Проблема жесткой воды знакома как городским жителям, так и тем, кто проживает за городом и пользуется водой из скважины или колодца.

Практически вся вода из водопровода имеет в своем составе соли магния и кальция. Именно они отвечает за такой показатель, как жесткость. Чем выше их концентрация, тем жестче жидкость.

Переизбыток солей не только вреден для организма, но и опасен для сантехники, бытовых приборов, труб. Зарастание солями поверхностей изнутри снижает теплоотдачу, приводит к быстрой поломке техники.

По степени жесткости воду делят на:

• мягкую,
• среднюю,
• жесткую,
• сверхжесткую.

Мягкую можно получить только из скважины большой глубины, средняя бежит из наших кранов, а последние две встречаются практически повсеместно и доставляют немало хлопот.

Жесткая вода:

• приводит к отложению камней в суставах и почках,
• вынуждает использовать больше порошка и моющих средств,
• приводит к поломкам различных элементов оборудования, запорной арматуры.

Справиться с проблемой помогут фильтры умягчители . Они заменяют ионы магния и кальция на безопасные ионы натрия.

Современные системы умягчения воды помогут решить проблему эффективно и быстро.

Существует несколько способов сделать воду мягче. Самый простой — кипячение, но полностью избавиться от солей это не поможет.

Раньше в воду добавляли кальцинированную соду или известь, сегодня применяют ортофосфат натрия. Но данный способ требует наличия большого резервуара, постоянного пополнения реагента, утилизацию отходов, а для использования в домашних условиях это совсем неудобно.



Гораздо практичнее и эффективнее ионообменные фильтры, которые могут снизить концентрацию солей до 0,01 мг/л.

Еще один популярный вид фильтров — электромагнитный. В основе его действия – это электромагнитные волны, которые заставляют кристаллы соли изменить свою форму, и жидкость становится мягче.

Качественный фильтр умягчения воды для дачи должен отвечать следующим требованиям:

• иметь возможность технологической промывки, чтобы не допускать быстрого засорения ячеек фильтра (обычно данному требованию соответствуют магистральные фильтры грубой очистки),
• не содержать полифосфаты и другие реагенты (специалисты не рекомендуют использовать реагентные методы для получения питьевой воды),
• работать бесперебойно без контроля с вашей стороны,
• иметь экономный расход электроэнергии.

Последним двум требованиям соответствуют электромагнитные фильтры, уверенно набирающие популярность в России.

Но прежде чем принять решение об установке того или иного оборудования, рекомендуется провести анализ жидкости и обратиться к специалистам, которые подберут оптимальный фильтр умягчения для коттеджа исходя из ваших потребностей и особенностей дома и источника.

Умягчить воду - значит удалить из нее кальций и магний. Об­щая жесткость воды, подаваемой водопроводами для хозяйствен­но-питьевых нужд, не должна превышать 7 мг-экв/дм3, а в особых случаях, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологичес­кой службы, не более 10 мг-экв/дм3. Норма жесткости питатель­ной воды парогенераторов может достигать 0,05 мг-экв/дм3. В за­висимости от качества исходной воды и требуемого эффекта сни­жения жесткости применяют реагентный, термохимический, ионитовый методы умягчения или различные комбинации их.

Реагентное умягчение. Реагентные методы основаны на способ­ности катионов Са2+ и Mg2+ образовывать нерастворимые и мало­растворимые соединения при обработке воды реагентами. В ка­честве реагентов наиболее часто используются известь и сода.

Декарбонизация воды только известкованием применяется в тех случаях, когда требуется одновременное снижение жесткости и щелочности воды.

Известь совместно с содой применяют для умягчения воды, в которой кальций и магний содержатся в сочетании с анионами сильных кислот.

Теоретический предел умягчения воды определяется раствори­мостью карбоната кальция и гидроксида магния. Растворимость карбоната кальция в монорастворе при температуре 0°С равна 0,15 мг-экв/дм3, а при температуре 80°С - 0,03 мг-экв/дм3; для гидроксида магния - соответственно 0,4 и 0,2 мг-экв/дм3.

Как СаС03, так и Mg(OH)2 обладают способностью образовы­вать пересыщенные растворы, которые лишь весьма медленно приближаются к равновесному состоянию даже при контакте с твердой фазой образующегося осадка. На практике нецелесообраз­но длительно выдерживать воду в водоумягчительных аппаратах до наступления равновесного состояния. Поэтому вода, умягчен­ная известкованием (если жесткость вся карбонатная) или извест - ково-содовым методом, обычно имеет остаточную жесткость не менее 0,5-1 мг-экв/дм3.

Глубина умягчения зависит от наличия в обработанной воде избытка осаждаемых ионов и осадительных реагентов. Так, при 40°С, солесодержании воды до 800 мг/дм3, наличии в ней ионов Са2+ в количестве 0,7-1,0; 1-3 и > 3 мг-экв/дм3 остаточная кар­бонатная жесткость в отсутствие замедлителей кристаллизации обычно не превышает 0,5-0,8; 0,6-0,7 и 0,5-0,6 мг-экв/дм3 соот­ветственно, а < 1,2; Щгидр < 0,4 и Жо6щ < 1,0 мг-экв/дм3. При солесодержании 800-2000 мг/дм3 Щ0бЩ = 2,0-2,2 мг-экв/дм3, Щгидр < 0,5-0,8 мг-экв/дм3 и Жобщ < 2,0 мг-экв/дм3. Здесь в под­строчнике «общ» и «гидр» обозначают соответственно «общая» и «гидратная».

Следует отметить, что вода, умягченная известкованием или известково-содовым методом, как правило, пересыщена карбона­том кальция и характеризуется очень высоким рН. Поэтому для увеличения точности дозировки реагентов необходимо в допол­нение к автоматическому регулированию пропорционально рас­ходу обрабатываемой воды корректировать дозу еще и по рН. Воз­можна также корректировка дозы в зависимости от электропро­водности обработанной воды, если содержание SO^, СГ и NO3 стабильно и невелико. При небольших колебаниях дозировки из­вести Mg2+ играет буферную роль: с увеличением дозировки из­вести повышается количество Mg2+, переводимого в осадок (ухуд­шая тем самым его свойства), при сохранении щелочности умяг­ченной воды примерно на постоянном уровне.

Контроль за процессом умягчения осуществляется по вели­чине рН, которая должна быть > 10 из-за необходимости уда­ления из воды Mg2+, или, что менее точно, по величине гид - ратной щелочности, рассчитываемой на основе титрования проб воды кислотой в присутствии индикаторов фенолфталеина и метилоранжа.

Необходимо отметить, что контроль процесса реагентного умягчения воды может осуществляться и по ее электропроводно­сти. При введении в воду извести и переходе бикарбонатов в кар­бонаты, выпадающие в осадок, электропроводность обрабатыва­емой воды изменяется. В соответствии с кривой кондуктометри - ческого титрования в момент полной нейтрализации солей карбонатной жесткости электропроводность достигает минималь­ного значения. При дальнейшем увеличении добавок реагента электропроводность повышается вследствие избытка реагента. Таким образом, оптимальная доза известкового молока, вводимого в умягчаемую воду, характеризуется минимальным значением электропроводности воды.

С повышением температуры воды ускоряются химические ре­акции и кристаллизация осадков СаС03 и Mg(OH)2. Колебания температуры ухудшают условия осаждения.

Коагуляция улучшает осаждение осадков СаС03 + Mg(OH)2. Из-за-высокого рН умягчаемой применяют только коагулян­ты вй основе железа и алюминат натрия. На 1 моль FeS04 необ­ходимо наличие в воде 4 мг 02.

Попадание в осветлитель воздуха приводит к взмучиванию и выносу осадка с умягчаемой водой. Пересыщение воды воздухом можно установить, определяя йодометрическим способом содер­жание кислорода в воде после воздухоотделителя и сравнивая по­лученные результаты с табличными для данных температур.

Термохимическое умягчение заключается в подогреве воды выше 100°С и применении извести и соды, реже - едкого натрия и соды. В результате термохимического умягчения кальциевая жесткость может быть снижена до 0,2 мг-экв/дм3, а магниевая - до 0,1 мг-экв/дм3. Термохимический метод часто сочетают с фосфатным доумягчением воды. В качестве фосфатных реагентов используют ди - или тринатрийфосфат. В результате фосфатного доумягчения можно получить воду с остаточной жесткостью 0,04-0,05 мг-экв/дм3.

Сульфатную жесткость устраняют карбонатом, гидроксидом или алюминатом бария.

Для обеспечения правильного проведения описанных выше процессов умягчения воды необходим соответствующий аналити­ческий контроль. Рекомендуемые анализы и частота их выполне­ния приведены в табл. 1.7.

Полезным руководством для обеспечения хорошего эффекта умягчения могут служить следующие правила: 1) гидратная ще­лочность должна превышать магнезиальную жесткость примерно на 0,4 мг-экв/дм3 при процессе без подогрева и на 0,2 мг-экв/дм3 при процессе с подогревом; 2) карбонатная щелочность должна превышать кальциевую жесткость примерно на 1,2 мг-экв/дм3 при процессе без подогрева и примерно на 0,8 мг-экв/дм3 при процессе с подогревом.

Так как некоторые малорастворимые соли при длительном хранении могут выпасть в осадок, a NaOH переходит в Na2C03, то не следует пользоваться данны­ми усредненных проб умягчаемой воды.

Также из-за наличия проскоков суспензии СаС03 и Mg(OH)2 в умягченную воду ее необходимо дополнительно профильтровать через дробленый антрацит. Кварцевый песок в этом случае явля­ется нежелательным материалом в связи с тем, что он может обо­гащать воду соединениями кремниевой кислоты.

Ионитовое умягчение. Оно осуществляется главным образом с применением Na+-, Н+- и NHj-форм.

В процессе умягчения воды Na-катионированием содержание кальция и магния в воде может быть снижено до весьма малых значений. Общая щелочность при этом не изменится, сухой ос­таток несколько возрастает в результате замещения в воде одного иона кальция, имеющего молекулярную массу 40,08, на два иона натрия (масса 2 х 22,99 = 45,98).

Вода Показатели качества воды Периодичность анализов Обязательные Дополнительные Исходная Свободная углекислота, общая жесткость, каль­ций, магний, общая ще­лочность Сульфаты, сухой оста­ток, рН, кремний, хло­риды Не реже 1 раза в неде­лю, а жесткость и ще­лочность - ежедневно Умягченная Известково-содовое умягчение Общая жесткость, рН, щелочность общая и по фенолфталеину, взве­шенные вещества Сульфаты, сухой оста­ток, кальций, магний, кремний. алюминий, хло­риды Для аппаратов пери­одического действия - при каждой новой дозе реагентов; для аппара­тов непрерывного дейст­вия - ежедневно, хотя может потребоваться и более частое проведе­ние анализа, если ка­чество исходной воды существенно меняется Фосфатное умягчение с подогревом Общаяжесткость, щелоч­ность по фенолфталеи­ну, избыток фосфатов

При фильтровании через катионит в Н-форме все катионы растворенных солей (в том числе и катионы солей жесткости) будут сорбироваться на его зернах; в воду будет переходить экви­валентное количество Н+-ионов; растворенные в воде соли будут превращаться в соответствующие кислоты. Кислотность воды, прошедшей через Н-катионитовый фильтр, который загружен сильноосновным катионитом, будет равна сумме концентраций в исходной воде солей сильных кислот.

Регенерация Н-катионитовых фильтров кислотой в количестве, недостаточном для полного вытеснения из катионита катионов жесткости («голодная» регенерация), позволяет в рабочем цикле снижать щелочность воды до 0,4-0,5 мг-экв/дм3, не снижая ее некарбонатную жесткость.

Если в умягченной воде не допускается наличия карбонатов натрия и калия, но в ней допустимо присутствие ионов аммония, то вместо H-Na-катионирования можно применять NH4-Na-Ka - тионирование.

Умягченная катионированием вода получается более коррози - онно-активной, чем исходная, из-за полного отсутствия в ней би­карбоната кальция, который при определенных условиях может образовывать защитный слой карбоната кальция на поверхности металла, находящегося в контакте с водой.

При контроле качества фильтрата катионитовых установок осо­бое внимание уделяется определению показателей, так или иначе связанных с понятием жесткости и щелочности воды: жесткости общей и карбонатной, щелочности карбонатной и гидратной, со­держанию солей кальция и магния, общему солесодержанию, ве­личине рН, содержанию анионов.

В процессе работы катионитов дополнительно необходимо пе­риодически проверять поглощение или вынос из них фильтратом органических веществ.

Под обессоливанием воды понимают процесс снижения раство­ренных в ней солей до требуемой величины. Различают частич­ное и полное обессоливание. Частным случаем обессоливания воды является опреснение, в результате которого величина соле - содержания в очищенной воде не превышает 1000 мг/дм3 - ПДК всех солей в питьевой воде.

К наиболее распространенным методам обессоливания воды относятся ионный обмен, электродиализ, обратный осмос и дис­тилляция.

Обессоливание позволяет почти полностью удалить из воды вещества, способные целиком или частично диссоциировать (на­пример, соли и кремниевую кислоту); неэлектролиты при этом могут остаться в воде. Иногда происходит также некоторое уменьшение цветности, связанное с абсорбцией кислых органи­ческих веществ ионитами и мембранами. Так как при обессоли - вании удаляются те вещества, которые проводят электрические вещества, показателем качества обработанной воды служит обыч­но ее электропроводность, выраженная в мкСм/см. Расчетное значение этого параметра при 18°С в «сверхчистой» воде состав­ляет 0,037 мкСм/см. Однако в производственных условиях пока удается получать «сверхчистую» воду с удельной электрической проводимостью 0,1 - 1,0 мкСм/см.

За основной критерий, оценивающий качество обработки воды и ионообменную способность фильтров, часто принимают элект­ропроводность воды, пороговая величина которой устанавливается по опытно-исследовательским данным. Например, электропро­водность воды после катионообменника должна быть менее 240, после слабоосновного анионообменника - 50-220 и после силь­ноосновного анионообменника < 20 мкСм/см. Превышение этих значений указывает на истощение ионообменных смол до конт­рольного уровня и на необходимость их регенерации.

Поскольку существующие нормы качества питьевой воды в большинстве своем регламентируют предельно допустимые концен­трации макро - и микрокомпонентов ее состава, то опресненные воды в основном отвечают действующим нормативным требовани­ям. Однако в связи со все расширяющимся вовлечением опреснен­ных вод в централизованные системы хозяйственно-питьевого во­доснабжения возникает необходимость дополнительного нормиро­вания минимально необходимых концентраций важнейших в гигиеническом отношении показателей качества: содержания каль­ция, бикарбонатов, общего солесодержания, натрия, калия и др. Как показывают современные медико-физиологические исследова­ния, недостаточное содержание в опресненной воды солей жест­кости (менее 1,5 мг-экв/дм3) может привести к нарушениям обме­на веществ и сердечно-сосудистым заболеваниям в организме лю­дей, длительное время употребляющих такую мягкую воду.

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

(20.1)

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	диализа
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	10
Условия эффективного применения: мутность исходной воды, мг/л	До 50	До 500	Не более 8	До 2,0
Жесткость воды, мг-экв/л	Карбонатная жесткость с преобладанием Са (НС03) 2, некарбонатная жесткость в виде гипса	5.30	Не выше 15	До 10,0
Остаточная жесткость воды, мг-экв/л	Карбонатная жесткость до 0,035, CaS04 до 0,70	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 270	До 90	До 30 (глауконит), до 60 (сульфоугли)	До 60

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) → 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

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 (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,

(20.2б)

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

(20.3)

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.

Под умягчением воды подразумевается процесс удаления из нее катионов жесткости, т.е. Са и Мg. Умягчение воды осуществляется следующими методами:

1) термическое умягчение, основанное на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживанием;

2) реагентное, в котором находящиеся в воде ионы жесткости, связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения;

3) ионным обменом, основанным на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы натрия или водорода на катионы кальция и магния;

4) диализ;

5) комбинированный, представляющий различные сочетания перечисленных методов.

Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями.

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 нагревании воды в сторону образования карбоната кальция

Са(НСО 3) 2 → СаСО 3 ↓+СО 2 + Н 2 О

Равновесие смещается за счет понижения растворимости СО 2 , вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить СО 2 и тем самым значительно снизить карбонатную жесткость. Кроме того, снижается жесткость, определяемая сульфатом кальция. Однако, полностью удалить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция все же растворим в воде (18 мг/л). Применяется для этого метода – термоумягчитель. Время пребывания воды в нем 30-45 минут.

Реагентные методы умягчения.

Основаны на обработке воды реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения Мg(ОН) 2 , СаСО 3 , Са 3 (РО 4) 2 и другие, с последующим их отделением в осветлителях. В качестве реагентов используется известь, кальцинированная сода, гидроксиды натрия, бария и другие вещества.

Умягчение воды известкованием применяют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде суспензии в предварительно подогретую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ОН - и Са +2 ионами, что приводит к связыванию растворимого в воде СО 2 с образованием СО 3 -2 и переходу НСО 3 в СО 2 .

СО 2 + 2 ОН - →СО 3 -2 + Н 2 О; НСО3 - +ОН - → СО 3 –2 + Н 2 О

Повышение в обрабатываемой воде концентрации СО 3 –2 и присутствие в ней ионовСа +2 с учетом введенных с известью, приводит к осаждению СаСО 3

Са +2 + СО 3 –2 → СаСО 3 ↓.

Для ускорения процесса одновременно с известкованием применяют коагулирование.

Дозу извести определяют по формуле:

Д и = 28([СО 2 ] /22 +2 Ж к - [ Са +2 ]/20 +Д к /е к + 0.5)

Д к – доза коагулянта, е –эквивалентная масса активного вещества коагулянта,

Выражение Д к /е к – берут со знаком -, если коагулянт вводится ранее извести и +, если совместно или после.

Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом, добавлением избытка реагента - осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимся осадком.

Фосфатирование применяют для доумягчения воды. Остаточная жесткость снижается до 0.02-0.03 мг*экв /л. Фосфатированием достигается также большая стабильность воды, снижение ее коррозионного действия на металлические трубопроводы и предупреждаются отложения карбонатов на внутренней поверхности стенок труб. В качестве фосфатирующего реагента используется гексаметафосфат натрия, триполифосфат натрия. Фосфатный метод умягчения при использовании тринатрийфосфата является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса описывается уравнением:

3Са(НСО 3) 2 /3 Мg(НСО 3) 2 + 2 Nа 3 РО 4 = Са 3 (РО 4) 2 / Мg 3 (РО 4) 2 +6 NаНСО 3 .

Фосфатное умягчение осуществляется при подогреве воды до 105 –150 0 С. Образующиеся осадки Са 3 (РО 4) 2 и Мg 3 (РО 4) 2 хорошо адсорбируют их умягченной воды коллоиды и кремниевую кислоту, поэтому этот метод применяется для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления.

Умягчение воды диализом.

Диализ – метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированные и разбавленные растворы. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро - и ацетатцеллюлозными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы.

Магнитная обработка воды.

В настоящее время для борьбы с накипеобразованием и инкрустацией успешно применяют магнитную обработку воды. Ее суть заключается в действии магнитного поля на ионы солей, растворимых в воде. Под влиянием магнитного поля происходит поляризация и деформация ионов, сопровождающееся уменьшением их гидратации, повышающей вероятность их сближения и образование центров кристаллизации. Сущность метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий, накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки удаляют при продувке.

Умягчение воды катионированием.

Сущность ионного обмена заключается в способности ионитов поглощать из воды положительные и отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. Процесс водообработки методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов – называют катионированием.

Катиониты в воде разбухают, увеличиваются в объеме. Энергия вхождения в катионит различных катионов по величине их динамической активности может быть охарактеризована следующим рядом:

Nа < NН 4+ < К + < Мg +2 < Са +2 < Аl +3

Е р = (Q* Ж и)/(а *h к), где Ж и – жесткость воды; Q – количество умягченной воды, м 3 ;

а – площадь катионитового фильтра, м 2 ; h к – высота слоя катионита, м.

Длительность работы фильтра определяется по формуле:

Т к = Е р * h к /V к *Ж и. где V к – скорость фильтрования воды.

В технике подготовки воды применяют органические катиониты. Они содержат функциональные химические активные группы, Н + которых способны замещаться другими катионами: четвертичные амины NН 3 ОН, сульфогруппы НSО 3 , карбоксильные группы СООН. Группа НSО 3 обладает сильнокислотными, а СООН – слабокислотными свойствами. В зависимости от содержания функциональных групп катиониты делят на слабокислотные и сильнокислотные. Сильнокислотные обменивают катионы в щелочной, нейтральной и кислой среде, слабокислотные – только в щелочной среде. Качество катионитов характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей обменной емкостью. Фракционный состав характеризует эксплуатационные свойства катионита. Рабочая обменная емкость зависит от вида извлекаемых катионов, соотношения солей в умягченной воде, рН, высоты слоя катионита, объема фильтра, режима эксплуатации, удельного расхода регенерирующего реагента.

Натрийкатионирование.

Этот метод применяется для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ н/б 8 мг/л и цветности н/б 30 0 .Жесткость воды снижается при одноступенчатом катионировании до 0.05 –0.1, при двухступенчатом – до 0.01 мг*экв /л. Процесс натрийкатионирования описывается следующими уравнениями:

2 Nа[К] + Са(НСО 3) 2 / Мg(НСО 3) 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 +2 NаНСО 3

2 Nа[К] + СаСl 2 / Мg Сl 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 + 2 NаСl, где [К] – нерастворимая матрица полимера.

После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать.

Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах состоит из следующих операций:

Фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допустимой жесткости в фильтрате;

Взрыхление слоя катионита восходящим потоком воды;

Спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерационного раствора;

Регенерация катионита посредством фильтрования соответствующего раствора;

Отмывка катионита.

Выбор метода диктуется требованиями, предъявляемыми к умягченной воде, Свойствами исходной воды и технико-экономическими соображениями. Регенерация осуществляется 5% раствором хлористого натрия в количестве 1.2 м 3 раствора на 1 м 3 смолы, затем остаточное количество в виде 8% раствора. Процесс регенерации описывается следующей реакцией:

Са[К] 2 / Мg[К] 2 + 2 NаСl↔2 Nа[К] + СаСl 2 / Мg Сl 2

Хлористый натрий применяется из-за его доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получают при этом хорошо растворимые соли СаСl 2 и МgСl 2 , легко удаляемые с регенерационным раствором и водой.

Водород-натрийкатионитовое умягчение воды.

Обработка воды Н-катионированием основана на фильтрации ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов водород.

2 Н[К] + Са(НСО 3) 2 / Мg(НСО 3) 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 +2Н 2 О +СО 2

2 Н[К] + NаСl↔2 Nа[К] + НСl; 2 Н[К] +Nа 2 SО 4 ↔2 Nа[К] +Н 2 SО 4

При Н-катионировании воды значительно снижается ее рН из –за кислот, образующихся в фильтрате. Выделяющийся при Н-катионировании СО2 можно удалить дегазацией и в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию SО 4 -2 и Сl - в исходной воде. Из приведенных реакций видно, что щелочность воды в процессе ионного обмена не изменяется. Следовательно, пропорционально смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со щелочным фильтратом после Nа – катионитовых фильтров можно получить умягченную воду с различной щелочностью. В этом заключается сущность и преимущества Н- Nа – катионирования. Применяют параллельное, последовательное и смешанное Н- Nа – катионирования. При параллельном – 1 часть воды идет через Nа – катионитовый фильтр, другая – через Н-катионитовый. Образующиеся воды смешивают в таких пропорциях, чтобы щелочность не превышала 0.4 мг*экв/л. При последовательном – часть воды пропускают через Н-катионитовый, затем смешивают с остальной водой и подают на Nа – катионитовый фильтр. Это позволяет полнее использовать обменную емкость Н-катионита и снизить расход кислоты на регенерацию. Смешанное катионирование осуществляется в одном фильтре, загруженном вверху - Н-катионитом, внизу - Nа – катионитом.