могут содержаться в воде.

Затем вода поступает в седиментационный бассейн 2 (отстойник), объемом 350 м 3 , где приблизительно за 30 минут оседают взвешенные твердые частицы.

Вода из седиментационного бассейна 2 перетекает самотеком через серию быстрых песочных фильтров 3. Это дает возможность дополнительно удалить взвешенные, в частности, окислы железа и марганца. Фильтры 3 состоят из слоя песка толщиной 0,6 м и слоев гравия различного размера, служащего опорой песочному фильтру.

Профильтрованная вода поступает на стадию ионообменного умягчения 4. Для этой цели используются минеральные адсорбенты — цеолиты, в которых ионы кальция и магния извлекаются из воды за счет обменной адсорбции (см. раздел 5.4.1.). Затем вода с условно нулевой жесткостью смешивается с отфильтрованной водой (общая жесткость 15 гэкв/л) в смесителекондиционере питьевой воды 5 для того, чтобы получить конечную жесткость 7,5 мгэкв/л.

Воду с доведенной до нормы общей жесткостью стабилизируют по рН 50 % каустиком, который добавляется из расчета 3,0 мг/л. Дезинфекцию воды осуществляют газообразным хлором, доводя его содержание в воде до 0,8 мг/л.

Приготовленную таким образом питьевую воду хранят в концевых колодцах чистой воды 7. Концевые колодцы представляют собой емкости общим объемом 4500 м 3 . Из этих колодцев чистой воды два насоса производительностью 600 м 3 /ч и один производительностью 950 м 3 /ч перекачивают воду в емкости и резервуары, размещенные по всему городу. Общая емкость резервуаров составляет 26 000 м 3 .

5.6.2. Обратноосмотические системы компании UNIFILTER

На российском рынке успешно работает компания UNIFILTER (www.unifilter.ru), предлагающая полный спектр фильтров и систем водоочистки для квартир, домов, дач, офисов, ресторанов, баров, гостиниц, мини-производств и т.д.

Компактные бытовые системы этой компании предназначены для установки под кухонную мойку. Система состоит из блока обратного осмоса, накопительного бака для чистой воды и элементов, необходимых для подключения системы к водопроводу и канализации. Система ставится на доочистку воды, уже очищенной до уровня технической, т.е. предназначеной для подключения к трубопроводу технической воды. Выпускаются обратноосмотические системы из 3-х, 4-х и 5-и ступеней, но собственно обратноосмотическая мембрана находится только в одной из них. Остальные являются ступенями предварительной очистки. Если водоснабжение дома обеспечивается из городской водопроводной сети, то достаточно использовать только 3-ступенчатую обратноосмотическую систему очистки питьевой воды.

>>> Также читайте по теме в журнале

" мы затронули тему борьбы с солями жёсткости и накипью. В прошлой статье мы рассмотрели собственно определение слова "умячгение воды" и рассмотрели, что бывает несколько способов умягчения — физический, химический, экстрасенсорный. А также затронули одну из разновидностей химического способа умягчения воды — ионный обмен. В текущей статье "" вглядимся в химические способы более подробно.

Химические реагентные способы умягчения воды бывают разнообразными. Большую группу этих способов мы уже рассмотрели в предыдущей статье — это способы, основанные на ионном обмене, когда соли жёсткости заменяются на вдвое большее количество солей натрия с помощью ионообменного умягчителя воды . Также используются такие более менее доступные химические способы умягчения воды, которые могут быть называны реагентными способами умягчения воды:

• обработка воды содой (самой обычной кальцинированной содой) или известью,
• обработка воды полифосфатами,
• дозирование в воду разнообразных сложных соединений, называемых антискалантами (противонакипеобразователями) нового поколения.

То есть, каждый из способов предполагает использование тех или иных реагентов.

Реагентное умягчение воды содой и известью

Обработка воды известью называется известкование. При известковании в раствор добавляют гашеную известь Ca(OH)2 до рН около 10. В результате карбонатная жёсткость воды уменьшается, а некарбонатная растёт. Добавление и извести, и соды является более эффективным методом умягчения.

Полное представление о содово-известковом способе можно получить, умягчая воду для стирки с помощью кальцинированной соды (карбонат натрия). Обычно достаточно одной-двух чайных ложек без верха на ведро воды. Растворите соду в небольшом количестве воды, затем размешайте и дождитесь выпадения осадка карбонатов кальция и магния. Так умягчали воду еще в Древней Греции, добавляя в нее печную золу. Но есть один нюанс.

Реагентное умягчение воды содой и известью не применяется для подготовки питьевой воды из-за высокой щелочной реакции среды. Поэтому данный метод используется для умягчения воды для стирки и нагревательного оборудования.

Химический способ умягчения воды полифосфатами

Также для нагревательного оборудования используется технология дозирования в воду специальных веществ, которые связывают соли жёсткости. Отдельной группой среди этих веществ стоят полифосфаты, которые можно добавлять в воду без специальных дозирующих насосов.

Полифосфаты — это такие крупные белёсые кристаллы, которые помещаются в фильтр. Вода проходит через них, полифосфаты постепенно растворяются, и связывают соли жёсткости. Соответственно, соли жёсткости не образуют накипь.

Значительный минус этого типа борьбы с жёсткостью воды — вред для окружающей среды. Так, полифосфаты вредны для организма человека. И полифосфаты — удобрения. Если они попадают в водоёмы (а вся вода из города обычно оказывается именно там), то в водоёмах начинают очень сильно развиваться водоросли, радуясь удобрениям. Но слишком сильное развитие водорослей очень сильно снижает содержание кислорода в речной воде. И соответственно, гибнут речные жители — рыбы, раки и другая вкусная, но всё более редкая живность.

Соответственно, умягчение воды полифосфатами не используется для питьевой воды.

Учитывая этот антиэкологический нюанс полифосфатов, разработаны антискаланты нового поколения, которые со временем распадаются на составляющие, которые не вредят окружающей среде. Но эти вещества достаточно дороги, для их использования нужно специальное дозировачное оборудование (насос-дозатор) и мало кто в быту его использует. Основное применение — это защита труб, нагревательных приборов, мембран обратного осмоса.

Итак, химические реагентные способы умягчения воды нужны в основном для подготовки исключительно технической воды.

По материалам http://voda.blox.ua/2008/06/Kak-vybrat-filtr-dlya-vody-12.html