В каких установках происходит умягчение воды. Специальные методы для улучшения качества воды. Нормы жесткости воды
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение «Юго-Западный государственный университет»
Кафедра общей и неорганической химии
УТВЕРЖДАЮ Первый проректор – проректор по учебной работе
Е.А. Кудряшов «___»____________2012 г.
ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЁ УМЯГЧЕНИЯ
Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ""Химия"" для студентов нехимических специальностей
УДК 546 Составители: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи
Рецензент Кандидат химических наук, доцент В. С. Мальцева
Жёсткость воды и методы её умягчения: Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ""Химия"" для студентов нехимических специальностей / Юго-Зап. гос. ун-т; Сост.: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи Курск, 2012. 18с.
Излагаются методические материалы по оценке жёсткости воды и методам её умягчения, представлены лабораторная работа по данной теме и индивидуальные задания для студентов.
Предназначены для студентов нехимических специальностей.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ
1. Жёсткость воды и причины её образования. Единицы измерения жёсткости.
2. Виды жёсткости: временная, постоянная, общая, карбонатная и некарбонатная. Какими ионами они обусловлены?
3. Влияние жёсткости на рН воды.
4. Негативные последствия использования жёсткой воды в промышленности.
5. Основные методы умягчения промышленных вод. Чем руководствуются при их выборе?
6. Термический метод умягчения воды. Его достоинства и недостатки.
7. Реагентные методы, используемые для умягчения воды. Какие химические процессы происходят при умягчении воды методом: а) известкования; б) фосфатирования; в) содовым; г) добавлением гидроксида натрия?
8. Умягчение воды ионнообменным методом.
9. Ионообменная емкость катионита и анионита. В каких единицах она выражается? От каких факторов зависит?
10. Почему для регенерации катионита его промывают раствором хлористого натрия, а затем водой? Можно ли регенерировать катионит, промывая его раствором хлористого магния?
Библиографический список
1. Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высш. шк., 2007 г.
2. Задачи и упражнения по общей химии/ Под ред. Н.В. Коровина. М.: Высш. шк., 2004 г.
3. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. М.: Интеграл-прес, 2002 г.
4. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк.,
Природная вода является сложной многокомпонентной системой, в которой содержатся в растворенном виде различные органические и неорганические соединения.
1) Главнейшие ионы.
Катионы: Na+ , Ca2+ , Mg2+ , K+ (реже Fe2+ , Fe3+ , Mn2+ ); Анионы: HCO3 - , SO4 2- , Cl- , CO3 2- (реже HSiO3 - , SO3 2- , S2 O3 2- ).
2) Растворенные газы.
В воде чаще всего растворены: углекислый газ, кислород, азот, сероводород, метан и др.
3) Биогенные вещества.
К биогенным веществам относятся те соединения, которые возникают в связи с жизнедеятельностью организмов. В их состав входят различные формы азота (аммиачный, нитритный, нитратный), фосфора, кремния, железа.
4) Микроэлементы.
К ним относятся элементы, которые содержатся в воде в количествах меньших 10-3 %.
5) Органические вещества.
Это могут быть различного рода растительные и животные организмы, микроорганизмы и продукты их взаимодействия с окружающей средой.
Природные воды сильно различаются по общему содержанию растворенных солей и по относительному содержанию различных ионов. Это различие может существенно влиять на свойства воды и,
следовательно, на применение ее в различных областях. Специфические свойства воде придают ионы Ca2+ и Mg2+ ,
присутствие которых определяют жесткость воды .
Жесткость воды – один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод,
который характеризуется содержанием числа миллимолей эквивалентов ионов Са2+ и Мg2+ в 1 л воды. Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию в воде 20,04 мг/л Са2+ или 12,16мг/л Mg2+ , что соответствует значению эквивалентной массы этих ионов.
Эти ионы появляются в природных водах в результате
взаимодействия с известняками или в результате растворения гипса. CaCO3 + H2 O + CO2 = Ca2+ + 2HCO3 -
Жёсткость природных вод колеблется в широких пределах. Вода, жёсткость которой менее 4 мэкв/л ионов Са2+ и Мg2+ , характеризуется как мягкая, от 4 до 8 – умеренно жёсткая , от 8 до 12
– жёсткая и более 12 мэкв/л – очень жёсткая .
Например, наиболее мягкой является вода атмосферных осадков (0,07-0,1мэкв/л), а жесткость океанской воды составляет 130 мэкв/л.
Различают несколько видов жёсткости: общую, временную, постоянную, карбонатную и некарбонатную.
Общей жёсткостью называется суммарная концентрация ионов Ca2+ , Mg2+ в воде, выраженная в мэкв/л.
Постоянная жёсткость - часть общей жёсткости, остающаяся после кипячения воды при атмосферном давлении в течение определённого времени.
Временная жёсткость – часть общей жёсткости, удаляющаяся кипячением воды при атмосферном давлении в течение определённого времени. Она равна разности между общей и постоянной жёсткостью.
Карбонатная жёсткость – часть общей жёсткости,
эквивалентная концентрации гидрокарбонатов кальция и магния. Некарбонатная жёсткость - часть общей жёсткости, равная
разности между общей и карбонатной жёсткостью.
Пример 1. В 5 м 3 воды содержится 250 г ионов кальция и 135 г ионов магния. Определить общую жесткость воды.
Решение . Найдем содержание ионов кальция и магния (в мг/л) в
250 1000 / 5 1000 = 50 (мг/л) ионов Са2+
и 135 1000 / 5 1000 = 27 (мг/л) ионов Mg 2+ .
1 мэкв жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л ионов. Са2+ или 12,16 мг/л ионов Мg2+ ; следовательно,
Ж = 50/20,04 + 27/12,16 = 4,715 (мэкв/л).
Ответ : вода умеренно жесткая.
Пример 2 . Вычислить карбонатную жёсткость воды, зная, что на титрование 100мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция,
потребовалось 6,25мл, 0,08 н раствора НС1. Привести уравнение соответствующей реакции.
Решение : Задачу решаем используя закон эквивалентов для растворов.
Вычислим нормальность раствора гидрокарбоната кальция: N1 = 6,25 0,08 ⁄ 100 = 0,005 н
Следовательно, в 1 л воды содержится 0,005 1000 = 5 мэкв гидрокарбоната кальция.
Ответ: Ж=5мэкв/л
Ионы Ca2+ и Mg2+ не представляют опасности, но значительное их содержание в воде приводит к перерасходу мыла, ухудшению вкуса продуктов и т.д. При нагревании и, особенно при испарении воды соли этих металлов образуют слой накипи, снижающий коэффициенты теплопередачи в охлаждающих и нагревающих системах, что является крайне нежелательным.
Использование природной воды в технике требует ее предварительной очистки. Процесс, приводящий к снижению жёсткости воды, называется умягчением воды .
Способы умягчения воды можно разделить на три основные группы:
1) термическое умягчение воды; 2) реагентные методы умягчения; 3) умягчение воды методом ионного обмена.
1. Термический способ умягчения воды
Временная или карбонатная жесткость , устраняется нагреванием воды до 70-80°С и последующей фильтрацией. При нагревании протекают реакции:
Са(НСОз)2 = СаСО3 + СО2 + H2 O
Mg(HCО3 )2 = MgCО3 + CO2 + H2 О
Однако полностью устранить карбонатную жёсткость термическим методом нельзя, т. к. СаСО3 , хотя и незначительно, но растворим в воде. Растворимость МgСО3 достаточно высока, поэтому гидрокарбонат магния сразу же взаимодействует с водой, т.е.
наблюдается процесс гидролиза и вместо МgСО3 , в осадок выпадает
Mg(ОН)2:
MgC03 + H2 О =Мg(ОН)2 + СO2
Термическое умягчение воды связано со значительными затратами, поэтому применяется лишь в том случае, когда вода должна подвергаться соответствующему нагреву.
2. Реагентное умягчение воды.
Реагентное умягчение воды состоит в том, что при введении в
воду специальных реагентов катионы кальция и магния, растворенные в ней, переходят в практически нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. В зависимости от используемых реагентов методы водоумягчения классифицируют на известковый, известково-содовый, щелочной, фосфатный и бариевый.
2.1.Известковый метод.
Данный метод используют для частичного устранения из воды карбонатной жесткости.
При введении в воду гашёной извести в виде известкового молока гидрокарбонат кальция соли осаждаются в виде карбонатов:
Са(НСОз)2 + Са(ОН)2 = 2СаСОз + 2Н2 О, Дальнейшее введение в воду извести приводит к гидролизу
магниевых солей и образованию малорастворимого гидроксида магния, который при рН≥ 10,2…10,3 выпадает в осадок:
Mg(HCO3 )2 + Ca(OH)2 = MgCО3 + СаСО3 + CO2 + 2H2 О MgCО3 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCO3 ,
Известкованием устраняют из воды и некарбонатную магниевую жесткость при условии, что рН воды будет не ниже 10,2 (при других значениях рН воды гидроксид магния не выпадает в осадок):
MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaSO4
MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCl2
Приведенные уравнения показывают, что магниевая жесткость устраняется, но значение общей жесткости остается неизменным, так как магниевая жесткость заменяется кальциевой, некарбонатной. Поэтому данный способ можно применять только для умягчения воды с большим значением карбонатной жесткости.
Устранение временной жесткости нейтрализацией гидрокарбонатов гашеной известью применяется крайне редко, т. к. а) мелкодисперсные осадки плохо осаждаются, и требуется укрупнение частиц; б) большое количество мелкодисперсных органических веществ препятствует образованию осадка.
2.2.Известково-содовый
Этот метод используют для одновременного понижения карбонатной и некарбонатной жесткости, когда не требуется глубокого умягчения воды.
Химизм процесса описывается реакциями: MgS04 + Na2 СОз = MgСОз↓ + Na2 SO4 CaCl2 + Na2 CO3 = СаСОз↓ + 2NaCl
(Уравнения реакций устранения карбонатной жесткости с помощью извести смотри выше в п.2.1.).
После добавления в воду реагентов происходит мгновенное образование коллоидных соединений СаСОз и Mg(OH)2 , однако их переход от коллоидного состояния в грубодисперсное, т.е. в то состояние, при котором они выпадают в осадок, занимает длительное время. Поэтому часто известково-содовый способ сочетают с термическим. Например, такое сочетание используют при умягчении воды, которая используется для питания котлов низкого давления, для подпитки теплосети и т.д.
Глубина умягчения воды при известково-содовом методе соответственно равна: без подогрева воды жесткость понижается до
1…2мэкв/л;
при подогреве воды до 80…90о С жесткость понижается до
0,2…0,4мэкв/л.
2.3. Щелочной метод.
Данный метод умягчения воды описывается следующими уравнениями химических реакций:
Ca(HCO3 )2 + 2NaOH = CaCO3 ↓ + Na2 CO3 + H2 O
Mg(HCO3 )2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + Na2 CO3 + H2 O + CO2
CaSO4 + Na2 CO3 = CaCO3 ↓ + Na2 SO4
CaCl2 + Na2 CO3 = CaCO3 ↓ + 2NaCl
CO2 +NaOH = Na2 CO3 + H2 O
MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + Na2 SO4
MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + 2NaCl
Из приведенных уравнений реакций следует:
1) гидроксид натрия (NaOH) в процессе умягчения воды расходуется на устранение карбонатной жесткости и нейтрализацию углекислого газа, растворенного в воде.
2) сода (Na 2 CO3 ), образующаяся при распаде гидрокарбонатов и нейтрализации углекислого газа, используется для удаления некарбонатной жесткости.
Глубина умягчения воды при щелочном методе такая же, как и при известково-содовом, т.е. значение остаточной жесткости практически около 1мэкв/л, а при подогреве умягчаемой воды –
0,2…0,4мэкв/л.
2.4.Фосфатный метод.
Данный метод умягчения воды является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса умягчения воды фосфатом натрия описывается следующими уравнениями реакций:
3CaS04 + 2Na3 P04 = Саз (РО4 )2 ↓ + Na2 SO4 3MgCl2 + 2Na3 PO4 = Mg3 (PO4 )2 ↓ + 6NaCl 3Ca(HCO3 )2 + 2Na3 PO4 = Ca3 (PO4 )2 ↓ + 6NaHCO3 3Mg(HCO3 )2 + 2Na3 PO4 = Mg3 (PO4 )2 ↓+ 6NaHCO3
Как видно из приведенных уравнений 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…1500 С, достигая уменьшения жесткости до 0,02...0,03мэкв/л. Из-за высокой стоимости фосфата натрия фосфатный метод обычно используют для доумягчения воды, предварительно умягченной известью и содой. Данный метод используется, например, для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления (588…980МПа).
2.5.Бариевый метод.
Умягчение воды основано на введении в нее гидроксида бария или алюмината бария и образовании практически нерастворимых соединений кальция и магния, а также сульфата бария. Химизм процесса описывается следующими уравнениями реакций:
CaSO4 + Ba(OH)2 = Ca(OH)2 ↓ + BaSO4 ↓
CaCl2 + BaAl2 O4 = BaCl2 + CaAl2 O4 ↓
Ca(HCO3 )2 + BaAl2 O4 = CaAl2 O4 ↓ + BaCO3 ↓ + H2 O + CO2
(Аналогичные уравнения реакций можно записать и для солей магния).
Бариевый метод умягчения воды очень дорогой, а бариевые соли ядовиты, поэтому его целесообразно применять при частичном обессоливании воды за счет извлечения сульфатов.
Пример 3. Жесткость воды равна 5,4 мэкв ионов кальция в 1 л воды. Какое количество фосфата натрия Na3 P04 необходимо взять, чтобы понизить жесткость 1 т воды практически до нуля.
Решение : Задачу решаем, используя формулу
Ж = m / Э V, (1)
где m – масса вещества, обусловливающего жёсткость воды, или применяемого для устранения жёсткости воды, г;
Э – эквивалентная масса этого вещества; г/моль; V – объём воды, л.
Э (Na3 PO4 ) = М(Na3 PO4 ) / n В, |
где n – количество ионов металла; В – валентность металла.
Э(Na3 PO4 ) = 164 / 3 =54,7 (г/моль)
Из уравнения (1) выразим массу
m = Ж Э V = 5,4 54,7 1000 = 295,38 (г) Ответ: m = 295,38г.
3. Методы ионного обмена
Катионитовый метод умягчения воды основан на способности некоторых практически нерастворимых в воде веществ, называемых катионитами , обменивать содержащиеся в них активные группы катионов (натрия, водорода и др.), на катионы кальция или магния, находящиеся в воде.
В настоящее время большое распространение получили ионообменные смолы, которые получают на основе синтетических полимеров. Ионнообменные смолы – это сетчатые, трёхмерные полимеры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие групы, способные к обмену ионов
Умягчаемую воду фильтруют через слой катионита, при этом катионы кальция и магния из воды переходят в катионит, а в воду
На своем участке — выкопали колодец или пробурили скважину для хозяйственно-бытовых нужд дома.
И столкнулись с такой проблемой:
- белые следы на сантехнике,
- накипь в чайнике,
- ощущение сухости кожи,
- жесткие волосы после мытья
- на электронагревательных приборах образуется известковая корка
Анализ воды, который Вы сделали в химической лаборатории показал: очень жесткая вода! >25мг/л.экв и/или высокая общая минерализация воды, сухой остаток более 1500мг/л .
Фирмы предлагают Вам дорогущие методы очистки ионообменными смолами без гарантии… Вы получаете примерно такие такие письма в ответ на свой запрос об очистке воды:
«Здравствуйте.
в связи с многократным превышением ПДК по жесткости, а так же по солесодержанию и сульфатам, Комплекс водоподготовки с монтажом обойдется от 300 тыс. рублей, в противном случае гарантию на качество очищенной воды не даем
.
Если Вы готовы на такие расходы- пришлем предложение.»
Для удаления солей жесткости можно умягчать воду с помощью , либо синтетического , но во-первых, максимальное количество солей жесткости,с которыми можно справиться умягчителем не более 15 мг/л экв., во-вторых общую минерализацию воды снизить умягчителем не получится, ведь умягчение — это не удаление, а замещение одних ионов на другие.
Стоимость умягчителя для стандартного удаления солей жесткости начинается от 23 000р с хорошей . Для подбора умягчителя присылайте анализ на почту [email protected] — я предложу Вам подходящий вариант.
Что делать, если умягчитель бесполезен, а система обратного осмоса на весь дом слишком дорогая (>2000$)? С такой водой жить тяжело, потому что она оставляет бело-рыжие наросты на сантехнике, которые невозможно вывести, очень быстро засоряется солями жесткости боилер, нагревательная спираль стиралки и посудомойки, а что творится в чайнике — лучше не смотреть!!!
Особая проблема с такой водой встает перед фермерами, садоводами, разводчиками рыбы, ведь такая вода непригодна для кормления скота и полива растений, подпитки пруда. А воды этой нужно очень много.
В случае высокой общей минерализации воды умягчитель не поможет и остается только два способа:
- дорогой обратный осмос,
- дешевый, но требующий регулярного приложения рук процесс химической очистки воды от солей жесткости — известково-содовым методом.
Заключается известково-содовый метод в растворении небольшого количества реагента в накопительной емкости с водой, выпадает осадок, воду забираем на очистку, осадок сливаем в дренаж.
Известково-содовый метод умягчения воды:
В емкость общим объемом, скажем, 1 куб набираем воду.
Рассказать друзьям
Проблема жесткой воды знакома как городским жителям, так и тем, кто проживает за городом и пользуется водой из скважины или колодца.
Практически вся вода из водопровода имеет в своем составе соли магния и кальция. Именно они отвечает за такой показатель, как жесткость. Чем выше их концентрация, тем жестче жидкость.
Переизбыток солей не только вреден для организма, но и опасен для сантехники, бытовых приборов, труб. Зарастание солями поверхностей изнутри снижает теплоотдачу, приводит к быстрой поломке техники.
По степени жесткости воду делят на:
- мягкую,
- среднюю,
- жесткую,
- сверхжесткую.
Мягкую можно получить только из скважины большой глубины, средняя бежит из наших кранов, а последние две встречаются практически повсеместно и доставляют немало хлопот.
Жесткая вода:
- приводит к отложению камней в суставах и почках,
- вынуждает использовать больше порошка и моющих средств,
- приводит к поломкам различных элементов оборудования, запорной арматуры.
Справиться с проблемой помогут фильтры умягчители . Они заменяют ионы магния и кальция на безопасные ионы натрия.
Современные системы умягчения воды помогут решить проблему эффективно и быстро.
Существует несколько способов сделать воду мягче. Самый простой — кипячение, но полностью избавиться от солей это не поможет.
Раньше в воду добавляли кальцинированную соду или известь, сегодня применяют ортофосфат натрия. Но данный способ требует наличия большого резервуара, постоянного пополнения реагента, утилизацию отходов, а для использования в домашних условиях это совсем неудобно.
Гораздо практичнее и эффективнее ионообменные фильтры, которые могут снизить концентрацию солей до 0,01 мг/л.
Еще один популярный вид фильтров — электромагнитный. В основе его действия – это электромагнитные волны, которые заставляют кристаллы соли изменить свою форму, и жидкость становится мягче.
Качественный фильтр умягчения воды для дачи должен отвечать следующим требованиям:
- иметь возможность технологической промывки, чтобы не допускать быстрого засорения ячеек фильтра (обычно данному требованию соответствуют магистральные фильтры грубой очистки),
- не содержать полифосфаты и другие реагенты (специалисты не рекомендуют использовать реагентные методы для получения питьевой воды),
- работать бесперебойно без контроля с вашей стороны,
- иметь экономный расход электроэнергии.
Последним двум требованиям соответствуют электромагнитные фильтры, уверенно набирающие популярность в России.
Но прежде чем принять решение об установке того или иного оборудования, рекомендуется провести анализ жидкости и обратиться к специалистам, которые подберут оптимальный фильтр умягчения для коттеджа исходя из ваших потребностей и особенностей дома и источника.
Знать степень жесткости используемой воды обязательно. От показателя жесткости питьевой воды зависит множество аспектов нашей жизни: сколько использовать стирального порошка, нужны ли меры по умягчению жесткой воды, сколько проживут аквариумные рыбки в воде, нужно ли введение полифосфатов в обратном осмосе и т.д.
Существует множество способов определения жесткости:
- по количеству образованной пены моющего средства;
- по району;
- по количеству накипи на нагревательных элементах;
- по вкусовым свойствам воды;
- с помощью реагентов и специальных приборов
Что такое жесткость?
В воде присутствуют основные катионы: кальций, магний, марганец, железо, стронций. Последние три катиона мало влияют на жесткость воды. Существуют еще трехвалентный катион алюминия и железа, которые при определенном рН образуют известняковый налет.
Жесткость может быть разного вида:
- общая жесткость – общее содержание ионов магния и кальция;
- карбонатная жесткость – содержание гидрокарбонатов и карбонатов при рН большем 8,3. Их легко удалить через кипячение: во время нагревания распадаются на угольную кислоту и осадка;
- некарбонатная жесткость – соли кальция и магния сильных кислот; нельзя удалить с помощью кипячения.
Существует несколько единиц жесткости воды: моль/м 3 , мг-экв/л, dH, d⁰, f⁰, ppm CaCO 3 .
Почему вода имеет жесткость? Ионы щелочноземельных металлов есть во всех минерализованных водах. Они берутся из залежей доломитов, гипса и известняка. Источники воды могут иметь жесткость в различных диапазонах. Существует несколько систем жесткости. За границей к ней подходят более «жестко». К примеру у нас вода считается мягкой при жесткости 0-4 мг-экв/л, а в США – 0-1,5 мг-экв/л; очень жесткая вода в России – свыше 12 мг-эк/л, а в США – свыше 6 мг-экв/л.
Жесткость маломинерализованных вод на 80% обусловлена ионами кальция. С ростом минерализации доля ионов кальция резко снижается, а ионов магния – увеличивается.
Чаще всего поверхностные воды обладают меньшей жесткостью, чем подземные. Так же жесткость зависит от сезона: во время таяния снегов она снижается.
Жесткость питьевой воды изменяет ее вкус. Порог чувствительности для иона кальция – от 2 до 6 мг-экв/л, зависит от анионов. Вода становиться горьковатой и плохо влияет на процесс пищеварения. ВОЗ не дает каких-либо рекомендаций по жесткости воды, так как нет точных доказательств ее влияния на организм человека.
Ограничение жесткости необходимо для нагревательных приборов. Например, в котлах – до 0,1 мг-экв/л. Мягкая вода имеет низкую щелочность и вызывает коррозию водопроводных коммуникаций. Коммунальные службы используют специальную обработку, что бы найти компромисс между налетом и коррозией.
Существует три группы способов умягчения воды:
- физический;
- химический;
- экстрасенсорный.
Реагентные способы умягчения воды
Ионный обмен
Химические способы основаны на ионном обмене. Фильтрующей массой является ионообменная смола. Она представляет собой длинные молекулы, которые собрали в шарики желтого цвета. Из шариков выступают маленькие отростки с ионами натрия.
Во время фильтрации вода пропитывает всю смолу, а ее соли становятся на место натрия. Сам натрий уноситься водой. Из-за разницы зарядов ионов вымывается в 2 раза больше солей, чем оседает. С течением времени соли все заменяются и смола перестает работать. Период работы у каждой смолы свой.
Ионообменная смола может быть в картриджах или насыпаться в длинный болон — колонна. Картриджи имеют небольшой размер и используются только для снижения жесткости питьевой воды. Идеально подходит для умягчения воды в домашних условиях. Ионообменная колонна используется для умягчение воды в квартире или небольшом производстве. Кроме большой стоимости колонна должна периодически загружаться восстановленной фильтрующей массой.
Если в смоле картриджа не осталось ионов натрия, то его просто заменяют на новый, а старый – выбрасывают. При использовании ионообменной колоны смолу восстанавливают в специальном баке с рассолом. Для этого растворяют таблетированию соль. Солевой раствор регенерирует способность смолы к обмену ионами.
Обратной стороной является дополнительная способность воды удалять железо. Оно забивает смолу и приводит ее в полную непригодность. Следует вовремя делать анализ воды!
Использование других химических реагентов
Существует ряд менее популярных, но эффективных способов умягчения воды:
- кальцинированная сода или известь;
- полифосфаты;
- антискаланты – соединения против образования накипи.
Умягчение известью и содой
Умягчение воды содой
Метод умягчения воды с использованием извести называется известкованием. Используют гашенную известь. Содержание карбонатов снижается.
Смесь соды и извести наиболее эффективно. Для наглядности умягчения воды в домашних условиях можно добавить кальцинированную соду в воду для стирки. На ведро берут 1-2 чайные ложки. Хорошо размешивают и ожидают выпадения осадка. Подобным методом пользовались женщины в Древней Греции, используя печную золу.
Вода после извести и соды не пригодна для пищевых целей!
Умягчение полифосфатами
Полифосфаты способны связывать соли жесткости. Они представляют собой крупные белые кристаллы. Вода проходит через фильтр и растворяет полифосфаты, связывая соли.
Недостатком является опасность полифосфатов для живых организмов, в том числе и человека. Они являются удобрением: после попадания в водоем наблюдается активный рост водорослей.
Полифосфаты так же непригодны для умягчения питьевой воды!
Физический метод умягчения воды
Физические способы борются с последствиями высокой жесткости – накипью. Это безреагентная очистка воды. При ее использовании не происходит снижение концентрации соли, а просто предотвращается вред для труб и нагревательных элементов. Вода становиться мягкой или для большего понимания – умягченной.
Выделяют следующие физические способы:
- использование магнитного поля;
- с помощью электрического поля;
- ультразвуковая обработка;
- термический способ;
- использование малоточечных токовых импульсов.
Магнитное поле
Безреагентное умягчение воды с помощью магнитного поля имеет множество нюансов. Эффективность достигается только при соблюдении определенных правил:
- определенная скорость потока воды;
- подобранная напряженность поля;
- определенный ионный и молекулярный состав воды;
- температура входящей и выходящей воды;
- время обработки;
- атмосферное давление;
- давление воды и т.д.
Изменение какого-либо параметра требует полной перенастройки всей системы. Реакция должна быть незамедлительной. Несмотря на сложность контроля параметров, магнитное умягчение воды используют в котельных.
Но для умягчения воды в домашних условиях с помощью магнитного поля почти невозможно. При появлении желания приобрести магнитик на трубопровод, подумайте, как вы подберете и будите обеспечивать необходимые параметры.
Использование ультразвука
Ультразвук приводит к кавитации – образованию газовых пузырьков. Повышается вероятность встречи ионов магния и кальция. Появляются центры кристаллизации не на поверхности труб, а в толще воды.
При умягчении горячей воды ультразвуком кристаллы не достигают размера, необходимого для осаждения – накипь не образуется на теплообменных поверхностях.
Дополнительно возникают высокочастотные колебания, которые препятствуют образования налета: отталкивают кристаллы от поверхности.
Изгибные колебания пагубны для образованного слоя накипи. Она начинает откалываться кусочками, которые могут засорить каналы. Перед использованием ультразвука необходимо очистить поверхности от накипи.
Электромагнитные импульсы
Безреагентные умягчители воды на основе электромагнитных импульсов меняют способ кристаллизации солей. Создаются динамические электрические импульсы с разными характеристиками. Они идут по проводу-обмотке на трубе. Кристаллы обретают форму длинных полочек, которым трудно закрепиться на поверхности теплообмена.
В процессе обработки выделяется углекислота, которая борется с уже имеющимся известковым налетом и образует защитную пленку на металлических поверхностях.
Термоумягчение
Кто-то слышит про этот метод первый раз. Но на самом деле им пользуется каждый с детства. Это привычное для нас кипячение воды.
Все замечали, что после кипячения воды образуется осадок из солей жесткости. Кофе или чай делают из более мягкой воды, чем водопроводная.
А сколько нужно кипятить? Все просто: с ростом температуры и ее воздействием соли жесткости менее растворимые и больше выпадают в осадок. В процессе нагревания выделяется углекислый газ. Чем быстрее он улетучивается, тем больше образуется известняковый налет. Плотно закрытая крышка препятствует выведению углекислого газа, а в открытой емкости быстро испаряется жидкость.
При использовании термоумягчения следует оставлять крышку в емкости слегка открытой. Так же следует обеспечить максимальную площадь осаждения солей для ускорения умягчения питьевой воды.
При жесткости до 4 мг-экв/л термическое умягчение не нужно: соли будут оседать медленнее, чем испаряется вода. В оставшейся воде будет повышенная концентрация многих примесей.
Умягчение воды — процесс, направленный на удаление из нее катионов кальция и магния, т.е. снижение ее жесткости .
По требованию САНПиН жесткость питьевой воды не должна превышать 7 мг-экв/л, а к воде, участвующей в процессах теплообмена выставляют требования глубокого ее умягчения, т.е. до 0,05…0,01 мг-экв/л. Жесткость воды, используемой для подпитки барабанных котлов ТЭЦ, не должна превышать 0,005 мг-экв/л, или 5 мкг-экв/л.
Снижение совокупной концентрации катионов Mg(II), Ca(II) и анионов, с которыми они при определенных условиях могут образовывать не стенках труб и аппаратов плотные нерастворимые отложения, проходит на системах водоочистки и водоподготовки различными методами, чей выбор определяется качеством исходной воды, требованию к ее очистке и технико-экономическими соображениями.
Метод ионного обмена.
В основе данного метода лежит способность некоторых материалов (катионитов и анионитов) поглощать из воды ионы (катионы и анионы) в обмен на эквивалентное количество ионов (катионов и анионов).
Процесс катионирования — тот процесс, при котором происходит обмен катионами. В водоподготовке при умягчении — катионами катионита на ионы Ca 2+ и Mg 2+ из воды.
Процесс анионирования — соответственно анионами, в основном при обессоливании и глубоком обессоливании.
Магнитная обработка воды.
Использование магнитной обработки воды целесообразно в случае высокой кальциево-карбонатной жесткости.
В процессе прохождения воды сквозь магнитное поле в ней образуются центры кристаллизации, которые укрупняются и выпадают в неприкипающий шлам, удаляемый при продувке. Т.е. выделение осадка идет не на стенках поверхности нагрева, а в объеме воды.
Влияние на противонакипный эффект оказывают такие факторы, как качественный и количественный состав воды, скорость движения жидкости сквозь магнитные силовые линии, напряженность магнитного поля и время пребывания в нем воды.
Условиями для осуществления успешной магнитной обработки воды должно являться высокое содержание карбоната и сульфата кальция, а концентрация свободного оксида углерода IV должна быть меньше равновесной. Так же увеличивают противонакипный эффект содержащиеся в воде примеси оксидов железа и прочих.
Аппараты магнитной обработки воды работают как на основе постоянных магнитов, так и на основе электромагнитов. Недостатком аппаратов с постоянными магнитами является то, что время от времени их приходится чистить от ферромагнитных примесей. Электромагниты чистят от оксидов железа, отключив их от сети.
Скорость воды в магнитном поле при ее обработке не должна превышать 1м/с. Для увеличения объема обрабатываемой воды на единицу времени применяют аппараты с послойной магнитной обработкой.
Метод магнитной обработки нашел применение на тепловых сетях горячего водоснабжения, на ТЭЦ, в теплообменных аппаратах.
Выбор данного метода при решении задачи умягчения воды должен главным образом основываться на его эффективности при очистке воды данного качества – использоваться как основной, последующей ступени или в качестве дополнительного.
Обратный осмос.
В данное время наиболее широкое распространение в водоподготовке получил метод обратного осмоса.
Суть метода состоит в том, что под высоким давлением, — от 10 до 25 атмосфер, — вода подается на мембраны. Мембраны, являясь селективным материалом по отношению к проходящим сквозь нее примесям, пропускают молекулы воды и не пропускают растворенные в воде ионы.
Таким образом, на выходе после установки обратного осмоса мы получаем два потока — первый поток чистой воды, прошедшей сквозь мембрану, так называемый пермеат, и второй поток — воды с примесями, не прошедшей сквозь мембрану, называемый концентратом.
Пермеат направляется потребителю и составляет от 50 до 80 % от объема подаваемой воды. Его количество зависит от свойств мембраны и ее состояния, качества исходной воды и желаемого результата очистки. Чаще всего это около 70%.
Концентрат, соответственно, от 50 до 20%.
При увеличении нагрузки на мембрану, т.е. увеличения процентного соотношения между пропускаемой водой и водой с примесями, селективность мембраны снижается и достигает минимума при отсутствии концентрата, т.е. тогда, когда вся вода, подающаяся на установку обратного осмоса, проходит сквозь мембрану.
Мембраны обратного осмоса изготовляются из композитного полимерного материала особой структуры, позволяющего при высоких давлениях пропускать воду и не пропускать растворенные в ней ионы и прочие примеси. При увеличении нагрузки на мембрану срок ее службы сокращается, а при достижении критических параметров, при которых попускаемая жидкость с примесями проходит сквозь мембрану полностью, она разрушается. Средний срок службы мембраны — 5 лет.
Поверхность мембран со временем может обрастать микроорганизмами, покрываться слоем труднорастворимых соединений. Для чистки обратноосмотических мембран применяют растворы кислот и щелочей с добавлением биоцидов.
При промывки обратного осмоса нельзя забывать, что полупроницаемая мембрана — это не фильтр. Промывка должна проводиться исключительно по ходу движения жидкости. Обратный ток раствора воды приведет к выходу мембраны из строя.
Реагентные методы обработки воды.
Реагентные методы обработки воды служат в основном для неглубокого умягчения воды путем добавления реагентов и перевода солей жесткости в малорастворимые соединения с последующим их осаждением.
В качестве реагентов используется известь, сода, едкий натр и пр. В настоящий момент мало где применяются, но для общего понимания процессов перевода в малорастворимые соединения кальция и магния и дальнейшее их осаждение, рассмотрим их.
Снижение накипи известкованием.
Метод применим к воде с высокой карбонатной и малой некарбонатной жесткостью.
При добавлении известкового молока pH воды повышается, что приводит к переходу растворенного диоксида углерода и гидрокарбонатного иона в карбонатный ион:
СО 2 + ОН - = СО 3 2- + Н 2 О,
НСО 3- + ОН - = СО 3 2- + Н 2 О.
При насыщении воды карбонатными ионами кальций выпадает в осадок:
Са 2+ + СО 3 2- = СаСО 3 ↓.
Также с увеличением рН в осадок выпадает и магний:
Мg 2+ + OH - = Mg(OH) 2 ↓.
В случае, если превышение карбонатной жесткости незначительно, то вместе с известью дозируют соду, чье присутствие снижает некарбонатную жесткость:
CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4 .
Для более полного осаждения катионов магния и кальция рекомендуется подогревать воду до температуры 30 - 40 градусов. С ее повышением растворимость CaCO 3 и Mg(OH) 2 падает. Это дает возможность снижать жесткость воды 1 мг-экв/л и менее.
Содово-натриевый метод умягчения воды.
Добавление соды необходимо в том случае, если некарбонатная жесткость больше чем карбонатная. При равенстве этих параметров добавление соды может и не понадобиться совсем.
Гидрокарбонаты кальция и магния в реакции со щелочью образуют малорастворимые соединения кальция и магния, соду, воду и углекислый газ:
Ca(HCO 3) 2 + 2NaOH = CaCO 3 ↓ + Na 2 CO 3 + 2H 2 O,
Mg(HCO 3) 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ + Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 .
Образовавшийся в результате реакции гидрокарбоната магния с щелочью углекислый газ снова реагирует с щелочью с образованием соды и воды:
CO 2 + NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O.
Некарбонатная жесткость.
Сульфат и хлорид кальция реагирует с образовавшейся в реакциях карбонатной жесткости и щелочи содой и добавленной содой с образованием неприкипающего в щелочных условиях карбоната кальция:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaCl,
CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4
Сульфат и хлорид магния реагируют со щелочью, образуя выпадающий в осадок гидроксид магния:
MgSO 4 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 ,
MgCl 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ + 2NaCl .
Ввиду того, что в реакциях гидрокарбоната с щелочью образуется сода, которая в дальнейшем реагирует с некарбонатной жесткостью, ее количество необходимо коррелировать в соотношении карбонатной и некарбонатной жесткости: при их равенстве соду можно не добавлять, при условии Ж к > Ж нк образуется избыток соды, при обратном соотношении Ж к
Комбинированные методы.
Сочетание различных методов обработки воды с целью снижения ее жесткости дает в иной раз довольно высокую результативность. Обусловлено это, как правило, высокими требованиями к качеству воды и пара.
Примером может быть сочетание обратного осмоса с натрий-катионированием . Основная жесткость воды снижается на фильтрах-катионитах, на обратном осмосе идет ее обессоливание.
В другом случаем в качестве дополнительной ступени очистки может служить магнитная обработка воды – установку располагают после системы умягчения на трубопроводе циркуляции горячего водоснабжения.
Загрузка...
