Москва, Высоковольтный пр-д, д.1

Режим работы

Пн-Пт с 10:00 - 20:00

Фильтры умягчения воды

Фильтры умягчения воды

Назначение

Фильтры умягчения предназначены для снижения жесткости обрабатываемой воды, т.е. удаления ионов кальция и магния. Фильтры умягчения применяются для хозяйственно-питьевых нужд, для систем отопления и горячего водоснабжения, для подпитки котельных установок, для технологических линий различных производств.

 

Конструкция

Фильтр умягчения состоит из корпуса, блока управления, дренажно-распределительной системы, солевого бака и фильтрующей загрузки. В качестве фильтрующей загрузки применяются специальные полимерные вещества (иониты) – твердые нерастворимые вещества, имеющие в своем составе функциональные (ионогенные) группы, способные к ионному обмену, т.е. обмену ионов твердой матрицы (ионита) с ионами раствора.

 

Принцип работы

Умягчение воды в основном производится методом Na-катионирования за счет взаимодействия обрабатываемой воды с сильнокислотным катионитом в Na-форме. В результате чего из воды извлекаются катиониты Ca2+ и Mg2+ и замещаются ионом Na+. Реакции обмена ионами (R – отрицательно заряженная матрица катионита):

2 NaR + Ca(HCO3)2CaR2 + 2 NaHCO3;

2 NaR + Mg(HCO3)2 ↔ MgR2 + 2 NaHCO3;

2 NaR + CaSO4 ↔ CaR2 + Na2SO4;

2 NaR + MgSO4 ↔ MgR2 + Na2SO4;

2 NaR + CaCl2 ↔ CaR2 + 2 NaCl;

2 NaR + MgCl2 ↔ MgR2 + 2 NaCl;

2 NaR + CaSiO3 ↔ CaR2 + Na2SiO3;

2 NaR + MgSiO3 ↔ MgR2 + Na2SiO3.

Замена ионов кальция и магния ионом натрия гарантирует отсутствие образования накипи на греющих поверхностях котлов и теплообменников.

Фильтрация загрязненной воды производится сверху вниз. По мере попуская воды через слой катионита количество ионов натрия, способных к обмену, уменьшается, а количество ионов кальция и магния, задержанных в ионообменной загрузке, возрастает, т.е. емкость катионита «истощается». Наступает момент, когда ионы натрия в матрице катионита полностью замещены ионами кальция и магния, и тогда ионный обмен продолжается и уже другие ионы, присутствующие в воде, начинают вытеснять ионы кальция и магния в чистую воду. Таким образом происходит проскок ионов жесткости в умягченную воду.

Чтобы вернуть ионообменную загрузку фильтра умягчения в исходное состояние, следует провести процесс регенерации катионита, для этого необходимо пропустить через его слой катионита концентрированный раствор поверенной соли (NaCl), после чего обменная способность катионита восстанавливается. Процессы ионного обмена обратимы, поэтому, если в воде ионов натрия становится все больше и больше по сравнению с количеством ионов кальция и магния, то процесс поглощения ионов Ca2+ и Mg2+ замедляется и все больше сдвигается в левую сторону реакций:

CaR2 + 2 Na+ ↔ 2 NaR + Ca2+;

MgR2 + 2 Na+ ↔ 2 NaR + Mg2+.

После процесса регенерации ионообменной загрузки ее необходимо промыть от оставшейся в фильтре умягчения поваренной соли.

Технические характеристики

Наименование Номинальная производительность, м3/ч Габаритные размеры, мм Объем фильтрующей загрузки, л
AQUASOLT SF 20-2.5T 0,8 205 х 1125 20
AQUASOLT SF 30-2.5T 1,3 257 х 1130 30
AQUASOLT SF 55-2.5T 1,8 307 х 1335 55
AQUASOLT SF 60-2.5T 2,1 334 х 1400 60
AQUASOLT SF 85-2.5T 2,5 360 х 1662 85
AQUASOLT SF 85-4T 2,5 360 х 1662 85
AQUASOLT SF 110-2.5T 3,2 410 х 1670 110
AQUASOLT SF 110-4T 3,2 410 х 1670 110
AQUASOLT SF 145-4T 4,1 465 х 1675 145
AQUASOLT SF 180-4T4B 5,6 550 х 1750 180
AQUASOLT SF 240-4T4B 7,3 615 х 1850 240
AQUASOLT SF 400-4T4B 11,4 780 х 1850 400
AQUASOLT SF 470-4T4B 16,4 918 х 1850 470
AQUASOLT SF 625-6T6B 29,2 1218 х 1850 625
AQUASOLT SF 1900-6T6B 50,3 1620 х 2400 1900

«Вода: нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты сама жизнь.»

Антуан де Сент-Экзюпери.

 

Одним из основных показателей, характеризующим применение воды как в быту, так и в различных технологических процессах, является ее жесткость.

Действующие нормативные документы определяют термин «жесткость воды» примерно одинаково. Под жесткостью воды понимают свойство (совокупность свойств) воды, обусловленных содержанием (присутствием) в ней щелочноземельных элементов, преимущественно ионов кальция (Ca2+) и магния (Mg2+).

Источники ионов кальция и магния:

  • результат взаимодействия растворенного диоксида углерода (СО2) с минералами, а также растворение и выветривания горных пород;
  • микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях;
  • сточные воды различных предприятий.

Жесткость складывается из двух составляющих.

Постоянная жесткость (некарбонатная) - определяется присутствием солей серной, соляной и азотной кислоты.

Временная жесткость (карбонатная) – характеризуется присутствием в воде катионов Ca2+, Mg2+ и Fe2+, гидрокарбонатных или бикарбонатных анионов (HCO3)-.

Общая жесткость – сумма постоянной и временной жесткостей.

В России, в соответствии с ГОСТ Р 52029-2003, количественно величину жесткости воды принято выражать в градусах жесткости (0Ж). Градус жесткости соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной ½ его моля, выраженной в мг/дм (г/м2). Часто жесткость воды измеряют в мг-экв/л или промилле (ppm). Измеряемая единица жесткости воды 1°Ж равна 1 мг-экв/л. 

В других странах жесткость воды выражают в национальных единицах измерения.

В зависимости от концентрации солей жесткости, воду делят на:

  • очень мягкая вода (0–1,5 мг-экв/л)
  • мягкая вода (1,5–4 мг-экв/л)
  • вода средней жесткости (4–8 мг-экв/л)
  • жесткая вода (8–12 мг-экв/л)
  • очень жесткая вода (более 12 мг-экв/л).

Российским стандартом, регламентирующим качество питьевой воды, установлено предельное значение концентрации солей жесткости на уровне 7,0 мг-экв/л.

 

Жесткость подземных вод практически постоянна в течение года. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая максимума в зимний период.

Жесткость воды оказывает влияние на жизнедеятельность человека и качество технологических процессов.

При pH выше 8,3 либо при нагревании гидрокарбонаты кальция и магния образуют накипь или выпадают в осадок.

Накипь - твёрдые отложения, образующиеся на внутренних стенках труб теплообменных аппаратов, в которых происходит испарение или нагревание воды.

Чем выше «жесткость» воды, тем интенсивнее образование накипи. Образование накипи, можно разделить на две стадии.

На первой стадии образуются зародыши микрокристаллов твердой фазы, которые, затем, на второй стадии, вырастают до плотных отложений.

Возникновение зародышей происходит за счет следующих основных процессов:

  • - разложения солей карбонатной жесткости при нагревании воды до 70° С и выше:

 

Ca(HCO3)2― tоС → CaCO3↓+ H2O + CO2

Mg(HCO3)2― tоС → MgCO3↓+ H2O + CO2

 

  • - кристаллизации сернокислого кальция (гипса) в результате уменьшения его растворимости при повышении температуры;
  • - коагуляции кремниевой кислоты из коллоидного состояния.

 

С повышением температуры растворимость карбоната кальция и гидроокиси магния уменьшается. Это означает, что повышение температуры способствует лучшему и более полному выделению из воды накипеобразователей.

Образовавшаяся накипь образует своеобразный экран на нагревательном элементе, тем самым изменяя условия теплопередачи. В последующем это может привести к перегреву и последующей поломке нагревательного элемента.

 Образование накипи на стенках коммуникаций приводит к уменьшению проходного сечения трубопроводов, особенно на изгибах. Нарост размером 1 мм приводит к увеличению затрат тепловой энергии на 10%, тогда как осадок в 13 мм способствует 70% потери тепла и, как следствие, нарушению параметров технологического процесса с последующей поломкой оборудования.

Накипь негативно влияет на подвижные элементы вентилей и кранов.

Известняковый нарост может стать причиной образования коррозийных процессов, ведущие к поломке оборудования.

Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы.

Наличие солей увеличивает расход моющих средств.

После мытья жесткой водой посуды или других предметов на их поверхности образуются трудноудаляемые разводы, твердый налет. Ткань теряет эластичность, грубеет.

Жесткая вода содействует возникновению мочекаменной болезни. Соли из воды полностью не выводятся из организма человека.

Вода с высоким коэффициентом жесткости сушит кожный покров из-за возникновения «мыльных шлаков». Они не позволяют мылиться моющим средствам, не растворяясь в жесткой воде. Результат – закупоривание пор, вследствие чего возможен зуд, жжение, воспаление кожи. Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос.

Время приготовления пищи при использовании жесткой воды увеличивается.

Наличие (отсутствие) гидрокарбонатов в воде определяют ее вкусовые качества, разница между родниковой и кипяченой водой ощутима при первом же глотке.

Для многих процессов жесткость воды не играет существенной роли (например, для тушения пожаров, полива огорода, уборки улиц и тротуаров).

Таким образом, «жесткая» вода - одна из самых распространенных проблем, не только в городских квартирах, загородных домах, но и производственных процессах. Большинство технологических процессов, связанных с нагревом воды и очисткой поверхностей требуют умягчения воды для приведения состава (жесткости) исходной воды к нормативным показателям.

 

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ:

 

Умягчение воды - удаление из воды катионов жесткости, т. е. катионов кальция и магния.

Обычно используемые водоисточники имеют жесткость, отвечающую нормам хозяйственно-питьевых вод, и в умягчении не нуждаются. В соответствии с ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая» жесткость воды не должна превышать 7 мг-экв/л. Умягчение воды производят, в основном, при ее подготовке для технических целей. Отдельные виды производств предъявляют к технологической воде требования более глубокого ее умягчения до 0,005 ... 0,01 мг-экв/л.

 

Умягчение воды осуществляют методами:

  • термическим;
  • реагентными;
  • ионного обмена;
  • диализа;
  • комбинированным.

 

Выбор метода умягчения воды определяется:

  • качеством исходной и требованиями к умягченной воде;
  • необходимой глубиной умягчения;
  • технико-экономическими соображениями.

 

 

Термический метод умягчения воды

 

Основан на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживании.

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

Са(HCO3)2 → CaCO3↓+ СО2 + Н2О;

Mg(HCO3)2 → МgСО3 + СО2 + Н2О.

Эти процессы почти целиком смещаются вправо при кипячении воды. 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 MgCO3 достаточно высока (110 мг/л), поэтому при длительном кипячении он гидролизуется с образованием малорастворимой (8 мг/л) гидроокиси магния:

MgCO3 + H2O ═ Mg (OH)2↓ + CO2.

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

При кипячении воды снижается также жесткость, определяемая сульфатом кальция (CaSO4), растворимость которого падает до 0,65 г/л.

В домашних условиях эффективное умягчение осуществляется в простейших нагревательных приборах (чайник, самовар, кастрюля и т.п.)

В промышленности эффективное умягчение воды осуществляется в аппаратах типа термоумягчителя Копьева. Термоумягчитель конструкции Копьева состоит:

1 - подача исходной 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; 9 - сборник умягченной воды; 10 - отвод умягченной воды; 11 - взвешенный слой; 12 - центральная подающая труба; 13 - ложные перфорированные днища; 14 - сброс шлама; 15 - сброс дренажной воды.

Термоумягчитель конструкции Копьева работает следующим образом.

Предварительно подогретая в аппарате обрабатываемая вода поступает через эжектор 3 на розетку пленочного подогревателя 5 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 12 через дырчатое днище 13 поступает в осветлитель со взвешенным осадком 11.

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 11. Пройдя через взвешенный слой, умягченная вода поступает в сборник 9 и по трубопроводу 10 отводится за пределы аппарата. Образовавшийся шлам сбрасывается из аппарата по трубопроводу 14.

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.

Очистить воду можно также вымораживанием и дистилляцией.

В промышленности очистка воды вымораживанием распространения не получила из-за больших энергозатрат на охлаждение и потери холода в атмосферу. В бытовых целях

В домашних условиях для замораживания воды может использоваться любая морозильная камера с рабочей температурой ниже -70С. Основное условие – равномерное охлаждение воды. Для этого под емкость с водой, помещаемую в морозильную камеру, необходимо установить прокладку (картон или поролон), предотвращающую переохлаждение днища. Скорость промерзания зависит от объёма и температуры в морозильной камере. Экспериментально подбирается такой объём сосуда, чтобы половина воды превращалась в лёд примерно за 10-12 часов. Когда на поверхности воды и внутри на стенках банки образуется лёд - вода переливается в другую банку. Вымораживание продолжается до тех пор, пока лёд не займёт 2/3 объёма. Остаток воды сливается, а лёд вытаивается обратно в воду.

Дистилляция - перегонка, разделение жидких смесей, при котором состав получаемого конденсата пара отличается от состава жидкости. Дистилляцией получают воду, очищенную не только от солей жесткости, но и от практически от всего спектра примесей, находящихся в исходной воде. Для дистилляции воды используются аппараты – дистилляторы. Вода в дистилляторе основан нагревается до кипячения и образования пара. Далее пар охлаждается, а образовавшийся конденсат представляет собой дистиллированную воду.

Дистиллированная вода широко используется в быту и на производстве. Наиболее распространенные области применения дистиллированной воды:

  • заправка электронагревательных приборов (утюги, моющие пылесосы, парогенераторы, увлажнители воздуха и т.п.);
  • приготовление растворов для инъекций;
  • приготовление химических растворов и реактивов;
  • разбавление теплоносителя для систем отопления;
  • очистка стекол и зеркал, в том числе сложных оптических систем;
  • приготовление антифриза;
  • при производстве косметических и парфюмерных изделий;
  • В металлургической промышленности, как охлаждающая, техническая и увлажняющая.
  • В типографском, издательском и фотоделе;

В промышленности дистилляция применяется только тогда, когда имеется доступ к дешевой энергии для нагревания.

 

 

Реагентные методы умягчения воды

 

При реагентных методах умягчения воды находящиеся в воде ионы Са(П) и Mg(II) связывают различными реагентами, образующими с растворимыми солями кальция и магния малорастворимые соединения: Mg(OH)2, CaC03, Ca3(P04)2, Mg3(P04)2 и другие с последующим их отделением в осветлителях, тонкослойных отстойниках и осветлительных фильтрах.

К реагентным методам умягчения воды относятся:

  • Известкование;
  • Известково-содовый метод умягчения воды;
  • Фосфатирование;
  • Содово-натриевый метод умягчения воды;
  • Бариевый метод умягчения воды;
  • Оксалатный метод умягчения воды;

 

Известкование воды применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости, а также в случае, когда не требуется удалять из воды соли некарбонатной жесткости. (Карбонатная жесткость связана с наличием в воде гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2, некарбонатная жесткость – с наличием в воде хлоридов и сульфатов металлов CaCl 2, MgCl 2, CaSO 4, MgSO 4).

Известь в виде раствора или суспензии (молока) вводят в предварительно подогретую обрабатываемую воду. Растворяясь, известь обогащает воду гидроксид-ионами ОН- и ионами кальция Са2+:

Са(ОН)2 → Са2+ + 2ОН-,

 

что приводит к связыванию растворенного в воде свободного оксида углерода (IV) с образованием карбонатных ионов и переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные:

 

С02 + 20Н- → СОз2- + Н20,

НСО3- + ОН- → СОз2- + Н20.

 

Повышение в обрабатываемой воде концентрации ионов СОз2- и присутствие в ней ионов Са2+ с учетом введенных с известью приводит к повышению произведения растворимости и осаждению малорастворимого карбоната кальция:

 

Са2+ + СО32- → СаС03

 

При избытке извести в осадок выпадает и гидроксид магния:

 

Mg2++20H- → Mg(OH)2

 

Для ускорения удаления дисперсных и коллоидных примесей, снижения щелочности воды одновременно с известкованием применяют коагуляцию этих примесей сульфатом железа (II) т. е. FeS04×7H20.

С повышением температуры обрабатываемой воды до 30-40 градусов растворимость CaCO3 и Mg(OH)2 падает, что способствует более полному осаждению катионов магния и кальция и, как следствие, снижает жесткость воды до 1 мг–экв/л и менее.

 

При известково-содовом методе умягчения воды образование карбоната кальция и гидроксида магния проходит по следующим основным процессам:

 

Ca(ОH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O

Ca(ОH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

Ca(ОH)2 + Mg(HCO3)2 → CaCO3↓ + MgCO3 + H2O

Ca(ОH)2 + MgCO3 → CaCO3 + Mg(OH)2

Na2CO3 + CaCl2 → CaCO3↓ + 2NaCl

Na2CO3 + CaSO4 → CaCO3↓ + Na2SO4

 

CaCO3 и Mg(OH)2 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 количестве примесей жесткость воды может снижаться всего на 15... 20%. Органические примеси удаляют из воды окислителями и коагулянтами.

При известково-содовом методе часто процесс проводят в две стадии. На первом этапе из воды удаляют органические примеси и значительную часть карбонатной жесткости, используя соли алюминия или железа с известью, проводя процесс при оптимальных условиях коагуляции. 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.

На второй стадии вводят соду и оставшуюся часть извести и доумягчают воду.

Оптимальным устройством для умягчения воды известковым или известково-содовым методами является вихревой реактор (спирактор напорный или открытый).

 

Установка известково-содового умягчения воды:

1 - подача исходной воды; 2 - эжектор; 3 - бункер с контактной массой; 4 - вихревой реактор; 5 — ввод реагентов; 6 - осветлитель со слоем взвешенного осадка; 7 - осветлительный скорый фильтр; 8 - отвод умягченной воды; 9 - сброс контактной массы.

 

Для более полного умягчения воды используют:

  • Подогрев воды. При подогреве воды уменьшается растворимость СаС03 и Mg(OH)2 и более полно протекают реакции умягчения.
  • Добавление реагента-осадителя в избытке.
  • Создание контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимися осадками.

 

Контроль процесса умягчения воды осуществляют:

  • По значению рН умягченной воды.
  • По значению гидратной щелочности (в случае, если невозможна коррекция по значению рН. Значения гидратной щелочности должны быть: при декарбонизации в пределах 0,1...0,2 мг-экв/л; при известково-содовом умягчении - 0,1...0,5 мг-экв/л.

В целом, известково-содовым методом остаточная жесткость воды может быть доведена до 0,5-1,0, а щелочность – до 0,8-1,2 мг-экв/л.

 

Фосфатирование применяют для доумягчения воды. После реагентного умягчения известково-содовым методом неизбежно наличие остаточной жесткости (более 0,5 мг-экв/л), которую фосфатным доумягчением можно снизить до 0,02—0,03 мг-экв/л.

Фосфатный метод умягчения воды при использовании тринатрийфосфата Na3РО4 является наиболее эффективным реагентным методом. Cущность метода заключается в образовании кальциевых и магниевых солей фосфорной кислоты, которые обладают малой растворимостью в воде и поэтому достаточно полно выпадают в осадок. Химизм процесса умягчения воды тринатрийфосфатом описывается реакциями

 

ЗСа(НС03)2 + 2 = Са3(Р04)2↓ + 6NaHC03.

3Mg(HC03)2 + 2Na3РО4 = Мg3(Р04)2↓ + 6NaHC03.

 

Фосфатное умягчение осуществляют при температуре воды 105... 150°С. Из-за высокой стоимости тринатрийфосфата фосфатный метод обычно используется для доумягчения воды, предварительно умягченной известью и содой.

В качестве фосфатных реагентов также используют гексаметафосфат, триполифосфат (ортофосфат) натрия.

Образующиеся при фосфатном умягчении осадки Са3(Р04)2 и Мg3(Р04)2 хорошо адсорбируют из умягченной воды органические коллоиды и кремниевую кислоту. Это свойство используется для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления (58,8 ...98,0 МПа).

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

 

Содово-натриевый метод применяют для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного больше некарбонатной. Если карбонатная жесткость приблизительно равна некарбонатной, соду (Na2CO3) можно не добавлять, поскольку необходимое ее количество для умягчения такой воды образуется в результате взаимодействия гидрокарбонатов с едким натром:

 

Ca(HCO3)2 + 2NaOH = CaCO3↓ + Na2CO3 + 2H2O,

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

 

Образовавшийся в результате реакции гидрокарбоната магния с щелочью углекислый газ снова реагирует с щелочью с образованием соды и воды:

 

CO2 + NaOH = Na2CO3 + H2O.

 

Сода, добавленная в воду и образовавшаяся в реакциях карбонатной жесткости и щелочи, реагирует с сульфатом и хлоридом кальция (составляющие некарбонатной жесткости) с образованием карбоната кальция, не прикипающего в щелочных условиях:

 

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2NaCl,

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4.

 

Образовавшиеся сульфат и хлорид магния реагируют со щелочью, образуя выпадающий в осадок гидроксид магния:

 

MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + Na2SO4,

MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + 2NaCl.

 

Недостаток этого метода: образующийся в процессе умягчения воды в значительных количествах СО2 вызывает коррозию металла и повышение сухого остатка.

 

Бариевый метод умягчения воды применяют в сочетании с другими методами. Вначале, для устранения сульфатной жесткости, в воду вводят барий содержащие реагенты (Ва(ОН)2, ВаСОз, ВаА1204). Затем, после осветления воды, ее обрабатывают известью и содой для доумягчения. По сравнению с известково-содовым методом, бариевый мето имеет то преимущество, что образующиеся при реакции продукты нерастворимы в воде. Реакции, протекающие при умягчении бариевыми соединениями, можно представить следующими уравнениями:

 

CaSO4 + Ba(ОН)2 → Са (ОН)2 + ВаSО4↓;

MgSO4 + Ba (OH)2 → Mg (ОН)2↓ + BaS04↓;

Ca (OH)2 + Ca (HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O;

ВаСО3 + CaSO4 → BaSO4↓ + CaCO3↓;

Са (НСО3)2 + ВаА1204 → Ca А1204↓ + ВаСО3↓ + 2Н2О + CO2;

Mg (НС03)2 + ВаА1204 → Mg А1204↓ + Mg (OH)2↓ + 2Н2О + CO2;

 

Образующийся сульфат бария BaSO4 осаждается очень медленно, поэтому необходимы отстойники или осветлители больших размеров.

Для ввода ВаСОз используют флокуляторы с механическими мешалками, поскольку ВаСОз образует тяжелую, быстро осаждающуюся суспензию. Нерастворимость ВаСО3 не требует строгих дозировок, процесс может протекать автоматически.

Преимущество умягчения бариевыми солями связано с тем, что в результате их взаимодействия с водой происходит полное удаление образовавшихся солей из воды.

Недостатки:

  • высокая стоимость бариевых солей
  • токсичность бариевых реагентов делает умягченную воду непригодной для питья
  • медленное течение реакции с карбонатом бария ВаСО3.

 

Оксалатный метод умягчения воды основан на применении оксалата натрия Na₂C₂O₄ и на малой растворимости в воде образующегося оксалата кальция CaC₂O₄ (6,8 мг/л при 18°С)

 

Са(НС03)2 + Na2C2O4 = + 2NaHCO3

CaSO4 + Na2C2O4 = CaC2O4↓ + Na2SO4.

 

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

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

 

 

Методы ионного обмена умягчения воды

 

Основаны на фильтрации умягчаемой воды через специальные материалы,

 

Сущность обработки воды методами ионного обмена основана на пропуске предварительно обработанной воды через слой ионообменной смолы (ионита), обменивающие входящие в их состав ионы Na(I) или Н(I) на ионы Са (II) и Mg(II), содержащиеся в воде.

Ионообменные смолы - общее название синтетических полимерных материалов. Иониты представляют собой нерастворимые в воде гранулы смолы - шарики правильной формы размером от 0,2 до 1,2 мм диаметром, которые благодаря наличию в них специальных функциональных групп способны к реакциям ионного обмена, т.е. к поглощению из воды положительных или отрицательных ионов в обмен на эквивалентные количества других ионов, содержащихся в ионите, и имеющих заряд такого же знака.

 

По знаку заряда обменивающихся ионов иониты разделяются на положительные катиониты и отрицательные аниониты. По химической природе катиониты являются кислотами, аниониты – основаниями.

Процесс извлечения катионитами из воды катионов называется катионированием, аниониты извлекают из воды анионы и этот процесс называется анионированием.

В зависимости от состава функционально активных групп катиониты подразделяют на сильно-, средне -, и слабокислотные. По своим технологическим свойствам (фракционному составу, насыпной массе и обменной емкости) они имеют существенные различия. Сильнокислотные катиониты вступают в ионный обмен при любом значении pH. Слабокислотные катиониты работают только в щелочной среде при pH >7.

Аниониты также подразделяют на сильно-, средне -, и слабоосновные. Сильноосновные аниониты способны извлекать из воды анионы как сильных (Cl, SO42–, NO3-), так и слабых (HCO3, HSiO3) кислот в широкой области значений pH. Слабоосновные аниониты работоспособны только при pH <7 и поглощают из воды только анионы сильных кислот SO42–, Cl, NO3.

В зависимости от вида ионита различают несколько технологий ионирования воды:

  • Технология Na-катионирования;
  • Технология Н-катионирования;
  • Технология Na-Н-катионирования;
  • Технология анионирования.

 

Технология Na-катионирования представляет собой двунаправленный процесс. Сначала нерастворимые в воде гидрокарбонаты Ca(HCO3) и Mg(HCO3)2 в процессе ионного обмена преобразуются в гидрокарбонат натрия (NaHCO3), растворимый в воде и не вызывающий «накипеобразования». Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью (способностью) выражающейся количеством катионов, которые катионит может обменять в течение фильтроцикла. По мере пропускания воды через слой катионита количество ионов Na+, способных к обмену, уменьшается, то есть обменная емкость катионита «истощается». После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду.

Восстановление ионообменной емкости ионообменного фильтра осуществляется в ходе обратного процесса - регенерации. Для регенерации ионообменного фильтра через слой катионита пропускается регенерирующий реагент. В качестве регенерирующего реагента используется насыщенный раствор хлорида натрия (поваренной соли) или технической очищенной соли, обладающей доступностью, относительной дешевизной и хорошей растворимостью в воде.

Продукты регенерации вымываются вместе с регенерирующим раствором в дренаж, а фильтры-умягчители полностью восстанавливают свои свойства.

Для более полного прохождения процессов ион-замещения при регенерации и фильтрации используют метод противоточного катионирования (умягчаемая вода и регенерационный раствор подаются в разных направлениях).

При Na – катионировании:

  • - жесткость воды снижается,
  • - анионный и катионный состав не изменяется. Однако массовая концентрация катионов в растворе несколько увеличивается, поскольку эквивалентная масса двух ионов натрия выше эквивалентных масс ионов кальция и магния, поэтому солесодержание воды несколько возрастает.
  • - щелочность остается постоянной.

 

В зависимости от требуемой конечной жесткости воды Na-катионный метод осуществляют по одно – и двухступенчатой схемам. Схема одноступенчатого Na-катионирования имеет недостатки, лимитирующие ее применение: невозможность глубокого умягчения воды (до 0,01 ... 0,02 мг-экв/л). При двухступенчатом Na-катионировании достигается требуемое глубокое умягчение воды, экономия соли и увеличивается фильтроцикл.

Na-катионный метод рекомендуется применять для умягчения подземных вод и вод поверхностных источников с мутностью не более 5-8 мг/л и цветностью не более 30°. При натрий-катионировании щелочность воды не изменяется. При одноступенчатом натрий-катионировании общая жесткость воды может быть снижена до 0,05-0,1 г-экв/м3, при двухступенчатом - до 0,01 г-экв/м3.

 

При Н-катионировании воды за счет обмена катионов, присутствующих в воде, на ион водорода, общая жесткость водород-катионированной воды снижается до 10–15 мкг-экв/дм3, а вода подкисляется. Кислотность воды в этом процессе зависит от глубины ее Н-катионирования, т. е. от полноты обмена катионов металлов на катион водорода. В процессе Н-катионирования наряду с умягчением исходной воды устраняется ее природная щелочность вследствие вторичных процессов. Регулируемое снижение щелочности исходной воды – основное достоинство Н-катионирования.

Регенерация Н-катионита достигается пропусканием через него раствора серной или соляной кислоты. Задержанные катионитом ионы кальция и магния при регенерации его кислотой замещаются водородными ионами кислоты. При регенерации Н-катионита возникают вторичные процессы взаимодействия между продуктами реакции, в частности кальцием, вытесненным из катионита, и сульфатными анионами, которые могут дать в слое катионита осадок гипса, что приведет к потере эффекта регенерации. Чтобы этого не произошло, применяют, в частности, прогрессивно-последовательную регенерацию катионита 1-, 1,5- и 5%-ным раствором серной кислоты.

В некоторых случаях применяются технологии Na-Н-катионирования.

Схема параллельного Н--Na-катионирования применяется в тех случаях, когда суммарная концентрация сульфатов и хлоридов в умягчаемой воде не превышает 4 мг-экв/л и содержание натрия не более 2 мг-экв/л. При параллельном Н--Nа-катионировании одна часть воды пропускается через Na-катионитовые фильтры, а другая - через Н-катионитовые фильтры, а затем оба потока смешивают. Образующиеся щелочные и кислые воды смешивают в такой пропорции, чтобы их остаточная щелочность не превышала 0,4 мг-экв/л. Для получения устойчивого и глубокого умягчения (до 0,01 мг-экв/л) воду после дегазатора пропускают через барьерный натрий-катионитовый фильтр.

Схему последовательного Н-Nа-катионирования применяют при умягчении воды с повышенными жесткостью и содержанием солей; остаточная щелочность при этом составляет примерно 0,7 мг-экв/л. При последовательном Н-Nа-катионировании часть воды пропускается через Н-катионитовые фильтры, затем смешивается с остальной водой, полученную смесь пропускают через дегазатор для удаления оксида углерода (IV), а затем всю воду подают на натрий-катионитовые фильтры. Подобная схема позволяет более полно использовать обменную емкость Н-катионита и снизить расход кислоты на его регенерацию. К недостатку схемы следует отнести большой расход электроэнергии, затрачиваемой на передачу воды через последовательно включенные фильтры.

Схема последовательного Н-Nа-катионирования воды при «голодном» режиме регенерации Н-катионитовых фильтров. Технология Н-катионирования с «голодной» регенерацией предназначена для обработки природных вод гидрокарбонатного класса (воды, в которых наибольшую концентрацию имеет ион НСО3-) при использовании катионита средне- или слабокислотного типа. Вода примерно 80% рек России принадлежит к гидрокарбонатному классу.

В процессе Н-катионирования с «голодной» регенерацией происходит частичное умягчение воды и существенное снижение ее щелочности; в результате удаления карбонатной жесткости достигается уменьшение общего солесодержания воды; концентрация углекислоты увеличивается на величину снижения щелочности. При «голодной» регенерации Н-катионитного фильтра удельный расход кислоты равен его теоретическому удельному расходу. В отличие от обычных Н-катионитных фильтров, в которых весь слой катионита при регенерации переводится в Н-форму, при «голодном» режиме регенерируются только верхние слои, а нижние слои остаются в солевых формах и содержат катионы Ca(II), Mg(II) и Na(I).

На эффект очистки воды влияет присутствие в исходной воде ионов натрия. Когда концентрация натрия невелика, общая жесткость фильтрата близка к некарбонатной жесткости исходной воды и незначительно изменяется на протяжении рабочего цикла фильтра, так же, как и общая щелочность фильтрата (0,3--0,5 мг- экв/л). Когда в исходной воде много натрия, щелочность фильтрата от начала рабочего цикла снижается, затем возрастает и в среднем за цикл составляет 0,7--0,8 мг-экв/л; в начале и конце рабочего цикла получается глубоко умягчённый фильтрат, появление некарбонатной жесткости наблюдается в средней части фильтроцикла.

Технология умягчения воды на катионитовых фильтрах слагается из следующих последовательных операций (в общем виде):

  • фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допускаемой жесткости в фильтрате. Скорость фильтрования воды через катионит для напорных фильтров первой ступени при нормальном режиме не должна превышать при общей жесткости воды:

до 5 г-экв/м3 — 25 м/ч;

5—10 г-экв/м3 — 15 м/ч;

10—15 г-экв/м3 — 10 м/ч.

  • взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды, отработанного регенерата или отмывных вод;
  • спуск водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора;
  • регенерации катионита. Концентрацию регенерационного раствора для фильтров первой ступени следует принимать 5-8 %. Скорость фильтрования регенерационного раствора через катионит фильтров первой ступени следует принимать 3—4 м/ч; скорость фильтрования исходной воды для отмывки катионита – 6-8 м/ч, удельный расход отмывочной воды – 5-6 м3 на 1 м3 катионита;
  • отмывка катионита не умягченной водой (скорость фильтрования 8 - 10 м/ч).

Анионирование применяется для извлечения из воды растворенных анионов. Анионированию подвергается вода, уже прошедшая предварительное катионирование. Регенерацию анионитного фильтра проводят щелочью (NaOH). Поглощать из воды анионы сильных кислот способны как сильно-, так и слабоосновные аниониты. Анионы слабых кислот (угольной и кремниевой) поглощаются только сильноосновными анионитами. Для сильноосновных анионитов в качестве регенеранта применяют раствор NaOH (гидроксид-анионирование).

Существенное отличие от катионирования – исключена возможность увеличения концентрации противоиона в фильтре.

 

Факторы, влияющие на эффективность работы ионообменных систем:

  • общая минерализация воды;
  • водородный показатель воды (рН);
  • цветность и мутность воды;
  • наличие в воде соединений железа и органики.

 

При увеличении минерализации в обрабатываемой воде увеличивается содержание ионов Na+. Противоионный эффект при этом повышается, что приводит к увеличению остаточной жесткости фильтрата. (Противоион – ион, который вытесняется из ионита. В умягчаемой воде это ион Na+, а в регенерационном растворе – ионы Са2+, Mg2+).

Для достижения требуемых значений жесткости умягченной воды при значениях минерализации исходной воды больше указанных могут быть предусмотрены следующие способы:

- противоточное натрий-катионирование;

- двух- и трехступенчатое натрий-катионирование;

- нагрев исходной воды и регенерационного раствора до температуры, которая допускается конструкцией фильтра и фильтрующим материалом;

- построение системы умягчения с расчетом линейных скоростей пропускания воды, скорректированной в зависимости от наличия и веса влияющих факторов;

- использование катионитов, обладающей высокой обменной емкостью.

Повышение температуры исходной воды интенсифицирует диффузию ионов. Поэтому там, где требуется высокая степень умягчения воды, следует производить нагревание исходной воды до 35-40°С, либо до температуры, которую допускает используемое оборудование (фильтры и ионит) умягчения. Аналогичное условие касается и регенерационного раствора поваренной соли. Тем более что процесс ее растворения является эндотермическим (протекает с поглощением тепла).

Оптимальное значение рН в процессе Na-катионирования должно быть в пределах 6,5÷10,0 (при рН исходной воды более 10 растет риск разрушения катионита).

Цветность и мутность исходной воды могут препятствовать эффективному протеканию обменных процессов, в первую очередь,  вследствие загрязнения полимерных гранул катионита и препятствуя свободному протоку воды через толщу загрузки. Железо, в свою очередь, формирует на зернах катионита устойчивую трудно удаляемую оксидную пленку, которая полностью блокирует обменные процессы.

Требования к качеству исходной воды, подаваемой на фильтры – умягчители:

  • - содержание взвешенных примесей, не более – 8 мг/л;
  • - цветность, не более – 30 градусов платино-кобальтовой шкалы;
  • - содержание железа, не более - 0,3 мг/л;
  • - окисляемость перманганатная, не более – 5 мгО2/л.

Если исходная вода не соответствует этим значениям, необходимо сначала осуществить ее доочистку, установив дополнительно фильтрующее оборудование, состав которого определяется после изучения качества исходной воды.

 

 

Диализ

 

Диализ - метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы.

Умягчение воды диализом базируется на законе действующих масс. Движущей силой процесса является разность концентраций (градиент концентрации) растворенного вещества на обе стороны селективных ионообменных мембран. Исходная жесткая вода движется в камере с одной стороны катионитовой мембраны, а рассол (NaCl) - с другой. Под действием градиента концентраций (по закону действующих масс) ионы натрия мигрируют в мембрану и далее в исходную воду, а ионы кальция - в противоположном направлении, т.е. из жесткой воды в рассол. Таким образом происходит извлечение из умягчаемой воды ионов кальция и магния и замена их ионами натрия.

Диализ осуществляют в мембранных аппаратах с нитро- и ацетатцеллюлозными пленочными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны для умягчения воды определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы.

 

 

Комбинированный метод умягчения воды

 

Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод, что для снижения содержания солей жесткости в воде наиболее эффективным, в большинстве случаев, будет применение нескольких методов очистки воды в одном технологическом процессе. При выборе конкретных методов необходимо учитывать (основное):

  • химический состав исходной воды;
  • требования по составу очищенной воды (бытовое использование, конкретный технологический процесс, очистка сточных вод и т.п.);
  • требуемая производительность установки;
  • условия эксплуатации (обслуживание, ремонт);
  • экономические затраты.

 

Общие рекомендации:

При умягчении подземных вод следует применять ионообменные методы; при умягчении поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды, — известковый или известковосодовый метод, а при глубоком умягчении воды — последующее катионирование.

Для получения воды для хозяйственно-питьевых нужд обычно умягчают лишь ее некоторую часть с последующим смешением с исходной водой.