Пом'якшення води при водопідготовці

1. види жорсткості
2. Одиниці виміру
3. Яка вода м'якше
4. наслідки жорсткості
5. видалення солей
6. термічне пом'якшення
7. дистиляція
8. застосування реагентів
9. Содово-натрієвий метод
10. некарбонатная жорсткість
11. виморожування
12. інші методи
13. Вас може зацікавити:

Г. Овчинников

Висока жорсткість води в системах опалення та ГВП негативно впливає на процеси теплообміну, збільшуючи енерговитрати. Крім того, жорстка питна вода шкідлива для здоров'я людини. Для води різного призначення використовуються різні методи пом'якшення

Пом'якшення води - це процес видалення з води солей жорсткості. Але що таке жорсткість води і чому її необхідно видаляти?

Поняття жорсткості води прийнято пов'язувати з катіонами кальцію (Са2 +) і, в меншій мірі, магнію (Mg2 +). Насправді, все двовалентні катіони в тій чи іншій мірі впливають на жорсткість. Вони взаємодіють з аніонами, утворюючи з'єднання (солі жорсткості) здатні випадати в осад.

В осад можуть випадати і солі заліза, марганцю, стронцію, але на практиці всі ці елементи надають на жорсткість настільки незначний вплив, що ними, як правило, нехтують.

Алюміній (Al3 +) і тривалентне залізо (Fe3 +) також впливають на жорсткість, але при рівнях рН, що зустрічаються в природних водах, їх розчинність і, відповідно, «внесок» в жорсткість мізерно малі. Аналогічно, не враховується і незначний вплив барію (Ва2 +).

види жорсткості

Розрізняють декілька видів жорсткості води. Загальна жорсткість визначається сумарною концентрацією іонів кальцію і магнію. Являє собою суму карбонатної (тимчасової) і некарбонатних (постійної) жорсткості.

Карбонатна жорсткість обумовлена ​​наявністю у воді гідрокарбонатів і карбонатів (при рН> 8,3). Тимчасова жорсткість характеризується присутністю у воді поряд з катіонами Ca2 +, Mg2 + і Fe2 + гідрокарбонатних, або бікарбонатних аніонів (HCO3-). Даний тип жорсткості майже повністю усувається при кип'ятінні води і саме тому отримав назву тимчасової жорсткості. При нагріванні води гідрокарбонати розпадаються з утворенням вугільної кислоти і випаданням в осад карбонату кальцію, гідроксиду магнію і заліза.

Некарбонатная жорсткість обумовлена ​​присутністю кальцієвих і магнієвих солей сильних кислот (сірчаної, азотної, соляної) і при кип'ятінні не зникає, тому отримала найменування постійної жорсткості.

Одиниці виміру

У світовій практиці використовується кілька одиниць вимірювання жорсткості, всі вони певним чином співвідносяться один з одним.

За одиницю жорсткості беруть жорсткість води, в 1 л якої міститься 1 ммоль еквівалентів Ca2 + або Mg2 +. Одна одиниця жорсткості (1 ммоль / л) відповідає змісту іонів кальцію, рівному 20,04 мг / л або іонів магнію, рівному 12,15 мг / л. Загальну жорсткість води (H) можна обчислити за формулою:

m (X) - маса розчиненої речовини, мг; M (1 / zX) - молярна маса еквівалента речовини, мг / ммоль (г / моль); V - об'єм води, л; M (1 / zCa2 +) = 20,04 мг / ммоль; M (1 / zMg2 +) = 12,15 мг / ммоль.

Крім цього в зарубіжних країнах широко використовуються такі одиниці жорсткості, як німецький градус (˚d, dH), французький градус (˚f), американський градус, ppm CaCO3.
Співвідношення цих одиниць жорсткості представлено в табл. 1.

Таблиця 1. Співвідношення різних одиниць жорсткості

Моль / м3 (мг-екв / л) Німецький градус (˚d, dH) Французький градус (˚f) Американський градус, ppm (мг / дм3 СаСО3) 1,000 2,804 5,005 50,050

Так, один німецький градус відповідає 10 мг / дм3 СаО або 17,86 мг / дм3 СаСО3 у воді. Один французький градус - 10 мг / дм3 СаСО3 у воді, а американський градус еквівалентний 1 мг / дм3 СаСО3 у воді.
Жорсткість води коливається в широких межах і існує безліч типів її класифікацій. Так, в Німеччині застосовуються норми жорсткості Німецького інституту стандартизації (DIN 19643), а в США - класифікація, прийнята Агентством з охорони навколишнього середовища (USEPA) в 1986 р (табл. 2).

Таблиця 2. Класифікація різних типів жорсткості

Яка вода м'якше

Зазвичай в мінералізованих водах переважає жорсткість, обумовлена ​​іонами кальцію (хоча в окремих рідкісних випадках магнієва жорсткість може досягати 50-60%). Зі збільшенням ступеня загальної мінералізації води вміст іонів кальцію (Са2 +) швидко падає і рідко перевищує 1 г / л. А зміст іонів магнію (Mg2 +) у високомінералізованих водах може досягати декількох грамів, а в солоних озерах - десятків грамів на один літр води.

В цілому, жорсткість поверхневих вод, як правило, менше жорсткості вод підземних. Жорсткість поверхневих вод схильна до помітних сезонних коливань, досягаючи зазвичай найбільшого значення в кінці зими і найменшого в період повені, коли рясно розбавляється м'якою дощовою і талою водою. Морська і океанічна вода мають дуже високу твердість (десятки і сотні мг-екв / л).

наслідки жорсткості

Жорстка питна вода гіркувата через магнію на смак і чинить негативний вплив на органи травлення. За нормами Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ), оптимальна жорсткість питної води становить 1,0-2,0 мг-екв / л.

У жорсткій воді погано розварюються продукти харчування, так як катіони кальцію з білками їжі утворюють нерозчинні сполуки; їх поживна цінність зменшується. Постійне вживання жорсткої води може призвести до відкладення солей (сечокам'яна хвороба) в організмі людини.

У такій воді погано заварюються чай, кава. У побутових умовах надлишок солей жорсткості призводить до заростання накипом поверхонь, що нагріваються в бойлерах, чайниках, трубах, відкладенню солей на Сантехарматура та виведення її з ладу, залишають наліт на волоссі і шкірі людини, створюючи неприємне відчуття їх «жорсткості».

Жорсткість води, використовуваної для приготування різних продуктів, чітко регламентована і знаходиться на рівні 0,1-0,2 мг-екв / л.

Жорстка вода утворює накип на стінках нагрівальних котлів, батареях і ін., Чим суттєво погіршує їх теплотехнічні характеристики, зменшує вільний перетин трубопроводів.

Трубопроводи заростають накипними відкладеннями настільки, що їх продуктивність падає в кілька разів. Тому в тих процесах, де допустимо використання води з деяким вмістом солей, її жорсткість обмежується ще меншими значеннями - 0,03-0,05 мг-екв / л.

Накип на нагрівачах пральних машин виводить їх з ладу. При пранні, взаємодіючи з поверхнево-активними речовинами (ПАР) мила або пральних порошків, солі жорсткості пов'язують їх і вимагають більшої витрати. Жорсткою водою не можна користуватися при проведенні деяких технологічних процесів, наприклад при фарбуванні, в електрохімії і так далі.

видалення солей

Процеси вилучення з води солей Ca2 + і Mg2 + в водопідготовки називають пом'якшення води.
Щодо селективне видалення солей жорсткості з води може проводитися методами:

• термічної обробки;
• дистиляції;
• реагентного пом'якшення;
• виморожування;
• магнітної обробки;
• ультразвукової обробки;
• іонного обміну;
• зворотного осмосу.

Також відомі методи обробки води (електромагнітний вплив, додавання поліфосфатів або інших «антинакипинов»), що дозволяють на час «зв'язати» солі жорсткості, не даючи їм протягом якогось часу випасти у вигляді накипу. Однак ці методи не нейтралізують солі жорсткості хімічно, фактично не видаляють їх і тому знайшли обмежене застосування у водопідготовці технічної води.

термічне пом'якшення

Цим способом позбавляються від тимчасової жорсткості, обумовленої гідрокарбонатами кальцію і магнію. При кип'ятінні води гідрокарбонати розкладаються з утворенням осаду середнього або основного карбонату:

Ca (HCO3) 2 = СаСО3 ↓ + СО2 ↑ + Н 2 О,
Mg (HCO3) 2 = Мg2 (ОН) 2СО3 ↓ + 3СО2 ↑ + Н2О.

В результаті, жорсткість води знижується. Саме тому гідрокарбонатно жорсткість називають тимчасовою.

З іонами заліза реакція протікає складніше через те, що FeCO3 нестійке в воді речовина. У присутності кисню кінцевим продуктом ланцюжка реакцій виявляється Fe (OH) 3, що представляє собою темно-рудий осад. Тому, чим більше у воді заліза, тим сильніше забарвлення у накипу, яка осідає на стінках і дні судини при кип'ятінні.

Таким чином, при кип'ятінні води в побуті одночасно відбувається і процес часткового її пом'якшення.

дистиляція

Дистиляція є традиційним, ефективним і надійним методом, що забезпечує високу ступінь очищення високомінералізованих вод з великим солевмістом і жорсткістю.

Загальний принцип отримання води цим методом полягає в наступному: питна вода, що пройшла попередню підготовку, надходить в дистилятор, що складається з трьох основних вузлів: випарника, конденсатора і збірника.

Випарник з водою нагрівають до кипіння. Пари води надходять в конденсатор, де вони сжижаются і у вигляді дистиляту надходять до збірки. Все нелеткі домішки, що знаходилися у вихідній воді, залишаються в дистиляторі.

Для отримання очищеної води використовують дистилятори, які відрізняються один від одного за способом нагріву, продуктивності і конструктивними особливостями.

Метод одноразової дистиляції неекономічний, так як при його використанні великі енерговитрати на нагрівання і випаровування (близько 3000 кДж на 1 кг пара), а також витрати води на конденсацію пара (близько 8 л води 1 кг пара). Тому використання одноразової дистиляції доцільно для малих потреблений води - 10-20 л / год.

Більш ефективними і економічними, в порівнянні зі звичайною дистиляцією, є високоефективні багатоколонкові дистилятори. Але вони надзвичайно дорогі, до того ж високі витрати на передпідготовки води для них.

Варто відзначити, що метод дистиляції видаляє всі розчинені солі у вихідній воді.

застосування реагентів

Розрізняють пом'якшення води вапнуванням, содо-вапнуванням і содово-натрієвий метод пом'якшення води.

При вапнуванні в розчин додають гашене вапно Ca (OH) 2 до рН близько 10. В результаті протікають реакції:

Ca (HCO3) 2 + Ca (OH) 2 = 2CaCO3 + 2Н2O,
Mg (HCO3) 2 + 2Ca (OH) 2 = Mg (OH) 2 + 2СaCO3 + 2Н2O.

Даний метод застосовують при високою карбонатною і низькою некарбонатних жорсткості води, коли потрібно одночасне зниження жорсткості та лужності. Залишкова жорсткість на 0,4-0,8 мг-екв / л перевищує некарбонатную жорсткість.

При содо-вапнування в воду додають гашене вапно Ca (OH) 2 і соду Na2CO3 до рН близько 10. В результаті протікають реакції:

Ca (HCO3) 2 + Ca (OH) 2 + Na2CO3 = 2CaCO3 + 2NaOH + Н2СО3,
Mg (HCO3) 2 + 2NaOH = Mg (OH) 2 + 2NaHCO3.

Як випливає з рівнянь реакцій, в процесі освіти і осадження осаду з води витягають солі жорсткості. Разом з ними видаляються колоїдні і зважені частинки з асоційованими на них забрудненнями. На пластівцях осаду частково сорбируются органічні забруднення води.

При содо-вапнування за рахунок надлишку іонів HCO3 досягається більша повнота видалення з води солей жорсткості. Підвищення температури до 70-80 ° С дозволяє довести залишкову жорсткість до 0,35-1,0 мг-екв / л. Того ж результату можна досягти збільшенням доз реагентів.

Содово-натрієвий метод

Додавання соди необхідно в тому випадку, якщо некарбонатная жорсткість більше ніж карбонатна. У разі рівного розподілу цих параметрів додавання соди може і не знадобитися зовсім.
Гідрокарбонати кальцію і магнію в реакції з лугом утворюють малорозчинні сполуки кальцію і магнію, соду, воду і вуглекислий газ:

Ca (HCO3) 2 + 2NaOH = CaCO3 ↓ + Na2CO3 + 2H2O,
Mg (HCO3) 2 + 2NaOH = Mg (OH) 2 ↓ + Na2CO3 + H2O + CO2 ↑.

Утворився в результаті реакції гідрокарбонату магнію з лугом вуглекислий газ знову реагує з лугом з утворенням соди і води:

CO2 + NaOH = Na2CO3 + H2O.

некарбонатная жорсткість

Сульфат і хлорид кальцію реагує з утворилася в реакціях карбонатної жорсткості і луги содою і доданої содою з освітою не прикипають в лужних умовах карбонату кальцію:

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 ↓ + 2NaCl,
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 ↓ + Na2SO4.

Сульфат і хлорид магнію реагують з лугом, утворюючи випадає в осад гідроксид магнію:

MgSO4 + 2NaOH = Mg (OH) 2 ↓ + Na2SO4,
MgCl2 + 2NaOH = Mg (OH) 2 ↓ + 2NaCl.

З огляду на те, що в реакціях гідрокарбонату з лугом утворюється сода, яка в подальшому реагує з некарбонатних жорсткістю, її кількість необхідно корелювати в співвідношенні карбонатної (РК) і некарбонатних (ЖНК) жорсткості:

• при їх рівності соду можна не додавати;
• за умови РК> ЖНК утворюється надлишок соди;
• при співвідношенні РК <ЖНК - недолік соди і її необхідно додавати.

Процеси осадження здійснюються в відстійниках і освітлювачах із зваженим шаром осаду.

Відстійники малопродуктивні, і отримується в них гідроксидні пульпа має високу вологість - 97-99%. Тому вони в даний час практично не застосовуються.

На практиці використовуються різні варіанти освітлювачів зі зваженим шаром осаду. У них очищається розчин подається знизу і проходить через шар осаду. Це збільшує коефіцієнт очищення води.

Реагентні методи в підготовці питної води не використовуються. Після них вода має сильнолужну реакцію. Тому реагенти широко застосовуються в енергетиці і промисловості як перший ступінь очищення до механічних фільтрів. При спільній роботі вони дозволяють пом'якшити воду, видалити зважені речовини, включаючи колоїди, і частково очистити воду від органічних речовин.

виморожування

Для боротьби з постійною жорсткістю води використовують такий метод, як виморожування льоду. Для цього необхідно просто поступово заморожувати воду. Коли залишиться приблизно 10% рідини від початкового кількості, необхідно злити НЕ завмерла воду, а лід перетворити назад у воду. Всі солі, які утворюють жорсткість, залишаються в незамерзаючих воді.

Поряд з дистиляцією, це одночасно один із способів опріснення високомінералізованих вод до питної якості.

інші методи

Метод електродіаліз заснований на явищі спрямованого руху іонів електроліту до електродів, підключеним до мережі постійного струму. Таким чином, іони металів, які обумовлюють жорсткість води, затримуються у електродів і відокремлюються від води, що виходить з апарату водоочищення.

Магнітно-іонізаційний метод також використовує явище спрямованого руху іонів, але вже під дією магнітного поля. Для збільшення в воді кількості іонів її попередньо опромінюють іонізуючим випромінюванням.

Магнітна обробка води полягає в пропущенні води через систему магнітних полів протилежної спрямованості. В результаті цього відбувається зменшення ступеня гідратації розчинених речовин і їх об'єднання в більш великі частки, які випадають в осад.

Ультразвукова обробка води також призводить до утворення більш великих часток розчинених речовин з утворенням осаду.
Іонообмінний спосіб і обратноосмотические процеси доцільно детально розглянути у другій частині статті, яку ми опублікуємо в нашому журналі в наступному номері.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі AW-Therm . Підписуйтесь!

Вас може зацікавити:

Вам також може сподобатися

Замовлення було відправлено, з Вами зв'яжеться наш менеджер.