Термическое умягчение воды. Умягчение воды. Промышленная водоподготовка. Чем вредна жесткая вода для здоровья и для бытовой техники

Основные методы умягчения воды

Термохимический метод умягчения воды

Умягчение воды диализом

Магнитная обработка воды

Литература

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

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

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

умягчение вода диализ термический

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

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

Методы умягчення воды

Показатель	термический	реагентный	ионообменный	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,

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

где [СО 2 ] - концентрация в воде свободного оксида углерода (IV), мг/л; [Са 2+ ] - концентрация ионов кальция, мг/л; Ж к - карбонатная жесткость воды, мг-экв/л; Д к - доза коагулянта (FeS0 4 или FeCl 3 в пересчете на безводные продукты), мг/л; е к - эквивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв (для FeS0 4 е к = 76, для FeCl 3 е к = 54); 0,5 и 0,3 - избыток извести для обеспечения большей полноты реакции, мг-экв/л.

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

При отсутствии экспериментальных данных дозу коагулянта находят из выражения

Д к = 3 (С) 1/3 , (20.4)

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

В свою очередь, С определяют, используя зависимость

Известково-содовый метод умягчения воды описывается следующими основными реакциями:

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

Дозы извести Д и и соды Д с (в пересчете на Na 2 C0 3), мг/л, определяют по формулам

(20.7)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2NаHC0 3 = Na 2 C0 3 + Н 2 0 + С0 2 .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Д Ф =54,67 (Ж ОСТ + 0,18),

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

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

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

Технологические схемы и конструктивные элементы установок реагентного умягчения воды

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

Рис. 3. Водоумягчительная установка с вихревым реактором.

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

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

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

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

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

Рис. 4. Вихревой реактор.

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

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

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

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

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

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

2Н 2 0 + 2е 1 → 20Н - + Н 2,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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;

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.

Высокий уровень жесткости провоцирует образование накипи, ухудшает эффективность моющих средств. В таких неблагоприятных условиях возрастает риск повреждения функциональных компонентов отопительного оборудования, иной техники. Увеличиваются эксплуатационные расходы, затраты на выполнение санитарно-гигиенических правил.

Современные производители предлагают разные способы умягчения воды и соответствующие комплекты оборудования. Выбрать оптимальный вариант будет не сложно после ознакомления с данной публикацией. Здесь есть полезные данные, которые помогут недорого и быстро реализовать проект.

Основные определения

Общий уровень жесткости определяется, как сумма постоянной и временной компоненты. Как правило, первая часть имеет небольшое практическое значение, поэтому ее можно исключить из обзора. Вторая определяется концентрацией катионов магния и кальция. Эти химические вещества при нагреве преобразуются в нерастворимый осадок – накипь.

Именно они засоряют технические протоки, что сопровождается ухудшением производительности котлов. Такие образования отличаются пористостью, низкой теплопроводностью. При накоплении на поверхности ТЭНа этот слой блокирует нормальный отвод тепла. Если не применить эффективный способ умягчения жесткой воды, стиральная машина или другая техника с нагревательным элементом будет выведена из строя из-за накипи.

На практике решают вопросы уменьшения уровня жесткости, либо полное устранение вредных явлений. Второй вариант лучше! Он предполагает надежную защиту дорогих изделий, эффективную профилактику с предотвращением аварийных ситуаций.

Способ 1: Нагрев

Принцип действия этих способов умягчения воды понятен из общего определения. Каждый человек знает, что при кипячении (нагреве) на стенках чайника активно формируется слой накипи. После завершения процедуры жесткость будет снижена.

Теоретическая простота способа является единственным преимуществом. Детальное изучение вопроса позволяет выявить следующие недостатки:

• длительность процесса;
• небольшое количество жидкости, которое можно обработать в бытовых условиях;
• значительные затраты на электроэнергию, газ, другие виды топлива.

Следует не забывать, что на финишном этапе приходится удалять прочную накипь. Это – трудоемкие рабочие операции, которые способны испортить рабочую емкость.

Способ 2: Обработка электромагнитным полем

Из приведенных описаний можно сделать промежуточный вывод. Для удаления вредных соединений с применением химических средств, ионным обменом, кипячением и мембранной фильтрацией приходится решать сложные инженерные задачи. Об этом будет написано ниже. Соответствующим образом увеличиваются затраты. Полифосфатные соединения действуют эффективнее. Они стоят недорого, но надежно блокируют негативный процесс. Метод можно признать идеальным, если бы не загрязнение жидкости.

В технологии электромагнитной обработки нет перечисленных недостатков. Воздействие сильным полем изменяет форму частиц накипи. Созданные игольчатые выступы не позволяют им соединятся в крупные фракции. Этим блокируется процесс образования накипи.

Чтобы получить поле оптимальной мощности и конфигурации применяют высокочастотный генератор электромагнитных колебаний. Он работает по специальному алгоритму, который не вызывает эффект «привыкания». Снижение положительного воздействия наблюдается при работе с постоянными магнитами.

В ходе изучения актуальных предложений рынка следует обратить внимание на современные качественные модели устройств электромагнитной обработки воды:

• выполняют свои функции с минимальным потреблением электроэнергии (5-20 Вт/час).
• Катушку создают из нескольких витков провода. Прибор включают в сеть. Дополнительная настройка не нужна.
• Дальность действия достигает 2 км, чего достаточно для защиты объекта в целом.
• Долговечность устройств превышает 20 лет.

В любом случае надо выбирать производителя, который обладает солидным опытом в профильной области деятельности!

Химические способы умягчения воды

Хорошо известная профильным специалистам методика – добавление в раствор гашеной извести. Химические реакции связывают молекулы кальция и магния с последующим образованием нерастворимого осадка. По мере накопления на дне рабочего резервуара его удаляют. Мелкие взвешенные частицы задерживают через фосфатный способ. Аналогичную технологию применяют для снижения некарбонатной составляющей с помощью соды.

Главным недостатком этого и других способов данной категории является загрязнение жидкости химикатами. Чтобы такая обработка была безопасной, приходится точно соблюдать оптимальные дозировки, тщательно контролировать все важные этапы. Качественное воспроизведение технологии в домашних условиях не представляется возможным без чрезмерных трудностей и затрат. Ее используют на муниципальных и коллективных станциях водоподготовки профессиональной категории.

Впрочем, одна «химическая» методика стала популярной именно в быту. Исследователи обнаружили, что полифосфатные соединения образуют оболочки вокруг мельчайших нерастворимых фракций. Они препятствуют объединению в крупные частицы, присоединению к стенкам труб и внешним поверхностям нагревательных приборов.

Этим полезным свойством пользуются производители фосфатных стиральных порошков. Также применяют специализированные проточные емкости, в которые помещают полифосфатные соли. Устройства монтируют на входном патрубке перед котлами и стиральными машинами. Способ не подходит для приготовления питьевой воды.

Фильтрация

Нужный эффект можно получить, если уменьшить размеры ячеек до величины молекул. Такие микроскопические протоки создают в мембранах обратного осмоса. Они способны пропускать только чистую воду. Загрязненная жидкость скапливается перед преградой, удаляется в дренаж.

Задача решена? Не следует делать поспешные выводы. Методика фильтрации действительно хороша, но только для обработки 180-220 литров/сутки. Такова производительность серийных с разумной стоимостью. Этого количества не хватит для однократного приема душа, удовлетворения других бытовых потребностей.

Чтобы увеличить производительность несколько мембран устанавливают параллельно. Для функционирования комплекта приходится поднимать давление специальной насосной станцией. Подобное оборудование для фильтрации воды стоит дорого, занимает много места.

Умягчение воды ионообменным способом

Снижают первичные и эксплуатационные расходы с помощью техники этой категории. Применяют особую засыпку, которая задерживает ионы кальция и магния. Одновременно происходит заполнение жидкости безвредными соединениями натрия.

Преимущества приведены в следующем списке:

• Кроме солоноватого привкуса не меняются в худшую сторону исходные характеристики воды.
• После обработки определенного количества жидкости полезные функции засыпки восстанавливают промывкой и регенерацией.
• Эти процедуры выполняются неоднократно в автоматическом режиме, без тщательного контроля и вмешательства со стороны пользователя.
• При соблюдении правил эксплуатации засыпка из смол сохраняет работоспособность более шести лет.

Необходимо подчеркнуть доступность регенерационной смеси. Это – недорогой раствор обычной поваренной соли (хорошей очистки).

Как и ранее, приведем нюансы, которые заслуживают упоминания для полноценного анализа умягчения воды ионообменным способом:

• Ионообменный способ умягчения воды прерывает снабжение объекта при регенерации (длительность более часа). Чтобы устранить такой недостаток устанавливают параллельно две функциональные емкости.
• Комплект с высокой производительностью для семьи из 2-3 человек занимает несколько кв. метров площади.
• Работа издает сильный шум в процессе промывки, поэтому нужна эффективная звуковая изоляция помещения.
• Каждое существенное изменение уровня жесткости необходимо корректировать ручной настройкой.
• Хорошо оснащенный набор с блоком автоматики и несколькими рабочими баками стоит дорого.

Ультразвуковое воздействие

Обработку колебаниями соответствующего диапазона частот применяют для снижения уровня жесткости. Одновременно разрушается слой старой накипи, что пригодится для очистки труб без агрессивных химических соединений.

Ультразвук с профессиональными предосторожностями применяют для очистки и защиты промышленного оборудования. Крупные элементы этих конструкций и резьбовые соединения обладают лучшей устойчивостью к сильным вибрационным воздействиям.

Какие способы умягчения воды подходят для разных объектов недвижимости?

Оптимальную методику выбирают с учетом реальных условий будущей эксплуатации. Опытные специалисты советуют создавать общий проект с механическими и другими фильтрами для точного согласования всех функциональных компонентов.

В городской квартире можно рассчитывать на поддержание приемлемого качества жесткой воды. Соответствующие обязательства указаны в договоре со снабжающей организацией. Однако в домашних условиях не исключены аварии на магистральных трассах, броски давления. Для защиты от этих негативных воздействий на входе устанавливают фосфатный или механический фильтр с регулятором напора и контрольными манометрами. Надо подчеркнуть преимущества электромагнитного преобразователя с учетом особенностей объектов данной категории:

• компактность;
• небольшой вес;
• отсутствие шумов;
• симпатичный внешний вид.

Для автономного загородного водоснабжения расчетливые собственники предпочитают пользоваться артезианской скважиной. Такой источник обеспечивает высокую степень очистки природной фильтрацией. Но на большой глубине увеличивается концентрация примесей, вымытых из горных пород. Среди них – соединения солей в достаточно большой концентрации.

В частном доме проще найти свободное место для технологического оборудования. Здесь можно устанавливать комплекты для умягчения воды ионообменным способом. В помещение проводят необходимые инженерные сети. Надо не забывать о хорошей изоляции. Необходимо поддерживать установленный производителем температурный режим. Следует удалить хлорные и другие химические соединения, способные повредить действующую засыпку.