Жесткая вода и методы ее умягчения. Физико-химические методы умягчения воды. Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

Как известно, вода является одним из наиболее важных веществ для обеспечения жизнедеятельности нашего организма. Ведь каждый человек понимает, что без жидкости ему точно долго не протянуть. Именно поэтому, в большинстве домов оборудован водопровод, а в деревнях практикуется применение специальных колодезей. Однако качество воды, которую мы получаем из централизованных сетей либо непосредственно из воды, частенько оставляет желать лучшего. Она часто является жесткой, имея слишком высокий уровень минерализации. Чрезмерная жесткость воды способна отрицательно сказываться на нашем организме, а также на работе многих бытовых устройств в нашем доме. Но как справиться с этой проблемой своими силами?

Чаще всего жесткость воды определяется наличием в ее составе солей кальция и магния. Для того чтобы определить уровень данного показателя именно в вашей воде, стоит сдать специальные анализы, однако сделать косвенные выводы о наличии такой проблемы можно основываясь на количестве накипи внутри чайника, бойлера, а также на кипятильнике. Рассмотрим наиболее распространенные и эффективные методы, способы умягчения жесткой воды дома.

Кипячение

Данный метод носит также название термического, и он является наиболее простым и в то же время распространенным. При кипячении воды происходит распад кидрокарбоната кальция, который чаще всего вызывает ее повышенную жесткость. Это вещество распадается на углекислый газ, а также на осадок из карбоната кальция. Такой метод смягчения помогает существенно понизить содержание жестких солей в воде. Кроме того такой подход помогает решить проблему жесткости и в том случае, если ее причина кроется в сульфате кальция. Однако стоит учитывать, что кипячение не способно полностью решить проблему. Также при температурном воздействии возникает осадок и его придется удалять. Кроме того такая методика не подходит для обработки большого объема воды.

Реагентные методики

Такой способ смягчения воды подразумевает использование специальных веществ, позволяющих связывать ионы кальция и магния, превращая их в нерастворимые соединения, выпадающие в осадок. В качестве таких реагентов может использоваться известь, а также кальцинированная сода, едкий натр, некоторые синтетические реагенты либо пищевая сода.

Известь подходит для обработки воды, которая имеет в своем составе много карбонатных соединений, а также незначительную некарбонатную жесткость. При данной методике смягчения к воде вместе с данным веществом добавляют также реагенты-коагулянты.

Если жесткость воды не сильно высока, то известь можно скомбинировать с содой, а если в воде присутствует много натрия, то лучше отдать предпочтение сочетанию соды и натрия.

Что касается различных синтетических реагентов, то они обычно предназначаются для предохранения стиральных либо посудомоечных машин от накипи, вызванной жесткой водой.

Однако все описанные реагентные методики имеют множество недостатков. Так они приводят к появлению твердых отходов и чаще всего требуют особенно точной дозировки. Кроме того воду, прошедшую такую обработку нельзя пить либо применять для приготовления пищи, за исключением разве что обработки пищевой содой.

Чаще всего реагенты для смягчения требуют специально выделенного места для хранения.

Фильтры

Для смягчения воды в домашних условиях можно использовать самые разные фильтры. Они могут отличаться по методу своего действия. Так высокой популярностью пользуются сейчас мембранные системы. Они подразумевают как бы продавливание жесткой воды при помощи избыточного давления сквозь специальные полупроницаемые мембраны. Сквозь такое средство проходят лишь молекулы воды, но она задерживает всевозможные минеральные и органические примеси. Соответственно, на выход из такого фильтра идет практически дистиллированная вода. Соответственно вы получаете максимально мягкую жидкость, которая очищается от большей части возможных видов загрязнения. Однако, если вы планируете ее пить, вам придется осуществлять дополнительную минерализацию.

Есть и другие фильтры, которые содержат в себе активированный уголь и другие очищающие элементы. Они предназначены специально для обработки воды, предназначенной для питья, и активно используются в домашних условиях. Такие конструкции обычно устанавливаются в кувшины и меняются раз в один-два месяца, обеспечивая своего владельца чистой и смягченной водой.

Небольшие объемы воды

Для того чтобы смягчить воду можно также заморозить ее. Такая обработка приведет к выведению избытка солей из жидкости. После того, как большая часть воды замерзнет, стоит просто слить остаток, в котором и будут сконцентрированы вредные избыточные элементы. Полученный лед можно разморозить и использовать для умывания, а также для полива растений.

Для того чтобы легко смягчить воду в домашних условиях нужно растворить в одном литре воды десять грамм торфа либо три грамма золы. Также можно применять талую либо дождевую воду, однако такая рекомендация подойдет лишь тем, кто проживает за городом.

Рассмотрев основные возможные способы смягчения воды, можно сделать вывод, что лучше всего использовать для этих целей специальные фильтры для питьевой воды. С их помощью можно обработать достаточное количество жидкости, предназначенной для питья и для приготовления пищи.

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.

Жесткость воды определяется присутствием в ее составе определенного количества примеси растворимых солей магния и кальция.

Жесткость воды определяется количеством примеси солей кальция и магния.

Одним из главных критериев, по которым определяется качество воды, является уровень ее жесткости. Жесткость можно корректировать, используя различные методы умягчения воды.

Виды жесткости воды

Существует несколько основных видов жесткости:

1. Общая жесткость. Общую жесткость можно определить, просуммировав количество присутствующих в воде ионов кальция и магния. Эта сумма включает в себя общую и постоянную жесткость.
2. Карбонатная жесткость. Определяется по количеству карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния. Этот вид жесткости называется временным по той причине, что нейтрализовать этот эффект можно, просто прокипятив воду.
3. Некарбонатная жесткость. Считается постоянной жесткостью и кипячение воды на нее никак не влияет. Возникает она из-за присутствия в воде солей сильных кислот кальция и магния.

Умягчение воды

Естественно, что практически каждый человек задумывается над таким вопросом, как качество воды, которую он пьет.

Вода, которая поставляется в жилые дома через водопровод, проходит определенные уровни фильтрации, но зачастую их недостаточно для того, чтобы обеспечить питьевой воде необходимый уровень мягкости.

Для умягчения воды можно использовать кусок кремния.

Поэтому большинство людей предпочитают использовать дополнительные фильтры, видов которых на сегодняшний день существует очень большое количество, использующие другие методы умягчения воды.

Первым сигналом того, что вода, которую вы пьете и из которой готовите еду для семьи, жесткая, является наличие накипи в чайнике и кастрюлях, где вода кипятится.

Признаками излишней жесткости воды может стать не только накипь. При варке в такой воде овощи разваливаются, а мясо становится более жестким. На тарелках и бокалах после мытья остаются белые разводы.

Употребление излишне жесткой воды может стать причиной возникновения проблем со здоровьем.

На данный момент существуют самые разнообразные методы умягчения воды.

Умягчение воды осуществляется с помощью использования определенных приборов, задача которых очищать воду от тяжелых карбонатных солей двух видов.

Самым простым и известным издревле способом умягчения воды является помещение в емкость с жидкостью, которая будет употребляться в пищу и для питья, небольшого кусочка кремния. Размер такого кусочка должен составлять приблизительно 5 на 5 см. Его хватит для того, чтобы очистить трехлитровую банку воды за один раз. Отстаивать воду с кремнием нужно около недели.

Именно столько времени нужно этому минералу, чтобы зарядить и смягчить воду, нейтрализовав соли магния и калия.

Подходит такой способ только для бытового использования.

Основные методы умягчения воды

Умягчать воду можно разными способами. На данный момент существуют такие основные способы умягчения воды:

Физический способ. При использовании такого способа умягчения жесткости исключено использование химикатов любого вида. Этот способ очистки идеально подходит для умягчения воды, которая используется в быту – для приготовления пищи и питья.

Мембранный способ. Мембранных способов существует несколько основных методов.

Один из самых популярных подвидов мембранной очистки – обратный осмос или электродиализ. Суть этого метода заключается в том, что с помощью давления воду обессоливают. Такая вода становится пригодной для питья.

В приборе для такой очистки расположена мембрана, которая представляет собой выполненный из дорогостоящих материалов перфорированный слой в фильтре. Перфорация, то есть нанесение сквозных отверстий, выполнена с учетом размера молекулы воды. Это дает возможность задержать на поверхности мембраны любые примеси, которые превышают размер молекулы воды.

Фильтрация с помощью обратного осмоса настолько качественная, что такая вода может быть использована не только для питья, но и в различных сферах производства, к примеру, в фармакологии.

Второй способ мембранной очистки – нанофильтрация.

Нанофильтрация проводится под низким давлением. Основным преимуществом этого метода является то, что воду можно получить именно такой степени очистки и мягкости, которая необходима для тех или иных целей. А получить различные результаты очистки можно с помощью замены мембраны в фильтрующем приборе.

К основным минусам этого способа относится то, что большая часть воды, проходящей очистку, находится длительное время в приборе.

Происходит такая ситуация по той причине, что вода просачивается сквозь мембрану с небольшой скоростью. К тому же фильтров в таком приборе больше, чем один, соответственно и на прохождение каждого из них будет потрачено определенное количество времени.

В одном приборе могут быть совмещены и установлены обратный осмос, механический фильтр, а также кондиционер.

Этот метод идеально подходит для осуществления очистки воды не просто от примесей всех видов, но и различного рода бактерий. Питьевая вода в обязательном порядке должна быть очищена от бактерий.

Именно поэтому кондиционер обычно устанавливают на тех приборах, задача которых – производство воды для питья.

Однако использование такой установки в домашних условиях на данный момент является труднодоступным методом очистки.

Химический способ. Для химического метода очистки используются соответственно химические вещества. В их число входят и натрий хлор, и фосфаты.

При таком способе очистки в водопроводную трубу монтируются специальные дозаторы.

Но химический метод может быть опасен тем, что вещества, используемые для очистки, могут способствовать образованию дополнительных примесей, что в результате станет причиной нового осадка.

Ионнообменный способ. Ионный обмен является одним из самых технологически простых способов очистки и умягчения воды.

Его простота заключается в том, что для осуществления этого процесса не нужно возводить каких-либо сложных конструкций.

Работает этот метод на основе ионного обмена.

Основным элементом таких очистительных приборов является гелеобразная смола. В смоле содержится огромное количество натрия. Натрий, контактируя с жесткой водой, разменивается на кристаллы кальция и магния.

Таким образом происходит невероятно простая и быстрая очистка воды и ее умягчения.

Но бытовой картридж со смолой необходимо время от времени заменять, так как натрий имеет свойство вымываться из него.

А картриджи, используемые в промышленности, можно восстановить, используя специальный раствор. Этим раствором картридж промывают, а химические реагенты возобновляют уровень натрия.

При таком методе вода очищается очень быстро и качественно. Но назвать его недорогим или даже доступным нельзя. Ведь на картриджи нужны немалые расходы, а также на их восстановление.

Бытовые кувшины – фильтры, основанные на таком методе, обладают низкой производительностью: всего несколько литров.

Чтобы обеспечить питьевой воде достаточный уровень очистки и умягчения, необходимо дополнительно использовать еще один или несколько фильтров, основанных на других способах.

Безреагентный способ. Для того чтобы понять, что такое безреагентный способ умягчения воды, стоит рассмотреть один из самых распространенных методов – магнитное силовое воздействие.

В основе приборов такого метода очистки лежит использование постоянных магнитов усиленной мощности.

Такая установка не требует особых усилий при монтировке, а также последующего демонтажа.

Еще он невероятно легок в обслуживании и не требует никаких особенных сменных аксессуаров в виде картриджей или каких-то дополнительных очисток.

Процесс очистки происходит вследствие того, что магнитное силовое поле проходит сквозь воду особенным образом. При этом тяжелые соли, которые делают воду жесткой, изменяют свою формулу, приобретая форму иголок. Такая их форма делает возможным процесс натирания поверхностей, пораженных застарелой накипью, в результате полностью ее устраняя.

Вода, которая будет очищаться таким способом, должна быть комнатной температуры, ее течение должно быть не переменным, а постоянным, как и скорость ее движения.

Чтобы нейтрализовать минусы этого способа, к магнитному полю был добавлен электрический ток. В результате была изобретена установка, комбинирующая оба типа воздействия – электромагнитная.

Отличие бытовых умягчителей от промышленных

Самым распространенным способом является ионообменный способ умягчения.

Основным отличием промышленных приборов для очистки и умягчения воды от бытовых является то, что они имеют различную емкость баков, а дополнительно используют различные классы ионообменной смолы.

Так как все приборы нуждаются в периоде для восстановления, то и объем воды, которая может пройти через них, будет строго определенным.

В случае когда объем воды небольшой, тогда можно использовать и бытовые приборы.

Когда же речь идет о больших объемах воды, тогда имеет смысл установить дуплексные умягчители.

Представляют собой такой прибор два баллона, управление которыми осуществляется с помощью одного смежного клапана.

Называется такой прибор прибором непрерывного действия по той причине, что когда вода умягчается в одном баллоне, смола другого баллона имеет время на восстановление.

Класс ионообменной смолы тоже играет огромную роль. В бытовых умягчителях используется смола только пищевого класса, а в промышленности можно использовать разные классы смолы.

Основные методы умягчения воды

Термохимический метод умягчения воды

Умягчение воды диализом

Магнитная обработка воды

Литература

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

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) → MgC0 3 + С0 2 + Н 2 0,

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

MgC0 3 +H 2 0 → Mg (0H) 2 +C0 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

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 (P0 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. FeS0 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 (FeS0 4 или FeCl 3 в пересчете на безводные продукты), мг/л; е к - эквивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв (для FeS0 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 C0 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.

Из графика (рис. 2, а) видно, что остаточная жесткость, близкая к теоретически возможной, может быть получена только при значительном подогреве воды. Значительный эффект умягчения наблюдается при 35.40°С, дальнейший подогрев менее эффективен. Глубокое умягчение ведут при температуре выше 100° С. Большой избыток реагента-осадителя при декарбонизации добавлять не рекомендуется, так как возрастает остаточная жесткость из-за непрореагировавшей извести или при наличии в воде магниевой некарбонатной жесткости вследствие ее перехода в кальциевую жесткость:

MgS0 4 + Са (ОН) 2 = Mg (ОН) 2 + CaS0 4

Рис. 2. Влияние температуры (а) и дозы извести (б) на глубину умягчения воды известково-содовым и известковым методом

Са (0H) 2 + Na 2 C0 3 = CaC0 3 +2NaOH,

но избыток извести приводит к нерациональному перерасходованию соды, повышению стоимости умягчения воды и увеличению гидратной щелочности. Поэтому избыток соды принимают около 1 мг-экв/л. Жесткость воды в результате контакта с ранее выпавшим осадком понижается на 0,3.0,5 мг-экв/л п сравнению с процессом без контакта с осадком.

Контроль процесса умягчения воды следует осуществлять коррекцией рН умягченной воды. Когда это невозможно, его контролируют по значению гидратной щелочности, которую при декарбонизации поддерживают в пределах 0,1.0,2 мг-экв/л, при известково-содовом умягчении - 0,3.0,5 мг-экв/л.

При содово-натриевом методе умягчения воды ее обрабатывают содой и гидроксидом натрия:

Ввиду того, что сода образуется при реакции гидроксида натрия с гидрокарбонатом, необходимая для добавки в воду доза ее значительно уменьшается. При высокой концентрации гидрокарбонатов в воде и низкой некарбонатной жесткости избыток соды может оставаться в умягченной воде. Поэтому этот метод применяют лишь с учетом соотношения между карбонатной и некарбонатной жесткостью.

Содово-натриевый метод обычно применяют для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного больше некарбонатной. Если карбонатная жесткость приблизительно равна некарбонатной, соду можно совсем не добавлять, поскольку необходимое ее количество для умягчения такой воды образуется в результате взаимодействия гидрокарбонатов с едким натром. Доза кальцинированной соды увеличивается по мере повышения некарбонатной жесткости воды.

Содорегенеративный метод, основанный на возобновлении соды в процессе умягчения, применяют при подготовке воды, для питания паровых котлов низкого давления

Са (НС0 3) 2 + Na 2 C0 3 = СаС0 3 + 2NaHC0 3 .

Гидрокарбонат натрия, попадая в котел с умягченной водой, разлагается под влиянием высокой температуры

2NаHC0 3 = Na 2 C0 3 + Н 2 0 + С0 2 .

Образующаяся при этом сода вместе с избыточной, введенной вначале в водоумягчитель, тут же в котле гидролизует с образованием гидроксида натрия и оксида углерода (IV), который с продувочной водой поступает в водоумягчитель, где используется для удаления из умягчаемой воды гидрокарбонатов кальция и магния. Недостаток этого метода состоит в том, что образование значительного количества СО 2 в процессе умягчения вызывает коррозию металла и повышение сухого остатка в котловой воде.

Бариевый метод умягчения воды применяют в сочетании с другими методами. Вначале вводят барий содержащие реагенты в воду (Ва (ОН) 2 , ВаСО 3 , ВаА1 2 0 4) для устранения сульфатной жесткости, затем после осветления воды ее обрабатывают известью и содой для доумягчения. Химизм процесса описывается реакциями:

Из-за высокой стоимости реагентов бариевый метод применяют очень редко. Для подготовки питьевой воды из-за токсичности бариевых реагентов он непригоден. Образующийся сульфат бария осаждается очень медленно, поэтому необходимы отстойники или осветлители больших размеров. Для ввода ВаС03 следует использовать флокуляторы с механическими мешалками, поскольку ВаСО 3 образует тяжелую, быстро осаждающуюся суспензию.

Необходимые дозы бариевых солей, мг/л, можно найти, пользуясь выражениями: гидроксида бария (продукт 100% -ной активности) Д б =1,8 (SO 4 2-), алюмината бария Д б =128Ж 0 ; углекислого бария Д в = 2,07γ (S0 4 2-);

Углекислый барий применяют с известью. Путем воздействия углекислоты на карбонат бария получают бикарбонат бария, который и дозируют в умягчаемую воду. При этом дозу углекислоты, мг/л, определяют из выражения: Д уг. = 0,46 (SO 4 2-); где (S0 4 2-) - содержание сульфатов в умягчаемой воде, мг/л; γ=1,15.1,20 - коэффициент, учитывающий потери углекислого бария.

Оксалатный метод умягчения воды основан на применении оксалата натрия и на малой растворимости в воде образующегося оксалата кальция (6,8 мг/л при 18° С)

Метод отличается простотой технологического и аппаратурного оформления, однако, из-за высокой стоимости реагента его применяют для умягчения небольших количеств воды.

Фосфатирование применяют для доумягчения воды. После реагентного умягчения известково-содовым методом неизбежно наличие остаточной жесткости (около 2 мг-экв/л), которую фосфатным доумягчением можно снизить до 0,02-0,03 мг-экв/л. Такая глубокая доочистка позволяет в некоторых случаях не прибегать к катионитовому водоумягчению.

Фосфатированием достигается также большая стабильность воды, снижение ее коррозионного действия на металлические трубопроводы и предупреждаются отложения карбонатов на внутренней поверхности стенок труб.

В качестве фосфатных реагентов используют гексаметафос - фат, триполифосфат (ортофосфат) натрия и др.

Фосфатный метод умягчения воды при использовании три - натрийфосфата является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса умягчения воды тринатрийфосфатом описывается реакциями

Как видно из приведенных реакций, сущность метода заключается в образовании кальциевых и магниевых солей фосфорной кислоты, которые обладают малой растворимостью в воде и поэтому достаточно полно выпадают в осадок.

Фосфатное умягчение обычно осуществляют при подогреве воды до 105.150° С, достигая ее умягчения до 0,02.0,03 мг-экв/л. Из-за высокой стоимости тринатрийфосфата фосфатный метод обычно используется для доумягчения воды, предварительно умягченной известью и содой. Доза безводного тринатрийфосфата (Д ф; мг/л) для доумягчения может быть определена из выражения

Д Ф =54,67 (Ж ОСТ + 0,18),

где Ж ост - остаточная жесткость умягченной воды перед фосфатным доумягчением, мг-экв/л.

Образующиеся при фосфатном умягчении осадки Са 3 (Р0 4) 2 и Mg 3 (P0 4) 2 хорошо адсорбируют из умягченной воды органические коллоиды и кремниевую кислоту, что позволяет выявить целесообразность применения этого метода для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления (58,8.98,0 МПа).

Раствор для дозирования гексаметафосфата или ортофосфата натрия с концентрацией 0,5-3% приготовляют в баках, количество которых должно быть не менее двух. Внутренние поверхности стенок и дна баков должны быть покрыты коррозионноустойчивым материалом. Время приготовления 3% -ного раствора составляет 3 ч при обязательном перемешивании мешалочным или барботажным (с помощью сжатого воздуха) способом.

Технологические схемы и конструктивные элементы установок реагентного умягчения воды

В технологии реагентного умягчения воды используют аппаратуру для приготовления и дозирования реагентов, смесители, тонкослойные отстойники или осветлители, фильтры и установки для стабилизационной обработки воды. Схема напорной водоумягчительной установки представлена на рис. 3

Рис. 3. Водоумягчительная установка с вихревым реактором.

1 - бункер с контактной массой; 2 - эжектор; 3, 8 - подача исходной и отвод умягченной воды; 4 - вихревой реактор; 5 - ввод реагентов; 6 - скорый осветлительный фильтр; 9 - сброс контактной массы; 7 - резервуар умягченной воды

В этой установке отсутствует камера хлопьеобразования, поскольку хлопья осадка карбоната кальция формируются в контактной массе. При необходимости воду перед реакторами осветляют.

Оптимальным сооружением для умягчения воды известковым или известково-содовым методами является вихревой реактор (спирактор напорный или открытый) (рис. 20.4). Реактор предоставляет собой железобетонный или стальной корпус, суженный книзу (угол конусности 5.20°) и наполненный примерно до половины высоты контактной массой. Скорость движения воды в нижней узкой части вихревого реактора равна 0,8.1 м/с; скорость восходящего потока в верхней части на уровне водоотводящих устройств - 4.6 мм/с. В качестве контактной массы применяют песок или мраморную крошку с размером зерен 0,2.0,3 мм из расчета 10 кг на 1 м3 объема реактора. При винтовом восходящем потоке воды контактная масса взвешивается, песчинки сталкиваются друг с другом и на их поверхности интенсивно кристаллизируется СаСО 3 ; постепенно песчинки превращаются в шарики правильной формы. Гидравлическое сопротивление контактной массы составляет 0,3 м на 1 м высоты. Когда диаметр шариков увеличивается до 1,5.2 мм, крупную наиболее тяжелую контактную массу выпускают из нижней части реактора и догружают свежую. Вихревые реакторы не задерживают осадка гидроксида магния, поэтому их следует применять совместно с установленными за ними фильтрами только в тех случаях, когда количество образующегося осадка гидроксида магния соответствует грязеемкости фильтров.

При грязеемкости песчаных фильтров, равной 1.1,5 кг/м 3 , и фильтроцикле 8 ч допустимое количество гидроксида магния составляет 25.35 г/м 3 (содержание магния в исходной воде не должно превышать 10.15 г/м 3). Возможно применение вихревых реакторов и при большем содержании гидроксида магния, но при этом после них необходимо устанавливать осветлители для выделения гидроксида магния.

Расход свежей контактной массы, добавляемой с помощью эжектора, определяют по формуле G = 0,045QЖ, где G - количество добавляемой контактной массы, кг/сут; Ж - удаляемая в реакторе жесткость воды, мг-экв/л; Q - производительность установки, м 3 /ч.

Рис. 4. Вихревой реактор.

1,8 - подача исходной и отвод умягченной воды: 5 - пробоотборники; 4 - контактная масса; 6 - сброс воздуха; 7 - люк для загрузки контактной массы; 3 - ввод реагентов; 2 - удаление отработавшей контактной массы

В технологических схемах реагентного умягчения воды с осветлителями вместо вихревых реакторов применяют вертикальные смесители (рис. 5). В осветлителях следует поддерживать постоянную температуру, не допуская колебаний более 1°С, в течение часа, поскольку возникают конвекционные токи, взмучивание осадка и его вынос.

Подобную технологию применяют для умягчения мутных вод, содержащих большое количество солей магния. В этом случае смесители загружают контактной массой. При использовании осветлителей конструкции Е.Ф. Кургаева, смесители и камеры хлопьеобразования не предусматривают, поскольку смешение реагентов с водой и формирование хлопьев осадка происходят в самих осветлителях.

Значительная высота при небольшом объеме осадкоуплотнителей позволяет применять их для умягчения воды без подогрева, а также при обескремнивании воды каустическим магнезитом. Распределение исходной воды соплами обусловливает ее вращательное движение в нижней части аппарата, что повышает устойчивость взвешенного слоя при колебаниях температуры и подачи воды. Смешанная с реагентами вода проходит горизонтальную и вертикальную смесительные перегородки и поступает в зону сорбционной сепарации и регулирования структуры осадка, что достигается изменением условий отбора осадка по высоте взвешенного слоя, создавая предпосылки для получения его оптимальной структуры, улучшающей эффект умягчения и осветления воды. Проектируют осветлители так же, как и для обычного осветления воды.

При расходах умягчаемой воды до 1000 м 3 /сут может быть применена водоочистная установка типа "Струя". Обрабатываемая вода с добавленными к ней реагентами поступает в тонкослойный отстойник, затем на фильтр.

В Институте горного дела Сибирского отделения РАН разработана безреагентная электрохимическая технология умягчения воды. Используя явление подщелачивания у анода и подкисления у катода при пропускании постоянного электрического тока через водную систему, можно представить реакцию разряда воды следующим уравнением:

2Н 2 0 + 2е 1 → 20Н - + Н 2,

где е 1 - знак, указывающий на способность солей жесткости диссоциировать на катионы Ca (II) и Mg (II).

В результате протекания этой реакции концентрация гидроксильных ионов возрастает, что вызывает связывание ионов Mg (II) и Ca (II) в нерастворимые соединения. Из анодной камеры диафрагменного (диафрагма из ткани типа бельтинг) электролизера эти ионы переходят в катодную за счет разности потенциалов между электродами и наличия электрического поля между ними.

На рис. 6 показана технологическая схема установки для умягчения воды электрохимическим способом.

Производственная установка была смонтирована в районной котельной, испытания которой длились около двух месяцев. Режим электрохимической обработки оказался устойчивым, осадка в катодных камерах не наблюдалось.

Напряжение на подводящих шинах составляло 16 В, суммарный ток 1600 А. Общая производительность установки - 5 м3/ч, скорость движения воды в анодных камерах 0,31 н-0,42 м/мин, в зазоре между диафрагмой и катодом 0,12-0,18 м/мин.

Рис. 5. Установка нзвестково-содового умягчения воды.1,8 - подача исходной и отвод умягченной воды; 2 - эжектор; 3 - бункер с контактной массой; 5 ввод реагентов; 6 - осветлитель со слоем взвешенного осадка; 7 - осветлительный скорый фильтр; 4 - вихревой реактор

Рис. 6. Схема установки электрохимического умягчения воды I - выпрямитель ВАКГ-3200-18; 2 - диафрагменный электролизер; 3, 4 - аналит и каталит; 5 - насос; 6 - рН-метр; 7 - осветлитель со слоем взвешенного осадка; 8 - осветлительный скорый фильтр; 9 - сброс в канализацию; 10, 11 - отвод умягченной и подача исходной воды; 12 - расходомер; 13 - вытяжной зонт

Установлено, что из воды с Ж о = 14,5-16,7 мг-экв/л получают анолит с жесткостью 1,1 - 1,5 мг-экв/л при рН = 2,5-3 и католит с жесткостью 0,6-1 мг-экв/л при рН=10,5-11. После смешения отфильтрованных анолита и католита показатели умягченной воды были следующими: общая жесткость Ж о составляла 0,8-1,2 мг-экв/л, рН = 8-8,5. Затраты электроэнергии составили 3,8 кВт*ч/м 3 .

Химическим, рентгеноструктурным, ИК-спектроскопическим и спектральным анализами установлено, что в осадке преимущественно содержатся CaC0 3 , Mg (OH) 2 и частично Fe 2 0 3 *Н 2

Вод - вынужденное и дорогостоящее мероприятие, представляющее собой довольно сложную задачу, связанную с большим разнообразием загрязняющих веществ и появлением в их составе новых соединений.Методы очистки вод можно разделить на 2 большие группы: деструктивные и регенеративные. В основе деструктивных методов лежат процессы разрушения загрязняющих веществ. Образующиеся продукты распада удаляются...

Производится через среднее и верхнее сборно-распределительное устройства за счет направления части отработанного регенерационного раствора или подачи исходной воды по контуру рециркуляции. 1. ВИДЫ ФИЛЬТРОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ СТРОЕНИЯ Ионитные фильтры классифицируются в зависимости от принципа действия, а также от целей, преследуемых при прохождении воды через них. 1.1 Фильтры ФИПа, ...

Виды жесткости. Способы умягчения воды

Катионы Ca 2+ обусловливают кальциевую жесткость, а катионы Mg 2+ - магниевую жесткость. Общая жесткость складывается из кальциевой и магниевой, т.е. из суммарной концентрации в воде катионов Ca 2+ и Mg 2+ .

Под умягчением воды понимают либо устранение, либо уменьшение ее жесткости. Главным образом оно заключается в полном или частичном удалении из нее катионов Ca 2+ , Mg 2+ и Fe 2+ . Существует три основных способа умягчения воды: термическая обработка, химическая обработка, ионный обмен.

1. Термическая обработка

Суть способа заключается в предварительном нагревании воды до 70-80 ° С или ее кипячении. При этом катионы Ca 2+ , Mg 2+ осаждаются в виде малорастворимых соединений.

По отношению к процессам умягчения воды различают жесткость карбонатную и некарбонатную .

Карбонатной называют жесткость, вызванную присутствием в воде гидрокарбонатов кальция Ca (HCO 3 ) 2 и магния Mg (HCO 3 ) 2 . При кипячении гидрокарбонаты разрушаются, а образующиеся малорастворимые карбонаты выпадают в осадок, и общая жесткость воды уменьшается на величину карбонатной жесткости. Поэтому карбонатную жесткость также называют временной .

При кипячении катионы кальция осаждаются в виде карбоната кальция :

Ca 2+ + 2HCO 3 2- = CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2 ,

а катионы магния - в виде основного карбоната или в виде гидроксида магния (при рН>10.3):

2Mg 2+ + 2HCO 3 - + 2OH - = (MgOH) 2 CO 3 ↓ + H 2 O + CO 2

гидроксид-ионы OH - образуются за счет взаимодействия ионов HCO 3 - с водой:

HCO 3 - + H 2 O ↔ H 2 CO 3 + OH -

Остальная часть жесткости, сохраняющаяся после кипячения воды, называется некарбонатной . Она определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот: сульфатов, хлоридов, нитратов . При кипячении эти соли не удаляются, поэтому некарбонатную жесткость также называют постоянной .

2. Химическая обработка.

Умягчение воды также может быть достигнуто обработкой различными химическими веществами. Так, карбонатную жесткость можно устранить добавлением гашеной извести

Ca 2+ + 2 HCO 3 - + Ca 2+ + 2 OH - = 2 CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O

Mg 2+ + 2HCO 3 2- + 2Ca 2+ + 4OH - = Mg(OH) 2 ↓ + 2CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O

При одновременном добавлении извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жесткости (известково-содовый способ ). Карбонатная жесткость при этом устраняется известью, а некарбонатная - содой:

Ca 2+ + CO 3 2-+ = CaCO 3 ↓;

Mg 2+ + CO 3 2-+ = MgCO 3

MgCO 3 + Ca 2+ + 2 OH - = Mg (OH ) 2 ↓ + CaCO 3 ↓

Эффективным средством для умягчения воды служит полифосфат натрия Na 5 P 3 O 10 . В этом случае связывание ионов Ca 2+ и Mg 2+ осуществляется за счет образования хорошо растворимых в воде хелатных комплексных соединений:

P 3 O 10 5- + Ca 2+ = 3-

P 3 O 10 5- + Mg 2+ = 3-

3. Ионный обмен

Применяются и другие способы устранения жесткости воды, среди которых один из наиболее современных основан на применении катионитов - катионитный способ . Имеются твердые вещества, которые содержат в своем составе подвижные ионы, способные обмениваться на ионы внешней среды. Они получили название ионитов .

Иониты делятся на две группы. Одни из них обменивают свои катионы на катионы среды и называются катионитами , другие обменивают свои анионы и называются анионитами . Иониты не растворяются в растворах солей, кислот и щелочей.

Из неорганических ионитов наибольшее значение имеют цеолиты - алюмосиликаты сложного состава, имеющие кристаллическое строение. Например, алюмосиликат состава Na 2 O ∙ Al 2 O 3 ∙4 SiO 2 ∙ m H 2 O имеет пространственную решетку, образованную атомами Al , Si и O . Решетка пронизана полостями, в которых размещаются молекулы воды и ионы Na + . Последние, обладая определенной свободой перемещения, замещаются на ионы Ca 2+ и Mg 2+ при пропускании воды через слой зерен (гранул) цеолита.

Более совершенны ионообменные смолы , получаемые на основе синтетических полимеров. Они обладают одновременно высокими эксплуатационно-техническими характеристиками и разнообразными физико-химическими свойствами.

Для устранения жесткости воды применяют катиониты . Их состав условно можно выразить общей формулой Na 2 R , где Na + - весьма подвижный катион, а R 2- - частица катионита, несущая отрицательный заряд.

Если пропускать воду через слои катионита, то ионы натрия будут обмениваться на ионы кальция и магния:

Ca 2+ + Na 2 R = 2Na + + CaR;

Mg 2+ + Na 2 R = 2 Na + + MgR

Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, жесткость при этом устраняется.

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит перестает работать - утрачивает способность умягчать воду. Однако любой ионит легко подвергается регенерации. Для этого через катионит пропускают концентрированный раствор NaCl (Na 2 SO 4 ) или HCl (H 2 SO 4 ). При этом ионы Ca 2+ и Mg 2+ выходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na + или H + .

4. Физические методы устранения жесткости

Для умягчения воды применяются также методы, основанные на физических явлениях.

Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обуславливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.

Магнитно-ионизационный метод также использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля. Для увеличения в воде количества ионов ее предварительно облучают ионизирующим излучением.

Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворенных веществ и их объединение в более крупные частицы, которые выпадают в осадок.

Ультразвуковая обработка воды также приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка.

Е.А. Нуднoва, И.Н. Аржaнова