Наш организм получает до 25 % минеральных веществ из воды. Таким образом, качество воды напрямую влияет на состояние нашего здоровья. Ведь через нее процесс усвоения продуктов, в том числе и вредных веществ, происходит очень быстро. И потому во избежание проблем следует проводить умягчение воды. В этой статье мы рассмотрим вопрос избыточного содержания солей жесткости в воде.

Из этой статьи вы узнаете:

Почему воду необходимо умягчать

Какие существуют методы умягчения воды

Какими фильтрами можно сделать воду мягче

Так ли хороша система обратного осмоса

Почему умягчение воды для дома – насущная проблема

Что такое жесткость воды? Под этим понятием подразумевается то, сколько в ней содержится солей щелочноземельных металлов. В России для определения жесткости питьевой воды имеются собственные критерии, которые устанавливаются ГОСТами и санитарно-эпидемиологическими правилами и нормами. Например, СанПиН 2.1.4.1974-01. В других странах действуют свои стандарты. К примеру, в Соединенных Штатах Америки – это нормы Агентства, осуществляющего охрану окружающей среды. В Евросоюзе – Директива Совета ЕС 98/83/ЕС.

Официально показатель жесткости воды измеряется в градусах, причем один градус равен 1 мг-экв/л, согласно ГОСТ 31865-2012. Допустимый порог не должен быть выше 7 мг-экв/л.

Жесткость воды классифицируется следующим образом:

менее 1,5 мг-экв/л – очень мягкая вода;

от 1,5 до 4 мг-экв/л – мягкая вода;

от 4 до 8 мг-экв/л – вода средней жесткости;

от 8 до 12 мг-экв/л – жесткая вода;

свыше 12 мг-экв/л – очень жесткая вода.

Это стандарты для питьевой воды, применяемой в хозяйственных и бытовых целях. Для оборудования, к примеру, паровых котлов предъявляются еще более строгие нормы. И это неудивительно, ведь котел должен работать исправно, а жесткая вода может привести к его поломке. И потому показатели по ограничению вдвое ниже тех значений, которые приводятся в СанПиН.

Чем же опасна эта вода? Ее употребление ведет к возникновению сбоев в работе желудочно-кишечного тракта и проблем, связанных с моторикой желудка. Соли постепенно накапливаются в организме, появляется боль в суставах, а в желчном пузыре и в почках образуются камни. Кроме того, эти вещества оседают на коже и волосах. Солевой налет остается и на оборудовании, тех же чайниках, стиральной машине, сантехнике... Для белья эта вода тоже вредна. Она выводит из строя трубопроводы. Что еще? Так как отложения солей на деталях и узлах оборудования ведут к падению коэффициента теплопередачи, то и расход топлива увеличивается. Таким образом, настоятельно рекомендуется умягчение воды для дома и производства, если она не отвечает стандартам.

Из скважин и колодцев вода поступает жесткой, так как в земных недрах она вся без исключения является такой, и в этом случае ее умягчение обязательно.

Как понять, что воду надо умягчать? На это указывает ряд признаков:

После стирки белье твердое, на нем наблюдаются белые разводы.

Моющего средства требуется больше, чем это рекомендуется производителем, и оно недостаточно хорошо пенится.

Стенки чайника покрываются накипью.

После проведения гигиенических процедур кожа кажется сухой и стянутой.

Краны покрываются налетом.

До того как проводить умягчение воды для дома, выясните состав воды, поступающей из вашего источника водоснабжения. Проведите химический анализ. Рекомендации: если вы живете в доме загородного типа (коттедж или частное жилье), то выбирайте автоматическую установку для непрерывного умягчения воды.

Таким образом, следует использовать умягченную воду для предотвращения проблем, которые связаны со здоровьем, и для продления срока службы бытового оборудования. Автоматические установки, которые непрерывно умягчают воду, наилучшим образом подходят для применения в коттеджах и домах загородного типа. Правильный подбор системы возможен только после определения состава воды, в связи с этим нельзя обойтись без ее химического анализа.

Каким образом возможно умягчение воды для дома

Существуют разные методы умягчения воды: химический, механический и физический. Так, химическая очистка проводится с помощью реагентов, механическая – это применение физических барьеров, а физическая подразумевает, что используются силы природы, к примеру, магнетизм. Эти способы комбинируются для достижения наилучшего результата.

Каковы цель и условия – такой выбирается и метод очистки. Определяется это уровнем жесткости воды, тем, насколько велико или мало домостроение. Далее рассмотрим распространенные методы умягчения воды для дома.

Химическая очистка. Используются особые реагенты, которые называют коагулянтами. В результате взаимодействия кальция и магния образуется нерастворимое соединение, оно постепенно оседает на стенках фильтра. В качестве реагентов применяются известь, гидроксид натрия, кальцинированная вода, фосфонаты. Этот способ подходит только для очистки технической воды, к примеру, в котельной.

Полифосфатная очистка. Этим простым и доступным реагентным методом очистки умягчается техническая вода. Соль жесткости и полифосфат натрия вступают в реакцию, после чего формируется нерастворимая пленка, состоящая из полифосфата кальция и магния, и вместе с тем происходит насыщение воды ионами натрия.

Ионообменное умягчение. Это доступная и результативная технология: вода проходит через фильтр для умягчения с засыпкой из ионообменной смолы. После прохождения через последнюю в результате реакции ионного обмена образуется смола из ионов кальция и магния воды, а также запускается процесс обогащения фильтруемой жидкости ионами натрия, которые безопасны для здоровья человека и оборудования.

К достоинствам данной технологии можно отнести то, что у ионообменной смолы имеется способность к регенерации, то есть она может восстанавливаться. Для этого достаточно осуществить промывку смолы, для чего используется обыкновенная поваренная соль. Многие устройства для умягчения воды оснащаются мультипроцессорным управлением, которое обеспечивает необходимое автоматическое включение режима регенерации.

Обработка воды этим методом не ведет к выпадению осадка, то есть не нужно приобретать дополнительные фильтры. Данный тип фильтров подходит для умягчения питьевой и технической воды.

Фильтрация по принципу обратного осмоса. При использовании этой технологии для умягчения воды применяется мембрана из ароматического полиамида или ацетилцеллюлозы. Мембрана такого типа почти полностью гарантирует деминерализацию, и, само собой, показатель жесткости снижается. В результате потребитель получает близкую к дистилляту воду.

Этот метод очистки имеет следующие преимущества: установка обладает малыми габаритами и низкой энергозатратностью. Недостаток же в том, что фильтры стоят дорого, мембрана иногда нуждается в замене, а на это тратится много средств.

Система обратного осмоса работает при том обязательном условии, что установлен предфильтр грубой очистки и постфильтр искусственной минерализации. С помощью последнего вода обогащается солями кальция (от 40 мг/л), магния (от 20 мг/л), фтора, калия, а также иными химическими элементами до показателя в 100 мг/л.

Использование минерализатора необходимо, так как обратноосмотическая система очищает воду настолько, что образуется химически чистое соединение. Если долго пить дистиллированную воду, то из организма вымываются нужные ему макро- и микроэлементы.

Магнитная фильтрация. Реализация магнитного и электромагнитного методов нашли свое применение в устройствах небольшого размера, которые устанавливаются на внутренних стенках трубопровода. Вода пропускается через фильтр этого типа, причем магнитное поле воздействует на соли магния и кальция, в результате чего они образуют нерастворимую форму. Выведение осадка из системы водопровода осуществляется благодаря потоку воды.

Подобная система фильтрации используется, если ваш враг – накипь, и необходимо защитить от нее котлы, колонки и водонагреватели, стиральные или посудомоечные машины, которые устанавливаются в домах, находящихся в частной собственности, и коттеджах.

Широко распространено использование жильцами загородных домов комбинированного метода. К примеру, магнитному фильтру находится применение при техническом водоснабжении, для удовлетворения питьевой нужды используется обратноосмотическая система (непременно нужен минерализатор). Применение последнего варианта подразумевает, что это недешевое удовольствие, поэтому для оптимизации расходов устанавливайте ионообменный фильтр. Он отличается универсальностью, высокой производительностью, а умягченную им воду одинаково успешно можно и употреблять в пищу, и задействовать в работе бытового оборудования.

Фильтры, которые гарантируют умягчение воды в доме

После определения оптимальной технологии покупателю важно не допустить ошибки, подбирая конструктивное решение.

Компактный фильтр. Закрепляется этот фильтр на трубе, через которую вода поступает в устройство, например, в стиральную машину или котел. Также возможно использование частично растворимого реагента – полифосфата натрия, засыпаемого внутрь, или применение искусственно создаваемого магнитного поля. Этот фильтр удобен, но предназначен для умягчения воды, которая после очистки имеет только хозяйственно-бытовое назначение или обслуживает лишь одну единицу оборудования.


Магистральный фильтр. Система получает воду из трубы, на которую и монтируется этот фильтр. Тем самым осуществляется моментальное решение всех возможных проблем, связанных с умягчением воды, но цена у фильтра высокая, а сам процесс его работы протекает достаточно медленно.

Картриджный фильтр. Обычно каждый фильтр этого типа оснащают прозрачной колбой с установкой в последнюю сменного картриджа с ионообменной смолой. Стандартного размера фильтр (десять дюймов) рассчитан на четыре тысячи литров или безостановочную работу сроком на полгода. После проводится замена картриджа. У этой системы довольно низкий ресурс работы и отсутствует возможность восстановления.

Фильтр кабинетного типа. Эти малогабаритные установки находят свое применение в офисах и квартирах. В системе такого типа реализуется технология ионного обмена. У данного фильтра расход сорбента на 50 % ниже, чем у умягчителей других типов, и, следовательно, он работает более экономно. Прошедшую обработку воду можно спокойно пить, функционированию бытовой техники вода не наносит абсолютно никакого вреда. У фильтра есть один нюанс: он справляется лишь с малыми объемами и не подходит для дома с большой площадью. Оптимальный вариант – это коттедж, в котором проживает пять-шесть жильцов.

Ионообменный фильтр. Устройство представляет собой колонны с солевыми баками. Каждая вертикальная установка – это резервуар с ионообменной смолой внутри. Проходящая через них вода подлежит умягчению. Предусматривается, что систему можно оснастить емкостью для соли, которая используется в процессе регенерации. После того как достигается критический предел, происходит изменение режима фильтрации на регенерацию и соляной раствор направляется через резервуар. У дорогостоящих систем имеются два контура фильтрации. Один контур задействован в процессе регенерации, в то время как второй функционирует на полную мощность.

Комплекты для умягчения воды в нашем каталоге

Среднестатистической семье, которая проживает в доме частного типа, подойдет фильтр для умягчения воды, производительность которого составляет до полутора кубометров в час. Без замен, возникающих по необходимости, наполнитель способен служить до десяти лет.

Умягчение воды обратным осмосом

С недавних пор фильтры обратного осмоса принято рассматривать в качестве оптимального решения, если необходимо очистить или провести умягчение воды для дома. Но это устройство обладает многочисленными недостатками, что наводит на мысль о нецелесообразности вложения средств в подобный умягчитель.

С помощью сетчатых фильтров нельзя устранить растворенные соли жесткости. Зато с этой задачей способен справиться фильтр мембранного типа.

Система обратного осмоса обладает низкой производительностью, что считается ее главным недостатком. Компенсируется это тем, что устанавливается несколько контуров, которые работают параллельно. У каждого из них имеется отдельная мембрана (набор необходимых фильтров), а также помпа, которая нагнетает повышенное давление для результативного функционирования этого узла.

Для установки данного типа фильтра нужно отыскать достаточно места, а также осуществить изоляцию этого помещения таким образом, чтобы шума не было слышно в остальных комнатах, и решить другие сопутствующие проблемы.

Но практика показывает, что этим мощным установкам очень редко находится применение в быту. Их функциональность шире, чем у простого умягчителя воды для дома частного типа, но вместе с тем у подобного оборудования слишком высокая цена, да и его дальнейший процесс эксплуатации далеко не самый дешевый. Монтаж этих систем осуществляется на производствах, где для глубокой очистки рабочих жидкостей требуется строго соблюдать технологический процесс.

Установка обратного осмоса обладает еще несколькими ограничениями, о которых следует знать тем, кто планирует приобрести эту систему:

Без обеспечения хорошей предварительной фильтрации от механических примесей происходит очень быстрое загрязнение картриджей. Риски особенно высоки, если используются старые городские инженерные сети или личную скважину пробурили «на песок» (небольшая глубина).

Каждая модель оборудования отвечает четким требованиям того, какой должен быть состав у воды на выходе, и нормы эти устанавливаются производителями данных систем.

Ко всему прочему, необходимо соблюдать диапазон поддерживаемой температуры и воды, который задается производителем. В большинстве случаев нужно будет установить ограничительные клапаны на входе, а также использовать насосы с автоматическим управлением включением и выключением.

Для качественного функционирования оборудования необходимо своевременно менять отдельные элементы:

• каждые 4–6 месяцев – предварительные фильтры механической очистки;

  каждые 3–4 месяца – фильтры с наполнителями из активированного угля (тоже предварительные);

  каждые 8–12 месяцев – постфильтры с наполнителями из активированного угля);

  каждые два или два с половиной года – мембрану обратного осмоса.

По химическому составу воду, очищенную по принципу обратного осмоса, приравнивают к дистиллированной жидкости. Принято считать, что она способна в некоторой степени навредить здоровью, так как если человек будет пить эту воду каждый день, он не будет получать необходимые его организму минералы. Кроме того, некоторые владельцы не любят употреблять настолько сильно очищенную воду.

По этой причине к установкам обратного осмоса иногда в качестве дополнения подключают специальные блоки – минерализаторы. С их помощью кальций и магний поступают в воду, то есть происходит насыщение жидкости этими элементами. Система может быть оснащена клапаном, который обеспечит включение в общий контур такого узла в тех случаях, когда подобная необходимость будет возникать.

Все, о чем писалось выше, приводит к необходимости обстоятельно рассмотреть целесообразность покупки фильтра обратного осмоса, чтобы с его помощью осуществлять умягчение воды для дома.

Компания Biokit предлагает широкий выбор систем обратного осмоса, фильтры для воды и другое оборудование, способное вернуть воде из-под крана ее естественные характеристики.

Специалисты нашей компании готовы помочь вам:

подключить систему фильтрации самостоятельно;

разобраться с процессом выбора фильтров для воды;

подобрать сменные материалы;

устранить неполадки или решить проблемы с привлечением специалистов-монтажников;

найти ответы на интересующие вопросы в телефонном режиме.

Доверьте очистку воды системам от Biokit – пусть ваша семья будет здоровой!

Умягчение воды сводится к уменьшению концентрации в ней кальциевых и магниевых солей. Умягчение воды необходимо производить для питания котельных установок, причем жесткость воды для котлов среднего и низкого давления должна быть не более 0,3 мг-экв/л.

Умягчать воду требуется также для таких производств, как текстильное, бумажное, химическое, где вода должна иметь жесткость не более 0,7 -1,0 мг-экв/л.

Умягчение воды для хозяйственно-питьевых целей также целесообразно, особенно в случае, если она превышает 7мг-экв/л.

Умягчение воды может проводиться различными методами, их можно разделить на следующие группы:

Термический метод умягчения воды

При нагревании воды до кипения происходит превращение гидрокарбонатов кальция и магния в карбонаты по следующим схемам:

Са (HCO 3) 2 = CaCO 3 ↓+ СО 2 + Н 2 О;

Mg(HCO 3) 2 = МgСО 3 + СО 2 + Н 2 О.

Эти обратимые процессы можно почти целиком сместить вправо за счет кипячения воды, так как при высоких температурах растворимость двуокиси углерода понижается.

Однако полностью устранить карбонатную жесткость нельзя, так как углекислый кальций хотя и незначительно (около 9,95 мг/л при 15 °С), но растворим в воде. Растворимость MgCO 3 достаточно высока (110 мг/л), поэтому при длительном кипячении он гидролизуется с образованием малорастворимой (8 мг/л) гидроокиси магния:

MgCO 3 + H 2 O ═ Mg (OH) 2 ↓ + CO 2 .

Этот метод может применяться для умягчения воды, содержащей преимущественно карбонатную жесткость и идущей для питания котлов низкого и среднего давления.

Недостатки: снижается только временная (карбонатная) жесткость; требуются большие энергозатраты - в промышленности этот способ водоподготовки используют лишь при наличии дешевых источников тепла (на ТЭЦ, например).

Реагентное умягчение воды

Из реагентных методов наиболее распространен содово-известковый способ умягчения. Сущность его сводится к получению вместо растворенных в воде солей Са и Mg нерастворимых солей СаСО 3 и Mg(OH) 2 , выпадающих в осадок.

Оба реагента — соду Na 2 CO 3 и известь Са(ОН) 2 — вводят в умягчаемую воду одновременно или поочередно.

Соли карбонатной, временной жесткости удаляют известью, не карбонатной, постоянной жесткости — содой.

Химические реакции при удалении карбонатной жесткости протекают следующим образом:

Са(НСО 3) 2 + Са(ОН) 2 = 2СаСО 3 + 2Н 2 О

Гидрат окиси магния Mg(OH)2 коагулирует и выпадает в осадок. Для устранения некарбонатной жесткости в умягчаемую воду вводят Na2CO3.

Химические реакции при удалении некарбонатной жесткости следующие:

Na 2 CO 3 + CaSO 4 = CaCO 3 + Na 2 SO 4 ;

Na 2 CO 3 + СаСl 2 = СаСО 3 + 2NaCl.

В результате реакции получается углекислый кальций, который выпадает в осадок. Реагенты, применяемые при обработке воды, вводят в воду в следующих местах:

а) хлор (при предварительном хлорировании) — во всасывающие трубопроводы насосной станции первого подъема или в водоводы, подающие воду на станцию очистки;

б) коагулянт — в трубопровод перед смесителем или в смеситель;

в) известь для подщелачивания при коагулировании — одновременно с коагулянтом;

г) активированный уголь для удаления запахов и привкусов в воде до 5 мг/л — перед фильтрами. При больших дозах уголь следует вводить на насосной станции первого подъема или одновременно с коагулянтом в смеситель водоочистной станции, но не ранее чем через 10 мин после введения хлора;

д) хлор и аммиак для обеззараживания воды вводят до очистных сооружений и в фильтрованную воду. При наличии в воде фенолов аммиак следует вводить как при предварительном, так и при окончательном хлорировании.

К специальным видам очистки и обработки воды относятся опреснение, обессоливание, обезжелезивание, удаление из воды растворенных газов и стабилизация.

Данный способ обычно используется только в некоторых отраслях промышленности для предварительной очистки технической воды. В обычном бытовом использовании технология неприменима.

Умягчение воды бариевыми солями.

Этот метод схож с известково-содовым, но имеет то преимущество, что образующиеся при реакции продукты нерастворимы в воде. Содержание солей, обусловливающих жесткость воды, при этом методе понижается, и умягчение идет гораздо полнее. Кроме того, нерастворимость ВаСО 3 не требует строгих дозировок, процесс может протекать автоматически.

Реакции, протекающие при умягчении бариевыми соединениями, можно представить схемами:

1) CaSO 4 + Ba (ОН) 2 ® Са (ОН) 2 + ВаSО 4 ↓;

2) MgSO 4 + Ba (OH) 2 ® Mg (ОН) 2 ↓ + BaS0 4 ↓;

3) Са (НСО 3) 2 + Ba (OH) 2 ® CaCO 3 ↓ + ВаСО 3 ↓ + 2Н 2 О;

4) Mg (НС0 3) 2 + 2Ва (OH) 2 ® 2BaCO 3 ↓ + Mg (OH) 2 ↓ + 2Н 2 О;

5) ВаСО 3 + CaSO 4 ® BaSO 4 ↓ + CaCO 3 ↓;

6) Ca (OH) 2 + Ca (HCO 3) 2 ® 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O.

При умягчении бариевыми солями реакции приводят не к замене одной соли другой, а к полному удалению их из воды; в этом заключается преимущество умягчения бариевыми солями. К недостаткам этого метода относятся высокая стоимость бариевых солей и медленное течение реакции с карбонатом бария ВаСО 3 .

Реагентная водоподготовка применяется только на больших станциях водоподготовки, поскольку связан с рядом специфических проблем: утилизация твердого осадка, специально оборудованные хранилища для реагентов, необходимость точной дозировки химикатов и их правильной подачи в исходную воду.

Ионообменное умягчение воды

Вещества, способные к сорбционному обмену ионов с раствором электролита, называются ионитами .

Иониты – это твердые зернистые вещества, набухающие в воде, но не растворимые в ней. По составу основного скелета, который связывает воедино ионогенные группы, ионообменные сорбенты делятся на:

• минеральные
• органические.

Применяемые при очистке воды иониты бывают естественного и искусственного происхождения. Примером первых могут быть глаукониты, гумусовые угли, а примером вторых – сульфированные угли, синтетические ионообменные смолы.

Ионообменные смолы – это сетчатые, трехмерные полимеры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие ионогенные группы, т. е. группы, способные к обмену ионов. Число и длина мостиков, соединяющих линейные цепи полимера, определяют «густоту» сетки, которая оказывает сильное влияние на свойства ионитов.

Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Вещества, обменивающие катионы, называются катионитами, а обменивающие анионы – анионитами.

Катиониты диссоциируют на небольшие, подвижные и способные к ионному обмену катионы (например, Н +) и высокомолекулярный анион (R m -1), а аниониты дают мелкие, легко перемещающиеся анионы (например, ОН –) и высокомолекулярный катион (R n +).

Условно их диссоциацию можно представить в следующем виде:

Н m R = mH + + R m – ; R(OH) n = R n + + nOH – ,

где m и n– число подвижных ионов в катионите и анионите.

Из катионообменных смол наибольшее распространение получили смолы, образованные поликонденсацией фенолов и формальдегида, а также полимеры – продукты сополимеризации стирола с диеновыми углеводородами.

Из смоляных анионитов чаще применяются аминоформальдегидные аниониты и полистирольные аниониты, продукты присоединения от основных групп к сополимерам полистирола.

Все иониты могут иметь одинаковые или различные ионогенные группы. Катиониты со смешанными функциональными группами встречаются в следующем сочетании:

1. сульфокислые и оксифенольные;
2. сульфокислые и карбоксильные;
3. остатки фосфорной кислоты и оксифенольные;
4. мышьяковокислые и оксифенольные;
5. карбоксильные и оксифенольные.

По степени диссоциации иониты подразделяют на:

1. сильнокислотные
2. слабокислотные;
3. сильноосновные
4. слабоосновные.

Сильнокислотные катиониты вступают в реакцию с солями, растворенными в воде в нейтральных и кислых средах.

Слабокислотные катиониты , содержащие карбоксильные или оксифенольные группы, обменивают свой протон в нейтральных растворах лишь на катиониты солей слабых кислот, причем полнота обмена возрастает с повышением рН среды.

Сильные аниониты вступают в реакцию с растворами солей в нейтральной и даже слабощелочной среде.

Слабоосновные аниониты вступают в реакцию обмена лишь в кислых средах, причем полнота обмена гидроксильной группы анионита на анион растворенного электролита возрастает с повышением кислотности среды. На силу ионогенных групп оказывают большое влияние непосредственно связанные с ними другие функциональные группы.

Следовательно, большинство катионитов представляют собой по­лимерные полифункциональные кислоты, в состав которых входят группы – СООН, –SO 3 H, –ОН, –SH, SiOOH и др.

Аниониты являются высокомолекулярными соединениями, содержащими огромное количество основных групп, таких как –NH 2 , –NH 3 OH, –NHR, –NR 2 и т. д. В состав одного и того же ионита могут входить ионогенные группы с различной степенью кислотности и щелочности.

Для целей фильтрования смолу стараются получить в виде сферических частиц путем суспензионной полимеризации или перемешивания расплавленной еще «несшитой» смолы в среде инертного растворителя с последующим охлаждением. Иониты (в таком неплотном виде) создают благоприятные условия для движения фильтруемой жидкости.

В основе процесса обмена лежит химическая реакция, протекающая на внешней и внутренней поверхности ионитов. Обмен ионами протекает в строго эквивалентных количествах.

Обменные реакции в растворе происходят практически мгновенно, но процессы ионообмена с ионитами, протекающие в гетерогенной среде, обладают вполне измеримой скоростью. Фактически наблюдаемая скорость определяется скоростью диффузии, наиболее медленной стадией ионообмена. При этом скорость ионообмена падает с увеличением размеров зерна ионита.

Обмен ионов в растворах протекает избирательно. С уменьшением абсолютной концентрации раствора многовалентные ионы адсорбируются лучше, чем одновалентные, а при высоких концентрациях адсорбируется одновалентный ион. Например, при умягчении воды избирательно поглощаются ионы Са 2+ и Mg 2+ , а ионы Na+ при этом практически не адсорбируются. При обработке концентрированным раствором NaCl ионы двухвалентных металлов вытесняются из катионита ионами натрия. Этим пользуются при регенерации катионитового фильтра.

Основной технологической характеристикой ионитов является их обменная емкость , которая определяется количеством ионов, извлеченных из воды 1 г воздушно-сухого ионита.

В практике очистки воды часто используют Н- и Na-катиониты. В зависимости от катиона этот процесс называют Н-катионирование и Na-катионирование.

При Н-катионировании повышается кислотность воды, а при Na-катионировании происходит увеличение щелочности фильтрата, если в исходной воде содержится карбонатная жесткость.

Следует заметить, что скорость обмена ионами при катионировании зависит от многих факторов, например от валентности ионов, их заряда, величины гидратации, эффективного радиуса иона. По скорости вхождения ионов в катионит их располагают в следующий убывающий ряд: Fe 3 +>Al 3 +>Ca 2 +>Mg 2 +>Ba 2 +>NH 4 + >K + >Na+. Эту закономерность можно изменить, увеличивая концентрацию ионов в процессе регенерации катионитовых фильтров при обработке их концентрированным раствором хлористого натрия.

Катионитовый фильтр представляет собой стальной цилиндрический резервуар диаметром от 1 до 3 м, в котором на дренажном устройстве помещается слой катионита. Высота фильтрующего слоя составляет 2…4 м. Скорость фильтрования – от 4 до 25 м/ч. Фильтры рассчитаны на рабочее давление до 6 атм.

Работа катионитового фильтра происходит по следующим этапам:

• фильтрование через подготовленный фильтр до насыщения обменной емкости катионита;
• рыхление катионита восходящим потоком;
• регенерация фильтра раствором NaCl (при Na-катионировании);
• промывка загрузки от излишних количеств регенерирующего ве­щества.

Регенерация загрузки продолжается от полутора до двух часов.

Na-катионирование обеспечивает умягчение воды до 0,05 мг-экв/л. В практике применяют двухступенчатое Na-катионирование. На фильтрах первой ступени производится грубое умягчение воды, снижающее жесткость примерно на 75 %. Остающуюся жесткость удаляют повторным фильтрованием через фильтры второй ступени. Основная масса ионов кальция и магния задерживается фильтрами первой ступени, фильтры второй ступени несут незначительную нагрузку по жесткости и рабочий цикл их длится до 150¼200 ч. Остаточная жесткость воды после двухступенчатого Na-катионирования равна 0,01¼0,02 мг-экв/л. Подобный прием умяг­чения воды приводит к экономии соли на регенерации фильтров первой ступени. Для этой цели используются промывные воды от фильтров второй ступени. Кроме того, двухступенчатое Na-катионирование упрощает эксплуатацию установки тем, что удлиняет фильтроцикл и не требует постоянного ухода за фильтратом.

При катионировании происходят следующие процессы:

2NaR + Са (НСОз) 2 ═ СаR 2 + 2NaHCO 3 ;

2NaR + Mg (HCO 3) 2 ═ MgR 2 + 2NaHCO 3 ;

2NaR + CaSO 4 ═ CaR 2 + Na 2 SO 4 ;

2NaR + MgCl 2 ═ MR 2 + 2NaCl.

При фильтровании воды, содержащей некарбонатную жесткость, получают соли сильных кислот и сильных оснований. Эти соли не подвержены гидролизу даже при высоких температурах. Но при удалении карбонатной жесткости образуется гидрокарбонат натрия, который гидролизуется при высоких температурах с образованием сильной щелочи:

NaHCO 3 + H 2 O ═ NaOH + Н 2 СО 3 .

Для снижения щелочности воды ее фильтруют последовательно через Na-, а затем Н-катиониты или разбивают поток на две части, одну из них пропускают через Na-катионит, а вторую – через Н-катионит, а затем фильтраты смешивают.

Недостатки ионообменного метода водоподготовки:

• относительно большой расход реагентов, (особенно у параллельноточных натрий-катионитных фильтров);
• увеличение эксплуатационных расходов пропорционально солесодержанию исходной воды и при необходимости уменьшить предел обессоливания обработанной воды;
• в зависимости от качества исходной воды требуется предподготовка – иногда весьма сложная;
• необходима обработка сточных вод и сложности с их сбросом.

Безреагентная водоподготовка

Ультразвуковые установки

— неплохо справляются с накипью, но для достижения эффективности требуется работа установки на большой мощности. Это означает высокий уровень звукового воздействия, что влечет за собой возможность повреждения защищаемого оборудования (в местах сварки швов и завальцовки), а также повышенную опасность для персонала.

Умягчение воды в аппаратах с постоянными магнитами.

В сравнении с другими распространенными методами (ионообменными, баромембранными) магнитную водоподготовку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплутационные расходы.

Согласно СНиП 11-35-76 “Котельные установки” , магнитную обработку воды для теплооборудования и водогрейных котлов целесообразно проводить, если содержание ионов железа Fe 2+ и Fe 3+ в воде не превышает 0,3 мг/л, кислорода — 3 мг/л, постоянная жесткость (CaSO 4 , CaCl 2 , MgSO 4 , MgCl 2) — 50 мг/л, карбонатная жёсткость (Са(НСО 3) 2 , Mg(НСО 3) 2) не выше 9 мг-экв/л, а температура нагрева воды не должна превышать 95 0 С.

Для питания паровых котлов – стальных, допускающих внутрикотловую обработку воды, и чугунных секционных – использование магнитной технологии обработки воды возможно, если карбонатная жёсткость воды не превышает 10 мг-экв/л, содержание Fe 2+ и Fe 3+ в воде — 0,3 мг/л, при поступлении воды из водопровода или поверхностного источника.

Ряд производств устанавливает более жесткие регламентации к технологической воде, вплоть до глубокого умягчения (0,035-0,05 мг-экв/л): для водотрубных котлов (15-25 ати) — 0,15 мг-экв/л; жаротрубных котлов (5-15 ати) — 0,35 мг-экв/л; котлов высокого давления (50-100 ати) — 0,035 мг-экв/л.

Недостатки – необходимо один раз в 5–7 дней механически очищать полюсы магнита от отложений ферромагнитных частиц; свои свойства омагниченная вода сохраняет меньше суток (это явление потери магнитных свойств называется релаксацией, или эффектом «привыкания воды» ).

Поэтому в системах, где вода находится в течение многих часов и дней (оборотные системы водоснабжения, циркуляционные контуры котлов и систем отопления и др.), необходимо предусматривать рециркуляционные системы, куда направлять не менее 10% находящейся в системе воды, и постоянно эту часть воды подмагничивать.

Электромагнитное умягчение воды

Основой устройства является электронный микропроцессорный блок, который генерирует выходной апериодический сигнал звуковой частоты (1–10 кГц). Сигнал подается на излучатели, навитые на трубопроводе с обрабатываемой жидкостью в определенном порядке, и создает пульсирующее динамическое электромагнитное поле.

Механизм воздействия на обрабатываемую воду имеет физический (безреагентный) характер. Кальций, гидрокарбонатные соли в водном растворе существуют в форме положительно и отрицательно заряженных ионов. Из этого вытекает возможность эффективного воздействия на них с помощью электромагнитного поля. Если на трубопровод с протекающей жидкостью навивается катушка и в ней наводится определенное динамическое электромагнитное поле, то происходит высвобождение ионов бикарбоната кальция, электростатически связанных с молекулами воды. Высвобожденные таким способом положительные и отрицательные ионы соединяются в результате взаимного притяжения, и в воде образуются арагонитовые кристаллы (высокодисперсная взвесь), не образующие накипи.

Так как побочным продуктом при образовании арагонитовых кристаллов является углекислый газ, то вода, обработанная таким способом, имеет свойства дождевой воды, т.е. способна растворять в трубопроводе существующие твердые карбонатные отложения.

Под действием электромагнитного поля возникает в воде и определенное количество перекиси водорода, которая при контакте со стальной поверхностью внутри трубопровода образует на ней химически стабильную пленку Fe 3 0 4 , которая предохраняет поверхность от коррозии. Перекись водорода оказывает также существенное антисептическое и антибактериальное действие — уничтожает около 99% водных бактерий. Образовавшиеся молекулы перекиси водорода, однако, имеют очень короткий жизненный цикл и быстро конвертируются в форму кислорода и водорода, поэтому обработанная таким способом питьевая вода не оказывает никаких вредных побочных эффектов на здоровье человека.

На сегодняшний день - это самый экологически чистый и экономически оправданый метод умягчения жесткой воды.

Безреагентное умягчение воды. Умягчитель воды Рапресол

Безреагентная водоподготовка с применением умягчителей воды Рапресол эффективно заменяет затратный метод химической водоподготовки, принося предприятию значительную экономию.

Снижаются расходы на эксплуатацию (реагенты, регенерация, утилизация, содержание персонала, и т.п.), что обеспечивает наибольший экономический эффект и быструю окупаемость прибора при очень высокой функциональной эффективности. Систему отличает простота монтажа и минимальные эксплуатационные расходы.

Технология электромагнитного умягчения воды — одна из рекомендованных энергосберегающих технологий (РД 34.20.145-92) и позволяет не только увеличить срок работы теплообменного оборудования между его вынужденными остановками для проведения очистки, но и достигнуть реальной экономии средств и энергоносителей.

Технико-экономические обоснования (ТЭО) и расчет сроков окупаемости приборов Рапресол:

• для организаций,
• для предприятий,

Комбинированные методы водоподготовки

Установка умягчителя воды Рапресол перед установкой ионообменного умягчения позволяет существенное увеличить межрегенерационный срок эксплуатации фильтров и пропускную способность фильтров

• прибор Рапресол перед ионообменной очисткой связывает ионы кальция в нерастворимое состояние;
• качественно активируются (увеличивается емкость поглощения ионитов) и ускоряются в несколько раз ионообменные реакции;
• концентрация растворенных ионов кальция в воде перед ионным обменом существенно снижается;
• вследствие снижения концентрации бикарбонатов кальция за один фильтроцикл можно получить гораздо больше очищенной воды.

Достигнутый экономический эффект:

• уменьшаются затраты воды на отмывку смолы в процессе регенерации, минимизируется влияние «проскоков» необработанной воды.
• в 2-3 раза увеличиваются межремонтные сроки котлов и теплообменников (образующаяся от остаточной жесткости накипь будет рыхлой и легко удаляется обычными продувками через 500-1000 часов работы).
• полностью исключаются реагентные промывки оборудования и загрязнение окружающей среды;
• обеспечивается надежная противонакипная и противокоррозионная очистка и защита как теплоагрегата, так и всех трубопроводов;
• укрепляются внутренняя поверхность оборудования и сетей;
• повышается теплоотдача котла и теплопроводность трубных разводок;
• экономится топливо;

Кроме того, в десятки раз снижаются расходы:

• соли и других реагентов на регенерацию;
• воды на взрыхление, регенерацию и отмывку фильтров;
• электроэнергии, потребляемой насосами для перекачки реагентов.
• снижается сброс промывных солесодержащих вод;

Почему так необходимо умягчение воды?

Наверняка, проживая в квартире или загородном доме и пользуясь водой из городского водопровода, скважины, колодца, либо другого источника водозабора, вам приходилось сталкиваться с неприятными последствиями использования жесткой воды. Сухость кожи после душа, жесткость вещей и тканей после стирки, плохое пенообразование мыла и моющих средств, а также белые налёты на сантехническом оборудовании и появление накипи при кипячении - всё это наиболее видимые признаки превышения концентрации солей жесткости в воде. Нельзя не отметить и вредоносные последствия влияния жесткой воды на организм человека: проблемы с сердечно-сосудистой системой, нарушение моторики желудка, заболевание суставов и нежелательные отложения в почках или желчных путях. Помимо всего перечисленного, образовывающейся накипь в процессе эксплуатации водонагревательной техники (бойлеров, котлов, стиральных машин, посудомоек и т.д.), способствует преждевременному выходу их из строя.

Также, является недопустимым использование воды с высоким солесодержанием и в промышленности, вызывая при этом нарушения технологически и химических процессов производства пищевых продуктов, напитков, товаров общего потребления и т.д. Необходимость устранения жесткости воды играет важную роль и в энергетике, где образование накипи нарушает работоспособность дорогостоящего теплообменного оборудования и систем отопления, резко снижая при этом их теплообменные характеристики (впоследствии увеличение расходов на топливо), и вызывая полный выход из строя.

Понятие «жесткая вода». Чем вызвана жесткость воды?

Жесткость воды характеризует концентрация (наличие) в ней ионов кальция (Ca 2+), магния (Mg 2+), стронция (Sr 2+), бария (Ba 2+), железа (Fe 2+) и марганца (Mn 2+). Но наличие в природных водах непосредственно ионов кальция и магния значительно выше общего наличия иных перечисленных ионов. По этой причине, под жесткостью воды подразумевается суммарное количество ионов кальция и магния. Различается жесткость на временную (карбонатную), образующую накипь, вызванную наличием гидрокарбонатов кальция и магния, а также постоянную (некарбонатную), обусловленную зачастую наличием сульфатов и хлоридов и не выделяющуюся при кипячении.

На сегодняшний день, относительно жесткости воды существует ряд требований и нормативных документов, составленных различными ведомствами и ориентированных к разному типу потребителей. Нормативы общего солесодержания, не зависимо поверхностных или подземных вод, для систем хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых систем в большей мере сводится к требованиям СанПиН «Питьевая вода», где ПДК (предельно допустимая концентрация) солей жесткости не должна превышать более 7 мг/л. Однако при этом стоит уделять должное внимание нормативам качества воды к системам горячего водоснабжения, теплоснабжения, паровых и водогрейных котлов, где правила эксплуатации устройств требуют ПДК жесткости значительно ниже норм СанПиН (менее 2 мг/л). Нельзя не отметить и сравнительно меньший уровень концентрации ионов кальция и магния, установленный в нормах качества Европейского Союза, Всемирной организации здравоохранения и национальных норм США, который не превышает 5 мг/л. Существенно отличаются требования к солесодержанию воды и в системах промышленного назначения (порой до полного отсутствия), где необходимые концентрации регламентируют технические и химические процессы производства. Внимание ПДК солей жесткости воды в энергетике обосновано технологической и экономической эффективностью оборудования (составляя менее 1 мг/л), и в большей степени направлено на предотвращение основной проблемы-накипеобразования.

Методы умягчения воды

1. Умягчение воды методом ионного обмена наиболее популярный и широко используемый метод умягчения воды из скважины или водопровода в хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых системах. Данный метод заключается в способности ионообменных материалов (смол) обменивать ионы солей жесткости (кальция, магния и т.д.) на ионы других молекул, не вызывающих образование накипи. Также этот метод, в зависимости от типа используемых смол, позволяет извлекать соединения железа и понижать при необходимости минерализацию воды. Таким образом, умягчение воды методом ионного обмена в отличии от других методов (кроме обратного осмоса) обеспечивает устранение жесткости воды, а не преобразует их (не удаляя) в не вызывающую накипь форму.

В хозяйственно-питьевых целях для умягчения воды из скважины, колодца или водопровода зачастую используются фильтры с катиона-обменными смолами пищевого класса в Na -форме. Данные смолы предназначены для устранения жесткости воды путём удаления ионов кальция и магния, обменивая их на ионы натрия (не значительно повышая при этом минерализацию воды). К таким фильтрам относятся:

• Умягчители воды серии WS (Lewatit S1567) . Автоматические и механические фильтры устранения жесткости воды с фильтрующим материалом немецкого производства Lewatit S 1567 .
• Кабинетные умягчители воды: North Star , BWT , Atoll Excellece L , Atoll Excellece R . Компактные автоматические фильтры устранения жесткости воды американского и европейского производства.
• Установка умягчения непрерывного действия WS TWIN (Lewatit S1567) . Автоматические фильтры устранения жесткости воды, обеспечивающие непрерывное умягчение воды без ухода на регенерацию. Фильтрующая загрузка - Lewatit S 1567 .

Для использования катиона-обменных фильтров в условиях повышенной концентрации в воде железа, марганца, сероводорода или органических соединений, требуется их предварительное удаление. По этой причине, в комплексах систем водоподготовки, они устанавливаются после предварительной грубой очистки , систем дозирования, аэрации воды , станций обезжелезивания воды и т.д., в зависимости от используемых технологий.

В ином случае, для единовременного устранения жесткости воды, железа, марганца или их органических соединений, без применения предварительных «окислитилей» (дозации или аэрации) и обезжелезивателей, применяются комбинированные смолы, состоящие из смеси катиона-обменных, анионообменных и инертных материалов. К этим фильтрам относятся:

• фильтры умягчения воды и обезжелезивания Гейзер Aquachief(Экотар B) или станции обезжелезивания воды и умягчения ECO A (Ecomix A) . Автоматические и механические фильтры устранения жесткости воды, растворённого железа и марганца с отдельно вынесенным баком для соли. Фильтрующие материалы Эокар В и Экософт Микс А.
• кабинетные умягчители воды ATOLL серий: EcoLife SM , Excellece LM . Автоматические фильтры устранения жесткости воды, растворённого железа и марганца американского производства в одном композиционном корпусе фильтра вместе с баком для соли.
• установки умягчения воды ECO (Экомикс С) . Автоматические и механические фильтры устранения жесткости воды, растворённого железа, марганца с повышенной концентрацией органических соединений (превышена перманганатная окисляемость) с отдельно вынесенным баком для соли.

Как для промышленных, энергетических, коммунально-бытовых (в особенности паровых и водогрейных котлов), так и хозяйственно-питьевых объектов (в том числе горячего и холодного водоснабжения загородных домов), не менее важным на ряду с жесткостью воды является и общая минерализация. При повышенной минерализации, умягчение воды методом ионного обмена так же позволяет эффективно снизить содержание минеральных солей. Однако проведение деминерализации воды является несколько более сложным чем умягчение. Основывается данный процесс на использовании после предварительного катионирования смол аниона-обменных свойств. Для этого в водоподготовке существуют различные одно- и несколько- ступенчатые схемы катионирования и анионирования.

Наиболее популярными марками ионообменных смол являются: Lewatit, Экософт Микс, Dowex , Purolite , Экотар, ПЮРЕЗИН и т.д. Стоит отметить существующие разнообразие смол одной марки, отличающихся между собой свойствами, составом, характеристиками и целями их применения. По этой причине, перед выбором и приобретением необходимого умягчителя или смене засыпки в существующем фильтре, рекомендуем проконсультироваться со специалистом.

2. Метод умягчения воды с помощью обратного осмоса подразумевает использование полупроницаемых мембран, изготовленных из ацетилцеллюлозы или ароматического полиамида. Задерживая практически все ионы данный метод смягчения обеспечивает максимально глубокую деминерализацию и устранение солей жесткости. Степень очистки систем обратного осмоса составляет до 99%. Конструкция их по сравнению с ионообменными фильтрами менее габаритна и представляет собой металлический каркас с мембранами (количество и типоразмер которых зависит от необходимой производительности станции водоподготовки), насосом повышающего давления, системного блока, насоса дозатора, мелких комплектующих и т.д. При попадании очищаемой воды на мембрану, отфильтрованная практически до дистиллята часть её поступает на потребителя, а остальная часть со всеми примесями уходит в дренажную систему, или поступает ещё раз на фильтрацию.

Помимо малогабаритности и простоты конструкции (относительно умягчения воды методом ионного обмена) систем обратного осмоса, также стоит отметить такие преимущества как: небольшая энергозатратность, сравнительно небольшие эксплуатационные расходы и возможность сброса концентрата в канализацию. Однако при всём этом стоит учитывать и необходимость предподготовки очищаемой воды для длительного срока службы мембран. Допустимая концентрация примесей очищаемой воды регламентируется эксплуатационными характеристиками мембран. Следует ещё учитывать высокий расход воды (получая при этом лишь 20-25% чистой, остальное на слив), большие затраты в момент приобретения и рекомендуемый непрерывный режим работы.

На сегодняшний день метод умягчения воды с помощью обратного осмоса является одним из самых перспективных методов устранения жесткости воды и очистки её в целом. Умягчение воды с помощью обратного осмоса широко используется при розливе питьевой воды, производстве алкогольных и безалкогольных напитков, в пищевой промышленности, в коттеджах, загородных домах, квартирах и т.д. Среди наших товаров вы найдёте системы обратного осмоса таких производителей как: Atoll , Aquapro , Гейзер, Осмос RO и т.д.

3. Реагентный метод умягчения воды представляет собой обработку (путём дозирования) очищаемой воды разнообразными реагентами и коагулянтами, связывающие кальций и магний в малорастворимые соединения, которые в последствии вместе с остальными взвешенными примесями задерживаются в различных отстойниках или осветлительных фильтрах. В качестве реагентов при этом используются известь, кальцинированная сода, гидроксид натрия, кислоты, фосфонаты и т. д. За частую реагентный метод умягчения воды применяется для смягчения, или иначе говоря «стабилизации», поступающей на теплоэнергетические системы промышленных объектов, зданий ЖКХ, котельных сооружений централизованного отопления и т.д.

Основной целью реагентной обработки является предотвращение накипи-образования, коррозии и микробиологического обрастания теплообменного оборудования, в том числе трубопровода, в условиях малых и высоких температур. Широко применяется в водоподготовке поверхностных вод, где велика вероятность высокого содержания несущих опасность продуктов метаболизма живых организмов, водорослей, бактерий и иных минеральных или органических загрязняющих веществ. Для более глубокого смягчения воды может использоваться в системах водоподготовки вместе с последующими катиона-обменными фильтрами.

В отличии от закрытых систем теплоснабжение (отопление), реагентный способ смягчения воды в открытых системах практически не применяется, так как требования к качеству сетевой воды открытых систем должно отвечать требованиям к «качеству питьевой воды».

4. Магнитный и электромагнитный метод умягчения воды применяется для предотвращения образования накипи в тепловых системах, парогенераторах, систем холодного и горячего водоснабжения в промышленности, загородных домах, коттеджах, квартирах и т.д., и представляет собой процесс пропускания потока воды в трубопроводе через магнитное поле. Под воздействием магнитного поля накипи-образующие примеси карбонатной жесткости (кальция, магния и железа) кристаллизуются в не растворимую и не образующую твердую накипь на стенках труб или водонагревателей рыхлую форму, оставаясь при этом в толще воды. Ранее образовавшиеся отложения при этом со временем так же разрушаются и вместе с потоком воды легко выводятся из водопроводной системы.

Для создания в трубопроводе данных магнитных полей в водоподготовке применяются специальные аппараты с постоянными магнитами или электромагнитами. В отличии от умягчения воды методом ионного обмена и систем обратного осмоса, магнитные установки смягчения наиболее малогабаритны, просты в монтаже, эксплуатации и экономичны. Установки с электромагнитным воздействием состоят из электронного блока, подающего сигналы на намотанный на водопроводную трубу провод с изоляцией. Благодаря поступающим с заданной чистотой сигналам данные провода излучают электромагнитное поле, проходя через которое очищаемая вода умягчается.

Умягчение воды диализом

Магнитная обработка воды

Литература

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

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

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

умягчение вода диализ термический

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

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

Методы умягчення воды

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 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,

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

где М и - содержание взвешенных веществ в исходной воде, мг/л; m - содержание СаО в товарной извести, %.

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, гдеG - 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 0. Это свидетельствует о том, что связывание ионов Mg (II) происходит за счет гидроксил-ионов при разряде молекул воды на катоде.

Электрохимическая обработка воды перед подачей на катионитовые фильтры позволяет значительно (в 15-20 раз) увеличить их рабочий цикл.

Термохимический метод умягчения воды

Термохимическое умягчение применяют исключительно при подготовке воды для паровых котлов, так как в этом случае наиболее рационально используется теплота, затраченная на подогрев воды. Этим методом умягчение воды производят обычно" при температуре воды выше 100°С. Более интенсивному умягчению воды при ее подогреве способствует образование тяжелых и крупных хлопьев осадка, быстрейшее его осаждение вследствие снижения вязкости воды при нагревании, сокращается также расход извести, так как свободный оксид углерода (IV) удаляется при подогреве до введения реагентов. Термохимический метод применяют с добавлением коагулянта и без него, поскольку большая плотность осадка исключает необходимость в его утяжелении при осаждении. Помимо коагулянта используют известь и соду с добавкой фосфатов и реже гидроксид натрия и соду. Применение гидроксида натрия вместо извести несколько упрощает технологию приготовления и дозирования реагента, однако экономически такая замена не оправдана в связи с его высокой стоимостью.

Для обеспечения удаления некарбонатной жесткости воды соду добавляют с избытком. На рис. 7 показано влияние избытка соды на остаточную кальциевую и общую жесткость воды при ее термохимическом умягчении. Как видно из графиков, при избытке соды 0,8 мг-экв/л кальциевая жесткость может быть снижена до 0,2, а общая - до 0,23 мг/экв-л. При дальнейшем Добавлении соды жесткость еще более понижается. Остаточное содержание магния в воде может быть снижено до 0,05.0,1 мг-экв/л при избытке извести (гидратной щелочности) 0,1 мг-экв/л. На рис. 20.8 показана установка термохимического умягчения воды.

Известково-доломитовый метод используют для одновременного умягчения и обескремнивания воды при температуре 120° С. Этим методом умягчения щелочность воды, обработанной известью или известью и содой (без избытка), может быть снижена до 0,3 мг-экв/л при остаточной концентрации кальция 1,5 мг-экв/л и до 0,5 мг-экв/л при остаточной концентрации кальция 0,4 мг-экв/л. Исходная вода обрабатывается известково-доломитовым молоком и осветляется в напорном осветлителе. Затем она проходит через напорные антрацитовые и Na-катионитовые фильтры первой и второй ступеней.

В осветлителях высоту зоны осветления принимают равной 1,5 м, скорость восходящего потока при известковании - не более 2 мм/с. Время пребывания воды в осветлителе от 0,75 до 1,5 ч в зависимости от вида удаляемого загрязнения. Коагулянт соли железа (III) рекомендуется добавлять в количестве 0,4 мг-экв/л.

Рис. 7. Влияние избытка соды на остаточную кальциевую (а) и общую (б) жесткость воды при ее термохимическом умягчении

Рис. 8. Установка известково-содового умягчения воды с фосфатным доумягчением: 1 - сброс шлама из накопителя 2,3 - сборник умягченной воды; 4 - ввод извести и соды; 5, 11 - подача исходной и отвод умягченной воды; 6 - ввод пара; 7, 8 - термореактор первой и второй ступени; 9 - ввод тринатрийфосфата; 10 - осветлительный скорый фильтр

Метод высокотемпературного умягчения воды применяют практически для полного ее умягчения. Установки термохимического умягчения воды обычно более компактны. Они состоят из дозаторов реагентов, подогревателей тонкослойных отстойников или осветлителей и фильтров. Дозы извести Д и и соды Д с, мг/л, при термохимическом умягчении воды

где С и и С с - соответственно содержание СаО и Na 2 C0 3 в техническом продукте, %.

Умягчение воды диализом

Диализ - метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Под действием градиента концентрации (по закону действующих масс) растворенные вещества с различными скоростями диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора. Растворитель (вода) диффундирует в обратном направлении, снижая скорость переноса растворенных веществ. Диализ осуществляют в мембранных аппаратах с нитро - и ацетатцеллюлозными пленочными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны для умягчения воды определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы. Селективность мембраны можно выразить следующим образом:

(Ж и - Ж у) /Ж и (20.11)

где Ж в - концентрация исходного раствора (жесткость); Ж и - жесткость умягченной воды.

На практике часто используют коэффициент снижения соле - содержания С и /С обр. Он наиболее полно отражает изменения в работе мембраны, связанные с ее изготовлением или с воздействием внешних факторов.

Существует несколько гипотетических моделей действия полупроницаемых мембран.

Гипотеза гиперфильтрации предполагает существование в полупроницаемой мембране пор, пропускающих при диализе ас - социанты молекул воды и гидратированные ионы солей. Основой теоретических разработок явилось положение о том, что через полупроницаемую мембрану вода и растворенные в ней соли проникают с помощью диффузии и потоков через поры.

Сорбционная модель проницаемости основана на предпосылке, согласно которой на поверхности мембраны и в ее порах адсорбируется слой связанной воды, обладающей пониженной растворяющей способностью. Мембраны будут полупроницаемы, если они, хотя бы в поверхностном слое имеют поры, не превышающие по размеру удвоенной толщины слоя связанной жидкости.

Диффузионная модель исходит из предположения, что компоненты системы растворяются в материале мембраны и диффундируют через нее. Селективность мембраны объясняется различием в коэффициентах диффузии и растворимости компонентов системы в ее материале.

Электростатическая теория заключается в следующем. При движении исходной воды в камере с одной стороны селективной (катионитовой) мембраны, а рассола с другой, ионы натрия в случае, когда рассол приготовлен из раствора поваренной соли, мигрируют в мембрану и далее в исходную воду, а ионы кальция в противоположном направлении, т.е. из жесткой воды в рассол. Таким образом, происходит удаление ионов кальция из исходной воды и замена их неосадкообразующими ионами натрия. Одновременно в камерах происходят побочные процессы, сопутствующие основному процессу диализа: осмотические переносы воды, перенос одноименных ионов, диффузия электролита. Эти процессы зависят от качества мембраны.

Уравнение обмена между ионами , содержащимися в исходной воде, и ионами в мембране имеет вид

где х, х - прочие ионы, содержащиеся в растворе и в мембране.

Константа равновесия

Уравнение обмена написано только для иона кальция, но> фактически необходимо учитывать сумму ионов кальция и магния. Равновесие между рассолом и мембраной имеет вид:

Если k1+ k 2 , то

где n - показатель степени, зависящий от того, какие ионы входят в состав раствора.

Из последнего выражения можно заключить, что, если равновесии отношение ионов натрия в рассоле и жесткой исходной воде равно, например, 10, то жесткость в исходной воде будет примерно в 100 раз меньше, чем в рассоле. Площадь, м 2 , поверхности мембраны

где М - количество вещества, прошедшее через мембрану; ΔС ср - движущая сила процесса, т е. разность концентраций вещества по обе стороны мембраны; К д - коэффициент массопередачи, определяемый обычно экспериментально или приближенно из выражения

β 1 и β 2 - соответствующие коэффициенты скорости переноса вещества в концентрированном растворе к мембране и от нее в разбавленном; б - толщина мембраны; D - коэффициент диффузии растворенного вещества.

Жесткость умягченной воды после диализа:

где С д и С р - концентрации солей в начале аппарата соответственно в диализате и в рассоле, мг-экв/л; и Q p - производительность аппарата соответственно по диализату и рассолу, м 3 /ч; Ж д и Ж р - жесткость диализата и рассола в начале аппарата, мг-экв/л; а - константа, определяемая свойствами мембран и растворов;; L - длина пути раствора в диализатной и рассольной камерах аппарата, м; υ д - скорость движения диализата в камере, м/с.

Экспериментальная проверка уравнения (20.13) на катионитовых мембранах МКК показала хорошую сходимость результатов. Анализ формулы (20.13) показывает, что уменьшение скорости движения диализата в камерах аппарата увеличивает эффект умягчения, снижение жесткости умягченной воды прямо пропорционально концентрации рассола.

Магнитная обработка воды

В последнее время в отечественной и зарубежной практике для борьбы с накипеобразованием и инкрустацией успешно применяют магнитную обработку воды. Механизм воздействия магнитного поля на воду и ее примеси окончательно не выяснен, имеется ряд гипотез, которые Е.Ф. Тебенихиным классифицированы на три группы: первая, объединяющая большинство гипотез, связывает действие магнитного поля на ионы солей, растворенных в воде. Под влиянием магнитного поля происходят поляризация и деформация ионов, сопровождающиеся уменьшением их гидратации, повышающей вероятность их сближения, и в конечном итоге образование центров кристаллизации; вторая предполагает действие магнитного поля на коллоидные примеси воды; третья группа объединяет представления о возможном влиянии магнитного поля на структуру воды. Это влияние, с одной стороны, может вызвать изменения в агрегации молекул воды, с другой - нарушить ориентацию ядерных спинов водорода в ее молекулах.

Обработка воды в магнитном поле распространена для борьбы с накипеобразованием. 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 (шлам) удаляют при продувке. Метод эффективен при обработке вод кальциево-карбонатного класса, которые составляют около 80% вод всех водоемов нашей страны и охватывают примерно 85% ее территории.

Обработка воды магнитным полем получила широкое применение для борьбы с накипеобразованием в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления и малой производительности, в тепловых сетях и сетях горячего водоснабжения и различных теплообменных аппаратах, где применение других методов обработки воды экономически нецелесообразно. В сравнении с умягчением воды основными преимуществами ее магнитной обработки являются простота, дешевизна, безопасность и почти полное отсутствие эксплуатационных расходов.

Магнитная обработка природных вод (как пресных, так и минерализованных) приводит к уменьшению интенсивности образования накипи на поверхностях нагрева только при условии перенасыщенности их как карбонатом, так и сульфатом кальция в момент воздействия магнитного поля и при условии, что концентрация свободного оксида углерода (IV) меньше его равновесной концентрации. Противонакипный эффект Э обусловливает присутствие в воде оксидов железа и других примесей:

где m н и m м - масса накипи, образовавшейся на поверхности нагрева при кипячении в одинаковых условиях одного и того же количества воды, соответственно необработанной и обработанной магнитным полем, г.

Противонакипный эффект зависит от состава воды, напряженности магнитного поля, скорости движения воды и продолжительности ее пребывания в магнитном поле и от других факторов. На практике применяют магнитные аппараты с постоянными стальными или феррито-бариевыми магнитами и электромагнитами (рис. 9). Аппараты с постоянными магнитами конструктивно проще и не требуют питания от электросети. В аппаратах с электромагнитом на сердечник (керн) наматываются катушки проволоки, создающие магнитное поле.

Магнитный аппарат монтируется к трубопроводам в вертикальном или горизонтальном положении с помощью переходных муфт. Скорость движения воды в зазоре не должна превышать 1 м/с. Процесс работы аппаратов может сопровождаться загрязнением проходного зазора механическими главным образом ферромагнитными примесями. Поэтому аппараты с постоянными магнитами необходимо периодически разбирать и чистить. Оксиды железа из аппаратов с электромагнитными удаляют, отключив их от сети.

Результаты исследований МГСУ (Г.И. Николадзе, В.Б. Викулина) показали, что для воды с карбонатной жесткостью 6.7 мкг-экв/л, окисляемостью 5,6 мг02/л и солесодержанием 385.420 мг/л, оптимальная напряженность магнитного поля составляла (10.12,8) * 19 4 А/м, что соответствует силе тока 7.8 А.

Схема установки для магнитной обработки добавочной питательной воды отопительных паровых котлов приведена на рис. 20.10.

В последнее время получили распространение аппараты с внешними намагничивающими катушками. Для омагничивания больших масс воды созданы аппараты с послойной ее обработкой.

Помимо предотвращения накипеобразования магнитная обработка, по данным П.П. Строкача, может применяться для интенсификации процесса коагуляции и кристаллизации, ускорения растворения реагентов, повышения эффективности использования ионообменных смол, улучшения бактерицидного действия дезинфектантов.

Рис. 9. Электромагнитный аппарат для противонакипной обработки воды СКВ ВТИ: 1,8 - подача исходной и отвод омагниченной воды; 2 - сетка; 3 - рабочий зазор для прохода омагничиваемой воды; 4 - кожух; 5 - намагничивающая катушка; 6 - сердечник; 7 - корпус; 9 - крышка; 10 – клеммы

При проектировании магнитных аппаратов для обработки воды задаются такие данные: тип аппарата, его производительность, индукция магнитного поля в рабочем зазоре или соответствующая ей напряженность магнитного поля, скорость воды в рабочем зазоре, время прохождения водой активной зоны аппарата, род и его напряжение для электромагнитного аппарата или магнитный сплав и размеры магнита для аппаратов с постоянными магнитами.

Рис. 10. Схема размещения магнитной установки для обработки котловой воды без предварительной очистки.

1,8 - исходная и подпиточная вода; 2 - электромагнитные аппараты; 3, 4 - подогреватели I и II ступени; 5 - деаэратор; 6 - промежуточный бак; 7 - подпиточный насос

Литература

1. Алексеев Л.С., Гладков В.А. Улучшение качества мягких вод. М.,

2. Стройиздат, 1994 г.

3. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М., 1984.

4. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды.Л., 1985.

5. Вейцер Ю.М., Мииц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. М., 1984.

6. Егоров А.И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.

7. Журба М.Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.

Химические методы умягчения воды

Физические методы умягчения воды

Воду нагревают до кипения, в результате чего растворимые гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в карбонаты и выпадают в осадок:

Ca(HCO 3) 2 == CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2

Этим методом удаляется только временная жёсткость воды.

В промышленности применяют следующие способы умягчения воды: известковый, натронный, содовый, фосфатный.

1. Известковый способ. Обрабатывая воду гашёной известью Ca(OH) 2 , устраняют временную жёсткость воды и связывают оксид углерода (IV) :

Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O:

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

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O

2. Натронный способ. При действии на воду едким натром достигают устранения временной и постоянной жёсткости:

Mg(HCO 3) 2 + 4NaOH = Mg(OH) 2 + Na 2 CO 3 ↓ + 2H 2 O

CaCl 2 +2NaOH = Ca(OH) 2 + 2NaCl

3. Содовый способ. При действии на воду кальцинированной содой Na 2 CO 3 достигают устранения временной и постоянной жёсткости:

Ca(HCO 3) 2 + Na 2 CO 3 = 2NaHCO 3 + CaCO 3 ↓

CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ +Na 2 SO 4

4. Фосфатный способ. Обработка воды фосфатом натрия тоже ведёт к связыванию ионов, образующих накипь в виде нерастворимых солей:

3Ca(HCO 3) 2 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4) 2 ↓ +6NaHCO 3

3CaSO 4 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4) 2 ↓ + 3Na 2 SO 4

MgCl 2 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4) 2 ↓ + 6NaCl

Эффективность умягчения воды возрастает от известкового к фосфатному способу при одновременном существенном увеличении стоимости этого процесса.

Поэтому на практике применяют и комбинированные способы, в которых основная часть ионов жёсткости связывается дешёвыми реагентами - известковым молоком и содой , а доумягчение осуществляется фосфатом натрия .

Известково-содовый метод даёт возможность снизить жёсткость до
0,3 мг-экв/л, а фосфатный - до 0,03 мг-экв/л .

Наиболее широкое распространение получил метод ионного обмена благодаря своей эффективности, простоте и экономичности (Рис. 2.4):

Принципиальная схема обессоливания воды методом ионоионообмена (катионирование и анионирование) показана на рисунке 2.4.

Рис. 2.4. Схема установки для обессоливания воды ионообменным методом. 1 - катионитный фильтр, 2 - анионитный фильтр, 3 -дегазатор, 4 - сборник очищенной воды.

Из воды сначала удаляются ионы кальция, магния и натрия в Н-катионитовом фильтре, в котором на слое крупного кварцевого песка или измельченного керамзита расположен слой катионита. Затем вода последовательно поступает в анионитовый фильтр для удаления анионов. Для регенерации катионита в фильтр периодически по­дается кислота или раствор хлорида натрия, для регенерации анионита - раствор щелочи. Затем вода подается в дегазатор, где удаляются и воды растворенные диоксид углерода и кислород.

Дегазация осуществляется химическим или физическим способами. Для удаления СО 2 воду пропускают через фильтр, заполненный гашеной известью, или добавляют к воде известковое молоко:

СО 2 + Са(ОН) 2 = СаСО 3 + Н 2 О.

Кислород удаляется фильтрацией воды через слой железных опилок или стружек. Физические способы дегазации состоят в нагревании воды в вакууме или острым паром. В случае необходимости производят обеззараживание воды с целью уничтожения болезнетворных бактерий и окисления органических примесей хлорированием (газообразным хлором, хлорной известью или гидрохлоратом кальция).

!!! Метод основан на способности некоторых нерастворимых синтетических материалов обменивать свои ионы на эквивалентное количество ионов, присутствующих в воде .

Иониты подразделяются на аниониты и катиониты.

Иониты, обменивающие свои катионы на катионы, находящиеся в воде, называют катионитами.

Катиониты обычно содержат подвижные , т. е. способные обмениваться , ионы натрия Na + (Na + -катиониты ) и водорода H + (H + -катиониты ).

Иониты, обменивающие свои анионы на анионы, находящиеся в воде, называются анионитами. Аниониты содержат подвижные гидроксильные группы .