Одной из труднорешаемых проблем на сегодня является плохая вода. Массовое ее использование подразумевает обязательное использование воды хорошего качества, но в реалиях, на кухнях и в ванных применятся вода совсем иного качества. Централизованная система очистки воды поставляет на предприятия и для частного использования, воду с высоким порогом жесткости.

Что делать с известковостью?

Итак, есть исходные данные. В дом, в квартиру поступает вода низкого качества. Тут же потребитель может возразить, что некачественной воды быть не может. Ее допустили согласно ГОСТам и СанПинам к использованию, и значит какая-то там жесткость, является чуть ли не мифом. Да при работе с такой водой образовывается вредный налет. Но его вполне можно устранить своими силами, путем обычных чисток. На предприятиях не эффективные оборачиваются в большие статьи расходов и там эта логика не работает.

При этом жесткость, как превышение определенной нормы по содержанию кальция и магния в воде, точнее их солей, может быть разной. И вред от такой воды тоже будет разниться. Разделение по видам известковости представлено в таблице.

Все, что свыше показателя семерки может приносить вред и не малый. Способы умягчения воды на такие случаи как раз и разрабатывались.

К основным негативным последствиям жесткости относятся:

• Резкий рост расходов топлива и моющих средств и самой воды;
• Образование блокирующей тепло, накипи;
• Поломки оборудования;
• Негативное влияние на качество стирки

Можно ли спутать работу жесткости с другими примесями? На начальных стадиях, пока накипи еще нет или она очень тонкая, можно. Пока плотный осадок не образуется, известковость можно принять за изобилие хлорки в воде.

На крупных промышленных предприятиях, где производят питьевую воду или работают с водой постоянно, жесткость проявляет себя сразу. Есть правила, которые нельзя нарушать. Т.к. слой накипи в котле не должен превышать каких-то полмиллиметра. Откуда такие ограничения? Все это напрямую связано с особенностями известковости, как материала.

Когда она оседает на поверхность, то передача тепла в воду практически прекращается. Известь работает как эффективный блокиратор. И чем она плотнее, тем хуже передача тепла. Когда накипь достигает состояния гипса, передача тепла прекращается практически полностью. Правда, нагревательный элемент в этом случае перегорит раньше. Аспект в том, что энергия из металла никуда не уходит, она продолжает его накалять до тех времен, пока он не видоизменится. То есть либо не взорвется, либо не расплавится. В отраслях, с таких последствий и начинали долгий путь поисков подходящих способов умягчения воды.

Избежать всего этого букета можно, как известно, путем постоянных чисток и промывок, или же путем разработки и монтажа очистной системы. Первый вариант решения проблемы до сих пор применяют, но только там, где пока нет возможности установить прогрессивное умягчающее оборудование, или хотя бы просто умягчающее оборудование.

Чистки поверхностей обладают большой популярностью у населения. Точнее, даже у тех слоев, кто ими собственно не занимается, но считает, что они явно дешевле двух умягчающих приборов в квартиру. Но любая чистка оставит после себя следы. И щетка, и кислота отчищают вместе с накипью и поверхности. Из-за этого оборудование будет служить меньше, а чистки в дальнейшем только участятся.

Причем на предприятии, такие чистки выглядят как профилактические и капитальные. Последние проводятся не чаще двух раз за все время работы оборудования. Такая капитальная чистка подразумевает полную разборку оборудования. Особо загрязненные поверхности замачивают в кислотных растворах, там разрыхляются старые остатки и только потом производят механическую очистку. Причем этап замачивания может длиться несколько часов. Такие разборки означают простои и влекут за собой упущенную выгоду. С применением умягчающих установок, капитальные чистки уходят в прошлое. Даже при сильно жесткой воде, достаточно прополоскать систему обратным протоком воды, чтобы вынести легкие взвеси, в которые превращаются соли жесткости.

Способы умягчения жесткой воды – инструкция по применению

Чтобы не тратить огромные средства на очистки, не закупать постоянно растворы для умягчения воды или устранения накипи, были созданы различные эффективные и не эффективные способы умягчения жесткой воды. Их задача по-разному, но избавить воду от излишков солей жесткости. Если их устранить, то накипные отложения в воде образовываться не будут.

Сделать все это можно с помощью двух направлений. Можно воду умягчать, путем добавления в нее каких-то специальных, умягчающих средств, можно воду облучать. По этому принципу и все умягчающие установки сегодня делятся. Хочешь получить мягкую воду, создай какое-то новое вещество, которое не осядет на поверхности и легко отфильтруется, или же воздействуй на воду, какой-то естественной силой.

Реагентные умягчители в общем делятся на два вида. Это дезинфекторы, сильно схожие с дезинфекторами для обеззараживания, и катионные умягчители. Первые работают по простейшему принципу – добавляем в воду умягчитель, она становится мягче.

Вторые работают на обменном процессе. Заполняют обменный картридж катионной смолой. Следует рассмотреть , при чем весьма эффективный. В ней большое количество натрия. При контакте с солями жесткости, натрий и соли меняются местами. Потребителю поступает уже умягченная вода. Но вот картридж достаточно быстро придет в негодность. Натрий весь вымоется, и его нужно будет менять. В промышленных производственных процессах картриджи восстанавливают с помощью промывки сильно соляным раствором. При личном потреблении и производстве питьевой воды картридж меняют.

Когда его восстанавливают, образуются очень вредные отходы, которые мало того, что нужно почистить, нужно еще и разрешение получить, на то, чтобы их слить в атмосферу. Да и сами картриджи со временем придется менять. Такое умягчение при первичных малых вложениях, в дальнейшем оказывается недешевым. Но гарантирует хорошее качество непосредственно умягчения. Да и для повышения качества умягчения, можно воду прогнать через установку еще раз.

Дезинфектор подразумевает простое впрыскивание в воду специальных веществ, умягчающих воду. Такой прибор врезается в трубу. Есть у него блок управления, где задается частота, время и оббьем подачи умягчающих средств. Здесь же постоянно измеряют электропроводимость воды, с целью понять жесткая вода или нет. Контроль идет постоянно. Так влияние человеческого фактора снижается и значительно.

Вторая группа эффективных способов умягчения жесткой воды относится к безреагентным . Яркие представители от магнита до электрических импульсов. Больше всего сегодня применяют электромагниты. Маленькие, безпроблемные гарантируют не только мягкую воду в системе. С их помощью можно избавиться от старых накипных следов в любом месте системы, совершенно не разбирая установки. Причем работать прибор будет экономно, всего каких-то пять киловатт в месяц электроэнергии. Сменных картриджей нет, следить за состоянием и обновлением не нужно. Правда качество питьевой воды такой прибор не дает, но для обслуживания всей воды в квартире или в котельной, например, просто незаменим.

Ограничения в его работе некоторые все же есть. Он не работает с водой без движения и не дает питьевого качества. Его эффект не держится долгое время.

Еще одна группа эффективных способов умягчения жесткой воды относится к тонкой очистке. Такие приборы устраняют из воды почти все примеси органического характера. К ним относится ультрафильтрация, обратный осмос, нанофильтрация. Основной удар в таких системах принимает на себя мембрана. Она самая дорогая в приборе и самая восприимчивая. Без подготовки воду через нее пропускать нельзя. Отсюда и дороговизна . Правда, такие устройства часто слишком много убирают из воды, что так же ограничивает, но не сильно их применение.

Жесткую воду отличает высокое содержание минералов – чаще всего это магний и кальций. Они образуют отложения, которые впоследствии засоряют канализацию, оставляют налет на кафеле, не дают мылу нормально пениться. Угрозы для жизни и здоровья не несет, но определенные неудобства все-таки доставляет. В данной статье мы раскроем суть понятия жесткой воды и расскажем о способах ее умягчения.

Жесткой называют воду, которая содержит большое количество солей кальция и магния. Дополнительно в ней могут обнаруживаться силикаты, фосфаты, хлориды и прочие токсичные соединения. Некоторые из них при кипячении полностью разлагаются, другие способны сохраняться в неизменном виде в течение продолжительного времени.

Чем вредна жесткая вода для здоровья и для бытовой техники

Накипь в чайнике, характерный осадок на стенках стиральных машин и других бытовых приборов, потерявшая первоначальную яркость цвета одежда после стирки – доставляет современному человеку немало неудобств, поэтому он стремится ее умягчить. Не нравится такая жидкость и коже, волосам, внутренним органам – особенно страдают почки и печень.

Повышенная жесткость воды снижает вкусовые качества и усвояемость пищи, может вызывать развитие мочекаменной болезни, проблемы с печенью, даже сердцем. Но она никак не связана с наличием в организме глистов.

Оптимальная жесткость воды, как определить жёсткость воды в домашних условиях

Перед тем, как приступать к проведению мероприятий, направленных на смягчение слишком жесткой воды, самостоятельно, определите содержание солей и уровень жесткости жидкости. Сделать это можно в специальных службах, а затем сверить с текущими нормами. Не хотите никуда обращаться? В таком случае вас должна насторожить накипь на внутренних деталях бытовой техники, малое количество пены у мыла, сухость кожи и волос. Вкус может изменяться, но это не обязательное условие.

Как смягчить жесткую воду в домашних условиях: 8 верных способов

Основные способы смягчения жесткой воды:

1. Кипячение с последующим отстаиванием.
2. Добавление в стиральную машину соды либо извести. Более современная альтернатива – специальный порошок.
3. Смягчение аммиаком – учтите только, что в продаже представлены концентрированные неразведенные средства (читайте инструкцию!).
4. Применение фильтра-кувшина от Аквафор.
5. Установка угольного бытового фильтра на кран или водопровод.
6. Установка системы очистки Аквафор – она заменяет ионы магния и кальция на ионы натрия.
7. Монтаж на входе трубопровода специального механического очищающего приспособления.
8. Применение магнитного умягчителя.

Вода для бытовых нужд

Эффективно нейтрализует соли кальцинированная и пищевая сода – очищенную данным способом воду можно применять в питьевых целях. Пищевая сода полностью безобидна, кожу не сушит, поэтому ее добавляют в воду для умывания. Кальцинированная разновидность более агрессивная и дает ярко выраженный отбеливающий эффект, поэтому может использоваться для стирки одежды.

Как смягчить жесткую воду в домашних условиях из скважины или колодца

Для умягчения воды из скважин и колодцев применяются те же методы, которые используются для умягчения обычной водопроводной жидкости:

• термический (кипячение);
• реагентный – с добавлением химических веществ разного происхождения, которые при взаимодействии с солями жесткости связывают их;
• с применением фильтров (магнитные, мембранные, ионообменные, электромагнитные);
• народными способами.

Каждый вариант имеет свои особенности, преимущества и недостатки. При выборе ориентируйтесь на текущие показатели жесткости, доступный бюджет и желаемую скорость обработки воды.

Способы очистки и умягчения воды дома

Если вы хотите не только смягчить, но и очистить воду, используйте любой из следующих вариантов:

• фильтр-кувшин;
• ионообменный фильтр;
• мембранный фильтр;
• магнитный фильтр-умягчитель;
• электромагнитноволновой способ.

Также используются народные методы – отстаивание, насыщение кремнием, частичное замораживание, смешивание, добавление отвара льняных семян, трав или торфа.

Фильтры и их разновидности

В продаже можно встретить следующие виды фильтров:

Что лучше: обычное умягчение или полная фильтрация воды?

Фильтр умягчения не всегда дает нужные результаты – в ряде случаев требуется полная фильтрация. Система очистки удаляет элементы кальция и некоторых солей (частично), в то время как полная фильтрация позволяет избавляться от всех химических примесей и изменять металлической состав, удалить соли. При этом она может сопровождаться умягчением, минерализацией. Если все сделать правильно, водопроводная вода будет иметь хороший запах и приятный вкус.

Магнитный фильтр или специальные соли: выбираем альтернативу

Специальные соли дают неплохой эффект, но не забывайте о соблюдении дозировки для каждого вещества. Также вам придется обеспечивать их постоянное наличие и соответствующие условия для хранения – а это лишнее место, дополнительные расходы и хлопоты. При этом применять умягченную с помощью реагентов воду для приготовления пищи и питья можно не всегда.

Что собой представляет магнитный фильтр? Устройство из двух мощных магнитов, которые создают сильное поле – оно притягивает металлические частички. Вода при прохождении через такой элемент становится мягче. Химические препараты не применяются, но влияние заряженной магнитным полем воды на организм человека тоже пока что не изучено.

Как смягчить воду повышенной жесткости в аквариуме в домашних условиях?

Обязательного смягчения требует вода в аквариуме. В домашних условиях снизить жесткость можно следующими способами:

1. Прокипятить, охладить и залить в аквариум.
2. Продистиллировать, но помните, что дефицит полезных микроэлементов вреден не только для человека, но и для рыбок.
3. – перелейте воду в емкость и поставьте в морозилку. Когда половина жидкости замерзнет, вылейте ту часть, которая не замерзла, а лед вытащите из холодильника и растопите. Такая жидкость является идеальной для рыбок.
4. Очистить воду с применением фильтра обратного осмоса – он устанавливается в комнате и подключается к водопроводу напрямую.

Самый эффективный и дорогостоящий способ – обратный осмос. Его есть смысл применять для аквариумов большого объема.

Полезно знать

• Смягчение воды приводит к заметной экономии моющих средств, потому что в мягкой они лучше пенятся. Речь идет не только о мыле, но и о стиральном порошке, зубной пасте, пр.
• Потребление электричества тоже может сократиться, поскольку стирать и убирать вы будете реже.
• Жизнь бытовых приборов и водопроводных труб мягкая вода тоже заметно продлит.
• При этом применение любого способа умягчения требует определенных вложений, которые не всегда окупаются.

Умягчение воды - это процесс удаления из воды солей жесткости.

Процессы извлечения из воды солей Ca 2+ и Mg 2+ в водоподготовке называют умягчением воды . Относительно селективное удаление солей жесткости из воды может производиться тремя методами:

• реагентным умягчением воды;
• ионным обменом;
• нанофильтрацией.

Жесткая питьевая вода горьковата на вкус и оказывает отрицательное влияние на органы пищеварения. По нормам ВОЗ оптимальная жесткость питьевой воды составляет 1,0–2,0 мг-экв/л. В бытовых условиях избыток солей жесткости приводит к зарастанию нагревающихся поверхностей в бойлерах, чайниках, трубах, отложению солей на сантехарматуре и выводу ее из строя, а также оставляет налет на волосах и коже человека, создавая неприятное ощущение их «жесткости». При стирке, взаимодействуя с ПАВами мыла или стиральных порошков, соли жесткости связывают их и требуют большего расхода.

В пищевой промышленности жесткая вода ухудшает качество продуктов, вызывая выпадение солей при хранении. Это характерно для бутилированной питьевой воды, пива, соков, водки. Даже при мытье бутылок она оставляет несмываемые потеки. Поэтому жесткость воды, используемой для приготовления различных продуктов, четко регламентирована и находится на уровне 0,1–0,2 мг-экв/л.

В энергетике случайное кратковременное попадание жесткой воды с систему очень быстро выводит из строя теплообменное оборудование, трубопроводы. Даже небольшой слой отложений солей на поверхности теплообменного оборудования приводит к резкому снижению коэффициента теплопередачи и увеличению расхода топлива. Трубопроводы зарастают настолько, что их производительность падает в несколько раз. Поэтому в тех процессах, где допустимо использование воды с некоторым содержанием солей, ее жесткость ограничивается еще меньшими значениями – 0,03–0,05 мг-экв/л.

Реагентное умягчение воды

Многие соли жесткости имеют низкую растворимость. При введении в раствор некоторых реагентов увеличивается концентрация анионов, которые образуют малорастворимые соли с ионами жесткости Ca 2+ и Mg 2+ . Такой процесс называют реагентным умягчением воды .

Различают умягчение воды известкованием и содо-известкованием.

При известковании в раствор добавляют гашеную известь Ca(OH) 2 до рН около 10. В результате протекают реакции:

Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 = 2 CaCO 3 + 2Н 2 O ;

Mg(HCO 3) 2 + 2 Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 + 2СaCO 3 + 2Н 2 O .

Данный способ используют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости воды, когда требуется одновременное снижение жесткости и щелочности. Остаточная жесткость на 0,4–0,8 мг-экв/л превышает некарбонатную жесткость. Обычно используется совместно с ионообменным умягчением воды.

При содо-известковании в воду добавляют гашеную известь Ca(OH) 2 и соду Na 2 CO 3 до рН около 10. В результате протекают реакции:

Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 + Na 2 CO 3 = 2 CaCO 3 + 2 NaOH + Н 2 СО 3 ;

Mg(HCO 3) 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 + 2NaHCO 3 .

Как следует из уравнений реакций, в процессе образования и осаждения осадка из воды извлекаются соли жесткости. Вместе с ними удаляются коллоидные и взвешенные частицы с ассоциированными на них загрязнениями. На хлопьях осадка частично сорбируются органические загрязнения воды.

При содо-известковании за счет избытка ионов HCO 3 достигается бoльшая полнота удаления из воды солей жесткости. Повышение температуры до 70–80 ° С позволяет довести остаточную жесткость до 0,35–1,0 мг-экв/л. Того же результата можно достигнуть увеличением доз реагентов.

Процессы осаждения осуществляются в отстойниках и осветлителях со взвешенным слоем осадка.

Отстойники малопроизводительны, и получаемая в них гидроксидная пульпа имеет высокую влажность – 97–99%. Поэтому они в настоящее время практически не применяются.

В практике используются различные варианты осветлителей со взвешенным слоем осадка. В них очищаемый раствор подается снизу и проходит через слой осадка. Это увеличивает коэффициент очистки воды. Для уменьшения объема шлама используются дополнительные зоны и камеры шламоуплотнения. Увеличение степени осветления достигается введением дополнительных секций тонкослойного отстаивания.

Реагентные методы умягчения в подготовке питьевой воды не используются. После них вода имеет сильнощелочную реакцию. Они широко применяются в энергетике и промышленности как первая ступень очистки до механических фильтров . При совместной работе они позволяют умягчить воду, удалить взвешенные вещества, включая коллоиды, и частично очистить воду от органических веществ.

Поскольку осаждение образовавшихся хлопьев происходит очень медленно, производительность оборудования низка и оно имеет большие габариты. В результате образуются отходы в виде трудно утилизируемых шламов. Процесс требует тщательного контроля, причем в основном ручного, поскольку зависит от многих факторов: температуры воды, точности дозировки реагентов, исходной мутности воды и т. п.

Новые технологические решения (тонкослойное отстаивание, контактная коагуляция, ввод флокулянтов) позволяют достигнуть тех же показателей умягчения воды при меньших расходе реагентов, габаритах установок и их полной автоматизации.

Нанофильтрационное умягчение воды

При использовании мембран с определенным размером пор обеспечивается их селективность к многозарядным и крупным ионам. Одновалентные ионы (катионы и анионы) в основном не задерживаются мембраной. Реально при селективности по MgSO 4 на уровне 98–99% селективность по NaCl для различных нанофильтрационных мембран составляет 20–70%. При пропускании воды через такую нанофильтрационную мембрану удаляются все взвеси, коллоиды, бактерии и вирусы, катионы тяжелых металлов и часть органических загрязнений. Происходит достаточно глубокая очистка от солей жесткости – в 10–50 раз. Концентрация солей натрия уменьшается незначительно. В результате вода умягчается и частично обессоливается.

Для умягчения используются установки с тангенциальной фильтрацией и с рулонными элементами, которые аналогичны установкам обессоливания обратным осмосом . Па раметры такие установоки водоподготовки близки к установкам низконапорного осмоса. Рабочее давление находится в пределе 7–16 атм. Для малогабаритных бытовых фильтров очистки воды производятся мембраны, работающие даже при 3 атм.

Степень умягчения воды определяется характеристиками применяемых мембран и, поскольку селективность нанофильтрационных мембран к катионам Ca 2+ и Mg 2+ различна (см. табл. 3.3), зависит от состава воды. В любом случае, степень извлечения солей жесткости ниже, чем при обратном осмосе и тем более чем при ионообменном умягчении.

Умягчение воды мембраной типа NF -70 (Filmtec)

Эффективность очистки раствора по различным компонентам показана в следующей таблице.

Кондиционирование воды на мембране типа NF -70 (Filmtec)

	Исходная вода	Пермеат
Хлориды, мг/л
Сульфаты, мг/л
Общий органический углерод, мг/л
Органические галогены, мкг/м 3
Тригалогенометаны, мкг/м 3
Щелочность, мг/л
Жесткость карбонатная, мг/л
Жесткость общая, мг/л
Цветность, градусы

Наибольшим достоинством нанофильтрации воды является снижение не только жесткости воды, но и щелочности, солесодержания, а также удаление механических, органических и биологических загрязнений воды при отсутствии необходимости использования реагентов и проблем с солевыми стоками при относительно простой схеме.

Промышленная установка для получения питьевой воды с производительностью 2800 м 3 в сутки состоит из 2 включенных параллельно установок производительностью 60 м 3 /ч. Каждая из них содержит 4 ступени из параллельно включенных 8, 4, 2 и 1 модуля, последовательно соединенных по концентрату. Предподготовка состоит из последовательных блоков микрофильтров с рейтингом 10 и 5 мкм. После установки нанофильтрации вода поступает в декарбонизатор для удаления избытка углекислоты и в узел коррекции рН.

В очищенной нанофильтрационной установкой воде отсутствуют бактерии и вирусы, микрозагрязнения и хлорорганика , уменьшены жесткость воды и содержание сульфатов, имеется возможность сокращения в воде дозы хлора. Установка, базирующаяся на традиционных технологиях очистки воды, для получения близкого эффекта должна включать несколько стадий очистки.

Недостатком нанофильтрации является меньшая возможная глубина умягчения воды, необходимость более тщательной предподготовки воды, чем при ионном обмене, и существенно большие потребление воды, электроэнергии и объем отходов. Правда, поскольку последние являются малосолевыми, их сброс существенно легче согласовать с экологическими органами.

Размеры и конструкция рулонных элементов и установок для нанофильтрации и обратного осмоса идентичны.

Электрохимический метод умягчения воды является относительно новым. Ранее он предлагался для переработки солевых отходов, включая регенераты установок умягчения, для их последующего повторного использования. В РХТУ им. Д. И. Менделеева разработана технология, включающая электрохимическую коррекцию рН очищаемой воды и электрофлотационное отделение твердой фазы. При прохождении воды через межэлектродное пространство происходят процессы электролиза, поляризации, электрофореза, окислительно-восстановительные реакции с деструкцией органических веществ и инактивацией биологических загрязнений воды. Продукты электролиза взаимодействуют друг с другом с образованием нерастворимых солей.

Принципиальная схема процесса электрохимическогог умягчения воды показана на рисунке. Вода поступает в отстойник 1 , где удаляются грубодисперсные вещества. Затем она подается в катодную камеру электрокорректора 2а . Поскольку между камерами 2а и 2б установлена анионообменная мембрана 4 , при наложении постоянного тока в катодной камере 2а рН поднимается до 10–11, а в анодной 2б опускается до 3–4. В катодной камере происходит образование частиц гидроксидов и карбонатов смешанного состава. Вода со взвесями поступает в камеры грубой 3а и тонкой 3б очистки электрофлотатора. В электрофлотаторе в результате электролиза воды происходит выделение водорода и кислорода, которые поднимаясь флотируют частицы взвесей, органики, эмульсии, образуя пенный слой – флотшлам, который удаляется специальным устройством. После осветления умягченная вода подается в анодную камеру электрокорректора 2б , где происходит ее нейтрализация до рН, близкого к исходной воде.

Схема работы электрокорректора:

1 – отстойник; 2а – катодная камера электрокорректора, 2б – анодная камера электрокорректора; 3а – камера грубой очистки электрофлотатора, 3б – камера тонкой очистки электрофлотатора; 4 – анионообменная мембрана

По данным авторов, качество умягчения воды достаточно высокое – жесткость ниже 0,1 мг-экв/л. Установка умягчения воды производительностью 5 м 3 /ч занимает площадь 10 м 2 и потребляет 2–3 кВт-ч/м 3 электроэнергии.

Наряду с умягчением происходит очистка воды от органических и биологических загрязнений.

Вода обладает исключительно высокой растворяющей способностью. Выпадая в виде атмосферных осадков, она растворяет находящиеся в атмосфере газы, в том числе и углекислый газ. В дальнейшем просачиваясь в землю, вода захватывает дополнительное количество углекислого газа как продукта разложения объектов живой и не живой природы. Взаимодействуя с водой, углекислый газ образует угольную кислоту, увеличивая потенциал для растворения минералов и других примесей. Проходя через слой известняка, она насыщается ионами кальция и магния, ответственными за жесткость. Железо и марганец в источниках находятся в меньших концентрациях, чем ионы кальция и магния. Поскольку вода является растворителем, она захватывает растворимые хлориды, сульфаты, нитраты кальция и магния. Похожим образом она поглощает карбонатные, бикарбонатные, хлоридные, сульфатные соединения натрия, а также некоторое количество кремнезёма.

В общем случае, при подробном анализе в ней могут быть обнаружены в большей или меньшей концентрации практически все элементы таблицы Менделева.

Жесткость подразделяется на гидрокарбонатную, называемую еще временной, и некарбонатную (хлоридную, сульфатную, нитратную) - постоянную. Временная жесткость устраняется при кипячении (налет на нагревательном элементе), постоянная жесткость при нагревании не устраняется.

Очистка от солей жесткости называется умягчением. Жесткость воды на территории РФ измеряется в единицах мг-экв/литр и, в зависимости от отрасли использования, требования к уровню жесткости изменяются от 7 мг-экв/л (хозяйственно-бытовые цели) до единиц мг-экв/литр и менее в медицине, электронике, энергетике, атомной промышлености. Допустимая жесткость воды 7 мг-экв/л не несет серьезной опасности здоровью, но создает целый ряд бытовых проблем. Жесткая вода вызывает образование осадков и налетов на поверхности трубопроводов и рабочих элементах бытовой техники. Эта проблема особенно актуальна для приборов с нагревательными элементами - водогрейных и паровых котлов, бойлеров и другого теплообменного оборудования.

Устранение жесткости - умягчение осуществляется с помощью ионнообменной смолы. Ионнообменная смола представляет собой полимер, состоящий из полимерной матрицы и функциональных групп. Полимерная матрица синтезируется из мономера стирола в присутствии связывающего дивинилбензола. В процессе синтеза используется спирт, который в определенный момент испаряется, и выходя из матрицы, формирует в ней поры. Затем в матрицу вводятся функциональные группы. Функциональная группа состоит из двух частей: неподвижной, прикрепленной к матрице, и подвижной части. Если подвижной частью функциональной группы служит катион, а неподвижной - анион, то смола называется катионообменной, а если подвижная часть анион - то анионообменной. Катионообменная смола может быть в натриевой форме (Na- катионообменная смола) или в водородной форме (H-катионнообменная смола).

Процесс умягчения ионнообменной смолой

Очистка ионообменными смолами

Ионообменная смола засыпается в колонну, заполняя 60-65% общего объема фильтра. Жесткая вода поступает в колонну и, так как ионообменный материал имеет большее химическое сродство с кальцием и магнием, чем с ионами натрия, последние вытесняются ими со смолы. Замена катионов кальция и магния на катионы натрия происходит в эквивалентных соотношениях. Вода, содержащая на входе ионы бикарбоната кальция и магния, на выходе из него будет содержать эквивалентное количество бикарбонатов натрия. Количество ионов натрия на смоле ограничено,поэтому наступает момент, когда смола перестает умягчать воду, то есть исчерпана обменная емкость смолы. Для перезарядки смолы или ее регенерации запускается процесс обратного ионного обмена, в ходе которого ионообменная смола подвергается воздействию концентрированным раствором исходного вида катионов. Для регенерации Na-катионообменной смолы используют относительно крепкий раствор хлорида натрия. Натрий из раствора вытесняет кальций и магний из смолы, перезаряжая её.

Установка умягчения, очистка ионообменными смолами:
Конструктивно установка умягчения состоит из трех частей: баллоны с ионообменной смолой и водоподъемной трубкой, клапана управления с электронным контроллером и ёмкости для солевого раствора. Контроллеры бывают двух видов: регенерация происходит по времени и регенерация происходит по объему. При регенерации по времени контроллер переводит установку в режим регенерации через определенное количество часов, дней или в определенный день недели. При регенерации по объему клапан управления имеет встроенный счетчик воды, и через определенное количество воды, прошедшей через установку воды, контроллер переводит ее в режим регенерации. Этот объем называется фильтроциклом установки и рассчитывается контроллером на основе жесткости воды, объема и емкости загрузки, которые вводятся в контроллер на стадии программирования.

В тех случаях, когда требуется бесперебойное обеспечение мягкой водой, могут применяться два одинаковых фильтра, функционирующих в режиме TWIN или DUPLEX. В режиме «твин» один контроллер управляет двумя клапанами управления. Когда один фильтр умягчает воду, находится в рабочем режиме, второй с отрегенерированной смолой находится в режиме ожидания. Когда фильтроцикл первого фильтра исчерпан, клапан управления переводит второй фильтр в рабочий режим фильтрации, а первый - в режим регенерации. После завершения регенерации первый фильтр переходит в режим ожидания, и находится в нем до тех пор, пока не кончится фильтроцикл второго. Процесс очистки циклично повторяется, фильтры работают попеременно.

В режиме «дуплекс» фильтры функционируют одновременно и поочередно переводятся по заданной программе в режим регенерации со сдвигом по времени её начала на длительность цикла регенерации.

Умягчение воды известкованием

В тех случаях, когда необходимо умягчать воду с высокой карбонатной жесткостью (более 30 мг-экв/л) нецелесообразно применять ионообменную смолу. Следует предварительно понизить жёсткость, используя технологию известкования. Умягчение воды известью и кальцинированной содой предусматривает дозирование гашеной извести Сa(OH)2 в жесткую воду для удаления карбонатной жесткости путем осаждения и последующего фильтрования осадка. Некарбонатная жесткость, в свою очередь, уменьшается добавлением кальцинированной соды Na2CO3 для формирования нерастворимого осадка, который также удаляется фильтрованием.

Данный метод используется на водоканалах и предприятиях с большим потреблением воды. Это достаточно эффективный метод уменьшения жесткости воды, однако, он не позволяет полностью удалить все минералы.

Гашеная известь применяется для удаления бикарбоната кальция из воды. Там, где кальций и магний содержатся в форме хлоридов или сульфатов, такая обработка заметно менее эффективна.

Уменьшение жесткости воды известью и кальцинированной содой становится чрезвычайно дорогостоящим, если жесткость надо снизить до уровня менее 2 мг-экв/л. Для бытовых целей умягчение воды известью и кальцинированной содой является непрактичным. С одной стороны - имеются трудности в подаче извести и кальцинированной соды, с другой стороны - требуетсястрогий контроль процесса отстаивания и фильтрации. Еще одним сдерживающим фактором использования данного процесса являются размеры необходимого оборудования и большое количество выбрасываемого известкового шлама.

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.