Под умягчением воды подразумевается процесс удаления из нее катионов жесткости, т.е. Са и Мg. Умягчение воды осуществляется следующими методами:

1) термическое умягчение, основанное на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживанием;

2) реагентное, в котором находящиеся в воде ионы жесткости, связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения;

3) ионным обменом, основанным на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы натрия или водорода на катионы кальция и магния;

4) диализ;

5) комбинированный, представляющий различные сочетания перечисленных методов.

Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями.

Термический метод умягчения воды.

Целесообразно применять при использовании карбонатных вод, идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами умягчения воды. Он основан на смещении углекислотного равновесия при нагревании воды в сторону образования карбоната кальция

Са(НСО 3) 2 → СаСО 3 ↓+СО 2 + Н 2 О

Равновесие смещается за счет понижения растворимости СО 2 , вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить СО 2 и тем самым значительно снизить карбонатную жесткость. Кроме того, снижается жесткость, определяемая сульфатом кальция. Однако, полностью удалить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция все же растворим в воде (18 мг/л). Применяется для этого метода – термоумягчитель. Время пребывания воды в нем 30-45 минут.

Реагентные методы умягчения.

Основаны на обработке воды реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения Мg(ОН) 2 , СаСО 3 , Са 3 (РО 4) 2 и другие, с последующим их отделением в осветлителях. В качестве реагентов используется известь, кальцинированная сода, гидроксиды натрия, бария и другие вещества.

Умягчение воды известкованием применяют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде суспензии в предварительно подогретую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ОН - и Са +2 ионами, что приводит к связыванию растворимого в воде СО 2 с образованием СО 3 -2 и переходу НСО 3 в СО 2 .

СО 2 + 2 ОН - →СО 3 -2 + Н 2 О; НСО3 - +ОН - → СО 3 –2 + Н 2 О

Повышение в обрабатываемой воде концентрации СО 3 –2 и присутствие в ней ионовСа +2 с учетом введенных с известью, приводит к осаждению СаСО 3

Са +2 + СО 3 –2 → СаСО 3 ↓.

Для ускорения процесса одновременно с известкованием применяют коагулирование.

Дозу извести определяют по формуле:

Д и = 28([СО 2 ] /22 +2 Ж к - [ Са +2 ]/20 +Д к /е к + 0.5)

Д к – доза коагулянта, е –эквивалентная масса активного вещества коагулянта,

Выражение Д к /е к – берут со знаком -, если коагулянт вводится ранее извести и +, если совместно или после.

Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом, добавлением избытка реагента - осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимся осадком.

Фосфатирование применяют для доумягчения воды. Остаточная жесткость снижается до 0.02-0.03 мг*экв /л. Фосфатированием достигается также большая стабильность воды, снижение ее коррозионного действия на металлические трубопроводы и предупреждаются отложения карбонатов на внутренней поверхности стенок труб. В качестве фосфатирующего реагента используется гексаметафосфат натрия, триполифосфат натрия. Фосфатный метод умягчения при использовании тринатрийфосфата является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса описывается уравнением:

3Са(НСО 3) 2 /3 Мg(НСО 3) 2 + 2 Nа 3 РО 4 = Са 3 (РО 4) 2 / Мg 3 (РО 4) 2 +6 NаНСО 3 .

Фосфатное умягчение осуществляется при подогреве воды до 105 –150 0 С. Образующиеся осадки Са 3 (РО 4) 2 и Мg 3 (РО 4) 2 хорошо адсорбируют их умягченной воды коллоиды и кремниевую кислоту, поэтому этот метод применяется для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления.

Умягчение воды диализом.

Диализ – метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированные и разбавленные растворы. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро - и ацетатцеллюлозными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы.

Магнитная обработка воды.

В настоящее время для борьбы с накипеобразованием и инкрустацией успешно применяют магнитную обработку воды. Ее суть заключается в действии магнитного поля на ионы солей, растворимых в воде. Под влиянием магнитного поля происходит поляризация и деформация ионов, сопровождающееся уменьшением их гидратации, повышающей вероятность их сближения и образование центров кристаллизации. Сущность метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий, накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки удаляют при продувке.

Умягчение воды катионированием.

Сущность ионного обмена заключается в способности ионитов поглощать из воды положительные и отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. Процесс водообработки методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов – называют катионированием.

Катиониты в воде разбухают, увеличиваются в объеме. Энергия вхождения в катионит различных катионов по величине их динамической активности может быть охарактеризована следующим рядом:

Nа < NН 4+ < К + < Мg +2 < Са +2 < Аl +3

Е р = (Q* Ж и)/(а *h к), где Ж и – жесткость воды; Q – количество умягченной воды, м 3 ;

а – площадь катионитового фильтра, м 2 ; h к – высота слоя катионита, м.

Длительность работы фильтра определяется по формуле:

Т к = Е р * h к /V к *Ж и. где V к – скорость фильтрования воды.

В технике подготовки воды применяют органические катиониты. Они содержат функциональные химические активные группы, Н + которых способны замещаться другими катионами: четвертичные амины NН 3 ОН, сульфогруппы НSО 3 , карбоксильные группы СООН. Группа НSО 3 обладает сильнокислотными, а СООН – слабокислотными свойствами. В зависимости от содержания функциональных групп катиониты делят на слабокислотные и сильнокислотные. Сильнокислотные обменивают катионы в щелочной, нейтральной и кислой среде, слабокислотные – только в щелочной среде. Качество катионитов характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей обменной емкостью. Фракционный состав характеризует эксплуатационные свойства катионита. Рабочая обменная емкость зависит от вида извлекаемых катионов, соотношения солей в умягченной воде, рН, высоты слоя катионита, объема фильтра, режима эксплуатации, удельного расхода регенерирующего реагента.

Натрийкатионирование.

Этот метод применяется для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ н/б 8 мг/л и цветности н/б 30 0 .Жесткость воды снижается при одноступенчатом катионировании до 0.05 –0.1, при двухступенчатом – до 0.01 мг*экв /л. Процесс натрийкатионирования описывается следующими уравнениями:

2 Nа[К] + Са(НСО 3) 2 / Мg(НСО 3) 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 +2 NаНСО 3

2 Nа[К] + СаСl 2 / Мg Сl 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 + 2 NаСl, где [К] – нерастворимая матрица полимера.

После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать.

Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах состоит из следующих операций:

Фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допустимой жесткости в фильтрате;

Взрыхление слоя катионита восходящим потоком воды;

Спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерационного раствора;

Регенерация катионита посредством фильтрования соответствующего раствора;

Отмывка катионита.

Выбор метода диктуется требованиями, предъявляемыми к умягченной воде, Свойствами исходной воды и технико-экономическими соображениями. Регенерация осуществляется 5% раствором хлористого натрия в количестве 1.2 м 3 раствора на 1 м 3 смолы, затем остаточное количество в виде 8% раствора. Процесс регенерации описывается следующей реакцией:

Са[К] 2 / Мg[К] 2 + 2 NаСl↔2 Nа[К] + СаСl 2 / Мg Сl 2

Хлористый натрий применяется из-за его доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получают при этом хорошо растворимые соли СаСl 2 и МgСl 2 , легко удаляемые с регенерационным раствором и водой.

Водород-натрийкатионитовое умягчение воды.

Обработка воды Н-катионированием основана на фильтрации ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов водород.

2 Н[К] + Са(НСО 3) 2 / Мg(НСО 3) 2 ↔Са[К] 2 / Мg[К] 2 +2Н 2 О +СО 2

2 Н[К] + NаСl↔2 Nа[К] + НСl; 2 Н[К] +Nа 2 SО 4 ↔2 Nа[К] +Н 2 SО 4

При Н-катионировании воды значительно снижается ее рН из –за кислот, образующихся в фильтрате. Выделяющийся при Н-катионировании СО2 можно удалить дегазацией и в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию SО 4 -2 и Сl - в исходной воде. Из приведенных реакций видно, что щелочность воды в процессе ионного обмена не изменяется. Следовательно, пропорционально смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со щелочным фильтратом после Nа – катионитовых фильтров можно получить умягченную воду с различной щелочностью. В этом заключается сущность и преимущества Н- Nа – катионирования. Применяют параллельное, последовательное и смешанное Н- Nа – катионирования. При параллельном – 1 часть воды идет через Nа – катионитовый фильтр, другая – через Н-катионитовый. Образующиеся воды смешивают в таких пропорциях, чтобы щелочность не превышала 0.4 мг*экв/л. При последовательном – часть воды пропускают через Н-катионитовый, затем смешивают с остальной водой и подают на Nа – катионитовый фильтр. Это позволяет полнее использовать обменную емкость Н-катионита и снизить расход кислоты на регенерацию. Смешанное катионирование осуществляется в одном фильтре, загруженном вверху - Н-катионитом, внизу - Nа – катионитом.

Жёсткость воды - совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния. Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием - мягкой. Различают временную жёсткость, образованную гидрокарбонатами и постоянную жёсткость, вызванную присутствием других солей.

Известно, что важнейшей характеристикой пресной воды является её жесткость. Под жесткостью понимают количество миллиграмм-эквивалентов ионов кальция или магния в 1 л воды. 1 мг÷экв/л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг Са2+ или 12,16 мг Mg2+. По степени жесткости питьевую воду делят на очень мягкую (0–1,5 мг÷экв/л), мягкую (1,5–3 мг÷экв/л), средней жесткости (3–6 мг÷экв/л), жесткую (6–9 мг÷экв/л) и очень жесткую (более 9 мг÷экв/л). Наилучшие вкусовые свойства имеет вода с жесткостью 1,6–3,0 мг÷экв/л, а, согласно СанПиН 2.1.4.1116–02, физиологически полноценная вода должна содержать солей жесткости на уровне 1,5–7 мг÷экв/л. Однако при жесткости воды выше 4,5 мг÷экв/л происходит интенсивное накопление осадка в системе водоснабжения и на сантехнике, нарушается работа бытовых приборов. Обычно умягчение проводят до остаточной жесткости 1,0–1,5 мг÷экв/л, что соответствует зарубежным нормативам по эксплуатации бытовой техники. Вода, имеющая жесткость ниже 0,5 мг÷экв/л является коррозионно-активной по отношению к трубам и котлам, способна вымывать отложения в трубах, накапливающиеся при долгом застаивании воды в системе водоснабжения. Это влечет за собой появление неприятных запаха и вкуса воды.

осуществляют методами: термическим, основанным на нагревании воды, её дистилляции или вымораживании; реагентными, при которых находящиеся в воде ионы Са (II) и Mg (II) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения; ионного обмена, основанного на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы Na (I) или Н (I) на ионы Са (II) и Mg (II), содержащиеся в воде; диализа; комбинированным, представляющим собой различные сочетания перечисленных методов.

Выбор метода умягчения определяется качеством воды, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями, представленными в таблице снизу.

натрий-катионирование - процесс извлечения из воды ионов жесткости - кальция и магния и замена их на ионы натрия.
Кальций и магний составляют жесткость воды, следовательно, после их извлечения вода умягчается.
Ионы натрия находятся непосредственно в смоле (засыпке). В процессе работы установки происходит обмен ионами, натрий поступает в воду, а кальций и магний - в смолу. По истечении некоторого времени смолу необходимо регенерировать, т.е. восстановить ее свойства. Для этого через нее пропускают раствор поваренной соли, и происходит обратный процесс - натрий насыщает смолу, а кальций и магний поступают в раствор, который после сливается.

При пропуске воды сверху вниз через слой катионита происходит её умягчение, заканчивающееся на некоторой глубине. Слой катионита, умягчающий воду, называют работающим слоем или зоной умягчения. При дальнейшем фильтровании воды верхние слои катионита истощаются и теряют обменную способность. В ионный обмен вступают нижние слои катионита и зона умягчения постепенно опускается. Через некоторое время наблюдаются три зоны: работающего, истощенного и свежего катионита. Жесткость фильтрата будет постоянной до момента совмещения нижней границы зоны умягчения с нижним слоем катионита. В момент совмещения начинается «проскок» катионов Са+2 и Мg+2 и увеличение остаточной жесткости, пока она не станет равной жесткости исходной воды, что свидетельствует о полном истощении катионита. Рабочую обменную емкость фильтра Ер г÷экв/ м3, можно выразить так: Ер = QЖи; Ер = ер Vк.

Объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии Vк = аhк.

Формула для определения рабочей обменной емкости катионита, г÷экв/ м3: ер = QЖи /аhк; где Жи - жесткость исходной воды, г÷экв/ м3; Q - количество умягченной воды, м3; а - площадь катионитового фильтра, м2; hк - высота слоя катионита, м.Обозначив скорость фильтрования воды в катионитовом фильтре vк, количество умягченной воды можно найти по формуле: Q = vк aTk = ераhк /Жи; откуда длительность работы катионитового фильтра (межрегенерационный период) находим по формуле: Tk = ерhк /vк Жи.

По исчерпании рабочей обменной способности катионита его подвергают регенерации, т.е. восстановлению обменной емкости истощенного ионообменника путем пропуска раствора поваренной соли.

Ионообменные смолы нашли широкое применение во всем мире в устройствах по водоочистке. Это мелкие шарики из полимерных материалов, насыщенных ионами, способные изымть из воды различные ионы, взамен отдавая свои; их для удобства назвали "ионообменными смолами", хотя правильное научное название их - "иониты". По структуре иониты подразделяются на гелевые способные к ионообмену только в набухшем состоянии, макропористые и промежуточной структуры. Если иониты обменивают анионы - это аниониты, если катионы - катиониты.

Аниониты классифицируются как сильноосновные (обмен анионов происходит при любых значениях рН), слабоосновные (обмен анионов из кислот - рН 1-6), смешанной активности. Катионоты бывают сильной кислотности, способные к ионообмену при любых значениях рН, и слабокислотные при рН больше 7.

Приведем характеристики некоторых катионоообменников. Среди сильнокислотных катионообменников отечественного производства, разрешенных к применению для хозяйственно-питьевого водоснабжения, можно выделить КУ-2–8чС. Получают его сульфированием гранульного сополимера стирола с 8% дивинилбензола. КУ–2–8чС по структуре и свойствам близок к следующим зарубежным сульфокатионитам особой степени чистоты: амберлайту IRN-77 (США), зеролиту 325 NG (Англия), дауэксу HCR-S-Н (США), дуолайту ARC-351 (Франция), вофатиту RH (Германия). По внешнему виду - сферические зерна от желтого до коричневого цвета, размером 0,4–1,25 мм, удельный объем не более 2,7 см3/г. Полная статическая обменная емкость не менее 1,8 г÷экв/л, мин, динамическая обменная емкость с полной регенерацией не менее 1,6 г÷экв/л.

В настоящее время нашли широкое применение сильнокислотные катиониты фирмы Пьюролайт: C100, С100Е, С120Е (аналоги отечественных смол КУ-2–8, КУ–2–8чС). Применяется ионообменная смола фирмы Пьюролайт С100Е Аg (обменная емкость 1,9 г÷экв/л, насыпная масса 800–840 г/л), представляющая собой серебросодержащий катионит для водоумягчения, обладающий бактерицидным действием. Существует отечественный аналог КУ-23С - макропористый катионит бактерицидного действия (статическая обменная емкость 1,25 г÷экв/л, насыпная масса 830–930 г/л).

Применяется для умягчения питьевой воды как в промышленности, так и в быту катионит Пьюрофайн С100ЕF - он имеет ряд преимуществ по сравнению с общепринятыми смолами для водоумягчения. Обладает намного большей рабочей емкостью при обычных скоростях потока, повышенной рабочей емкостью при высоких скоростях потока, при меняющемся и прерывающемся потоке. Минимальная общая обменная емкость 2,0 г÷экв/л. Особенность катионита С100ЕF состоит в том, что он требует меньшего объема и количества регенеранта (NaCl).

Применяется сильнокислотный катионит IONAС/С 249 для умягчения воды бытового и муниципального применения. Обменная емкость 1,9 г÷экв/л.

Умягчение воды натрий-катионитовым методом на указанных смолах (жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05...0,1, при двухступенчатом - до 0,01 мг÷экв/л) описывается следующими реакциями обмена:
(cм. печатную версию)

После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать. Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах слагается из следующих последовательных операций: фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допускаемой жесткости в фильтрате (скорость фильтрования в пределах 10...25 м/ч); взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды, отработанного регенерата или отмывных вод (интенсивность потока 3...4 л/(см2); спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора; регенерации катионита посредством фильтрования соответствующего раствора (скорость фильтрования 8...10 м/ч). На регенерацию обычно затрачивают около 2ч, из них на взрыхление - 10...15, на фильтрование регенерирующего раствора - 25...40, на отмывку - 30...60 мин.

» и перейти дальше, осталось разобраться с одним-единственным оставшимся способом умягчения воды как такового. Он называется «термический способ умягчения воды «. Естественно, останутся другие технологии, например, технология обратного осмоса или нанофильтрации, которые также работают с жёсткостью воды. Но именно на специфических способах борьбы именно с жёсткой водой мы закончим подраздел .

Термический способ умягчения воды — это способ, при котором из воды удаляетя временная жёсткость (подробнее про временную жёсткость — в статьях «Жёсткая вода » и « «) с помощью нагрева воды. То есть, для умягчения применяются именно те процессы, которые приводят к образованию накипи в обычных условиях. Другими словами, образование накипи тут — желательное явление.

На самом деле термическим способом умягчения воды вы пользуетесь почти что с детства — как раз с того возраста, когда вы научились ставить чайник на огонь. Другими словами, когда вы кипятите воду в чайнике, вы делаете так, чтобы часть солей жёсткости выпадала в осадок в виде накипи на чайнике. В результате вы пьёте чай с более мягкой водой, чем течёт из крана.

Соответственно, может возникнуть вопрос: «А сколько нужно времени кипятить воду, чтобы достичь нужного уровня мягкости воды?» Для того, чтобы ответить на него, нужно немного подумать.

Так, растворимость солей жёсткости падает с ростом температуры. Соответственно, чем выше температура, тем быстрее они выпадут в осадок. И чем дольше происходит обработка, тем полнее будет термическое умягчение воды. Соли жёсткости выпадают в осадок при нагревании по реакции (на примере гидрокарбоната кальция):

С точки зрения химического равновесия, чем быстрее будет улетучиваться углекислый газ, тем быстрее будут выпадать в осадок соли жёсткости. То есть, первый практический совет:

При термическом способе умячгения воды не полностью закрывайте крышку чайника (кастрюли), чтобы углекислый газ мог свободно улетучиваться.

Соответственно, если вы оставляете крышку закрытой, то углекислый газ не может свободно улетучиваться и замедляет скорость выпадения солей жёсткости в осадок. С другой стороны, полностью открытая ёмкость при кипячении приведёт к быстрому испарению воды, что не очень хорошо, поскольку при этом растёт общее содержание солей и вкус воды ухудшается.

Таким образом, нужно найти оптимальное положение крышки на чайнике для вашей собственной жёсткой воды.

Далее, второе следствие из реакции термического осаждения солей жёсткости с точки зрения химического равновесия — чем больше солей жёсткости (т.е. чем выше жёсткость воды), тем быстрее будет происходить выпадение в осадок. То есть, практический вывод таков:

если у ваша вода имеет жёсткость меньше 4 мг-экв/л (4 ммоль/л), то термически умягчать такую воду не стоит.

Всё потому, что осаждение солей жёсткости будет происходить слишком медленно, и испариться слишком много воды, отчего вкус её может ухудшиться (что для себя определяет каждый отдельно взятый человек, поскольку на вкус и цвет товарища нет).

Конечно, мы обещали назвать точное время, за которое все соли жёсткости выпадут в осадок. К сожалению, так просто называть это время нельзя, потому что очень сложно учесть все параметры — и температуру воды, и жёсткость воды, и то, насколько открыта крышка, и как много в воде углекислого газа и т.д.

Кстати, помимо этих химических параметров важен ещё один — площадь поверхности .

Так, чем больше площадь поверхности, на которой может образовываться накипь, тем полнее произойдёт термическое умягчение воды.

И, если вы пользуетесь чайником, и площадь его стенок и дна, контактирующая с водой, составляет 30 квадратных сантиметров, то вы получите минимально возможное при остальных усовиях умягчение. Но если вы увеличите площадь поверхности, контактирующей с водой, вдвое — примерно так же вырастет эффективность умягчения воды, а, значит, и времени обработки.

Также нужно учитывать, что если вы только начали умягчать воду термически в новом чайнике, то за счёт того, что на гладкой поверхности солям жёсткости менее «удобно» кристаллизоваться, то по-началу умягчение будет происходить не так эффективно, как в последствии, когда на стенках образуется хороший слой накипи.

Мы можем назвать примерное время термического умягчения воды для жёсткости в районе 7 мг-экв/л. Это время составляет 2-3 минуты (без учёта дополнительной площади поверхности и с толстым слоем накипи).

Соответственно, должен возникнуть вопрос: «А как можно самостоятельно определить, сколько нужно кипятить воду для её умягчения?» Ответ на этот вопрос прост:

для определения длительности термического умягчения воды нужно провести эксперимент.

Эксперимент будет состоять в том, что вы одинаковый обЪём воды (например, стакан) будете кипятить разное время (в чайнике с примерно одинаковым слоем накипи и площадью поверхности). И оценивать вкус получившейся кипячёной и охлаждённой воды. Охладить воду до комнатной температуры перед пробой нужно обязательно, поскольку вкус горячей воды человек распознаёт очень плохо.

Также нужно учесть, что кипевшая определённое время вода, разлитая в последствии по ёмкостям для охлаждения, должна быть закрыта! Иначе в воде растворится кислород, что изменит вкус воды — будет ощущаться вкус кислорода (сладковатый), а не собственно мягкой воды.

При дегустации нужно иметь контрольный стакан — с исходной, некипячёной водой. Воду глотать необязательно, достаточно её подержать во рту, а потом выплюнуть. После каждой пробы воды полощите рот исходной, термически не умягчённой водой. Свои ощущения записывайте — разница может быть настолько тонка, что будет теряться после нескольких повторов.

Например, процедура дегустации воды после термического умягчения для определения оптимального времени воздействия такова:

1. Попробовать воду из одного стакана и записать баллы вкуса для этого стакана.
2. Прополоскать рот исходной неумягчённой термически водой.
3. Попробовать второй стакан и записать баллы вкуса для него.
4. Прополоскать рот неумягчённой водой

И т.д., сделав минимум по три повтора. В итоге каждая умягчённая проба будет иметь минимум по три оценки. Выводится среднее значение и выбирается оптимальное время!

Определение времени термического умягчения воды можно сделать более точным. Для этого понадобится прибор — TDS-метр, или солемер. Этот прибор измеряет, каково общее содержание солей в воде (в том числе солей жёсткости). Соотвественно, если после термического способа умягчения воды соли жёсткости частично выпали в осадок, то прибор покажет уменьшение общего содержания солей.

Кроме того, поскольку прибор меряет не жёсткость воды, а именно общее содержание солей, то можно определить тот момент, когда кипячение не сколько убирает временную жёсткость воды, сколько увеличивает общее содержание солей за счёт испарения воды.

Естественно, показания прибора лучше всего проверить на вкус — а то мало ли что он показывает 🙂

При покупке солемера нужно приобретать прибор с температурным компенсатором. Иначе в воде разной температуры, но одинакового содержания солей он будет давать разные значения. Ну и вообще солемер — это полезный прибор, им можно определять не только эффективность термического умягчения воды, но и эффективность работы для воды вообще.

Кстати, важное замечание: если вы пользуетесь фильтром для питься с ионообменной смолой или фильтром, работающим по технологии нанофильтрации или обратного осмоса, или дистиллятором или ещё каким-нибудь фильтром, значительно уменьшающим общее содержание солей или жёсткость воды, то в термическом способе умягчения воды нет необходимости.

Итак, термический способ умягчения воды доступен каждому — остаётся лишь выбрать оптимальную длительность умягчения.

Умягчить воду - значит удалить из нее кальций и магний. Об­щая жесткость воды, подаваемой водопроводами для хозяйствен­но-питьевых нужд, не должна превышать 7 мг-экв/дм3, а в особых случаях, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологичес­кой службы, не более 10 мг-экв/дм3. Норма жесткости питатель­ной воды парогенераторов может достигать 0,05 мг-экв/дм3. В за­висимости от качества исходной воды и требуемого эффекта сни­жения жесткости применяют реагентный, термохимический, ионитовый методы умягчения или различные комбинации их.

Реагентное умягчение. Реагентные методы основаны на способ­ности катионов Са2+ и Mg2+ образовывать нерастворимые и мало­растворимые соединения при обработке воды реагентами. В ка­честве реагентов наиболее часто используются известь и сода.

Декарбонизация воды только известкованием применяется в тех случаях, когда требуется одновременное снижение жесткости и щелочности воды.

Известь совместно с содой применяют для умягчения воды, в которой кальций и магний содержатся в сочетании с анионами сильных кислот.

Теоретический предел умягчения воды определяется раствори­мостью карбоната кальция и гидроксида магния. Растворимость карбоната кальция в монорастворе при температуре 0°С равна 0,15 мг-экв/дм3, а при температуре 80°С - 0,03 мг-экв/дм3; для гидроксида магния - соответственно 0,4 и 0,2 мг-экв/дм3.

Как СаС03, так и Mg(OH)2 обладают способностью образовы­вать пересыщенные растворы, которые лишь весьма медленно приближаются к равновесному состоянию даже при контакте с твердой фазой образующегося осадка. На практике нецелесообраз­но длительно выдерживать воду в водоумягчительных аппаратах до наступления равновесного состояния. Поэтому вода, умягчен­ная известкованием (если жесткость вся карбонатная) или извест - ково-содовым методом, обычно имеет остаточную жесткость не менее 0,5-1 мг-экв/дм3.

Глубина умягчения зависит от наличия в обработанной воде избытка осаждаемых ионов и осадительных реагентов. Так, при 40°С, солесодержании воды до 800 мг/дм3, наличии в ней ионов Са2+ в количестве 0,7-1,0; 1-3 и > 3 мг-экв/дм3 остаточная кар­бонатная жесткость в отсутствие замедлителей кристаллизации обычно не превышает 0,5-0,8; 0,6-0,7 и 0,5-0,6 мг-экв/дм3 соот­ветственно, а < 1,2; Щгидр < 0,4 и Жо6щ < 1,0 мг-экв/дм3. При солесодержании 800-2000 мг/дм3 Щ0бЩ = 2,0-2,2 мг-экв/дм3, Щгидр < 0,5-0,8 мг-экв/дм3 и Жобщ < 2,0 мг-экв/дм3. Здесь в под­строчнике «общ» и «гидр» обозначают соответственно «общая» и «гидратная».

Следует отметить, что вода, умягченная известкованием или известково-содовым методом, как правило, пересыщена карбона­том кальция и характеризуется очень высоким рН. Поэтому для увеличения точности дозировки реагентов необходимо в допол­нение к автоматическому регулированию пропорционально рас­ходу обрабатываемой воды корректировать дозу еще и по рН. Воз­можна также корректировка дозы в зависимости от электропро­водности обработанной воды, если содержание SO^, СГ и NO3 стабильно и невелико. При небольших колебаниях дозировки из­вести Mg2+ играет буферную роль: с увеличением дозировки из­вести повышается количество Mg2+, переводимого в осадок (ухуд­шая тем самым его свойства), при сохранении щелочности умяг­ченной воды примерно на постоянном уровне.

Контроль за процессом умягчения осуществляется по вели­чине рН, которая должна быть > 10 из-за необходимости уда­ления из воды Mg2+, или, что менее точно, по величине гид - ратной щелочности, рассчитываемой на основе титрования проб воды кислотой в присутствии индикаторов фенолфталеина и метилоранжа.

Необходимо отметить, что контроль процесса реагентного умягчения воды может осуществляться и по ее электропроводно­сти. При введении в воду извести и переходе бикарбонатов в кар­бонаты, выпадающие в осадок, электропроводность обрабатыва­емой воды изменяется. В соответствии с кривой кондуктометри - ческого титрования в момент полной нейтрализации солей карбонатной жесткости электропроводность достигает минималь­ного значения. При дальнейшем увеличении добавок реагента электропроводность повышается вследствие избытка реагента. Таким образом, оптимальная доза известкового молока, вводимого в умягчаемую воду, характеризуется минимальным значением электропроводности воды.

С повышением температуры воды ускоряются химические ре­акции и кристаллизация осадков СаС03 и Mg(OH)2. Колебания температуры ухудшают условия осаждения.

Коагуляция улучшает осаждение осадков СаС03 + Mg(OH)2. Из-за-высокого рН умягчаемой применяют только коагулян­ты вй основе железа и алюминат натрия. На 1 моль FeS04 необ­ходимо наличие в воде 4 мг 02.

Попадание в осветлитель воздуха приводит к взмучиванию и выносу осадка с умягчаемой водой. Пересыщение воды воздухом можно установить, определяя йодометрическим способом содер­жание кислорода в воде после воздухоотделителя и сравнивая по­лученные результаты с табличными для данных температур.

Термохимическое умягчение заключается в подогреве воды выше 100°С и применении извести и соды, реже - едкого натрия и соды. В результате термохимического умягчения кальциевая жесткость может быть снижена до 0,2 мг-экв/дм3, а магниевая - до 0,1 мг-экв/дм3. Термохимический метод часто сочетают с фосфатным доумягчением воды. В качестве фосфатных реагентов используют ди - или тринатрийфосфат. В результате фосфатного доумягчения можно получить воду с остаточной жесткостью 0,04-0,05 мг-экв/дм3.

Сульфатную жесткость устраняют карбонатом, гидроксидом или алюминатом бария.

Для обеспечения правильного проведения описанных выше процессов умягчения воды необходим соответствующий аналити­ческий контроль. Рекомендуемые анализы и частота их выполне­ния приведены в табл. 1.7.

Полезным руководством для обеспечения хорошего эффекта умягчения могут служить следующие правила: 1) гидратная ще­лочность должна превышать магнезиальную жесткость примерно на 0,4 мг-экв/дм3 при процессе без подогрева и на 0,2 мг-экв/дм3 при процессе с подогревом; 2) карбонатная щелочность должна превышать кальциевую жесткость примерно на 1,2 мг-экв/дм3 при процессе без подогрева и примерно на 0,8 мг-экв/дм3 при процессе с подогревом.

Так как некоторые малорастворимые соли при длительном хранении могут выпасть в осадок, a NaOH переходит в Na2C03, то не следует пользоваться данны­ми усредненных проб умягчаемой воды.

Также из-за наличия проскоков суспензии СаС03 и Mg(OH)2 в умягченную воду ее необходимо дополнительно профильтровать через дробленый антрацит. Кварцевый песок в этом случае явля­ется нежелательным материалом в связи с тем, что он может обо­гащать воду соединениями кремниевой кислоты.

Ионитовое умягчение. Оно осуществляется главным образом с применением Na+-, Н+- и NHj-форм.

В процессе умягчения воды Na-катионированием содержание кальция и магния в воде может быть снижено до весьма малых значений. Общая щелочность при этом не изменится, сухой ос­таток несколько возрастает в результате замещения в воде одного иона кальция, имеющего молекулярную массу 40,08, на два иона натрия (масса 2 х 22,99 = 45,98).

Вода Показатели качества воды Периодичность анализов Обязательные Дополнительные Исходная Свободная углекислота, общая жесткость, каль­ций, магний, общая ще­лочность Сульфаты, сухой оста­ток, рН, кремний, хло­риды Не реже 1 раза в неде­лю, а жесткость и ще­лочность - ежедневно Умягченная Известково-содовое умягчение Общая жесткость, рН, щелочность общая и по фенолфталеину, взве­шенные вещества Сульфаты, сухой оста­ток, кальций, магний, кремний. алюминий, хло­риды Для аппаратов пери­одического действия - при каждой новой дозе реагентов; для аппара­тов непрерывного дейст­вия - ежедневно, хотя может потребоваться и более частое проведе­ние анализа, если ка­чество исходной воды существенно меняется Фосфатное умягчение с подогревом Общаяжесткость, щелоч­ность по фенолфталеи­ну, избыток фосфатов

При фильтровании через катионит в Н-форме все катионы растворенных солей (в том числе и катионы солей жесткости) будут сорбироваться на его зернах; в воду будет переходить экви­валентное количество Н+-ионов; растворенные в воде соли будут превращаться в соответствующие кислоты. Кислотность воды, прошедшей через Н-катионитовый фильтр, который загружен сильноосновным катионитом, будет равна сумме концентраций в исходной воде солей сильных кислот.

Регенерация Н-катионитовых фильтров кислотой в количестве, недостаточном для полного вытеснения из катионита катионов жесткости («голодная» регенерация), позволяет в рабочем цикле снижать щелочность воды до 0,4-0,5 мг-экв/дм3, не снижая ее некарбонатную жесткость.

Если в умягченной воде не допускается наличия карбонатов натрия и калия, но в ней допустимо присутствие ионов аммония, то вместо H-Na-катионирования можно применять NH4-Na-Ka - тионирование.

Умягченная катионированием вода получается более коррози - онно-активной, чем исходная, из-за полного отсутствия в ней би­карбоната кальция, который при определенных условиях может образовывать защитный слой карбоната кальция на поверхности металла, находящегося в контакте с водой.

При контроле качества фильтрата катионитовых установок осо­бое внимание уделяется определению показателей, так или иначе связанных с понятием жесткости и щелочности воды: жесткости общей и карбонатной, щелочности карбонатной и гидратной, со­держанию солей кальция и магния, общему солесодержанию, ве­личине рН, содержанию анионов.

В процессе работы катионитов дополнительно необходимо пе­риодически проверять поглощение или вынос из них фильтратом органических веществ.

Под обессоливанием воды понимают процесс снижения раство­ренных в ней солей до требуемой величины. Различают частич­ное и полное обессоливание. Частным случаем обессоливания воды является опреснение, в результате которого величина соле - содержания в очищенной воде не превышает 1000 мг/дм3 - ПДК всех солей в питьевой воде.

К наиболее распространенным методам обессоливания воды относятся ионный обмен, электродиализ, обратный осмос и дис­тилляция.

Обессоливание позволяет почти полностью удалить из воды вещества, способные целиком или частично диссоциировать (на­пример, соли и кремниевую кислоту); неэлектролиты при этом могут остаться в воде. Иногда происходит также некоторое уменьшение цветности, связанное с абсорбцией кислых органи­ческих веществ ионитами и мембранами. Так как при обессоли - вании удаляются те вещества, которые проводят электрические вещества, показателем качества обработанной воды служит обыч­но ее электропроводность, выраженная в мкСм/см. Расчетное значение этого параметра при 18°С в «сверхчистой» воде состав­ляет 0,037 мкСм/см. Однако в производственных условиях пока удается получать «сверхчистую» воду с удельной электрической проводимостью 0,1 - 1,0 мкСм/см.

За основной критерий, оценивающий качество обработки воды и ионообменную способность фильтров, часто принимают элект­ропроводность воды, пороговая величина которой устанавливается по опытно-исследовательским данным. Например, электропро­водность воды после катионообменника должна быть менее 240, после слабоосновного анионообменника - 50-220 и после силь­ноосновного анионообменника < 20 мкСм/см. Превышение этих значений указывает на истощение ионообменных смол до конт­рольного уровня и на необходимость их регенерации.

Поскольку существующие нормы качества питьевой воды в большинстве своем регламентируют предельно допустимые концен­трации макро - и микрокомпонентов ее состава, то опресненные воды в основном отвечают действующим нормативным требовани­ям. Однако в связи со все расширяющимся вовлечением опреснен­ных вод в централизованные системы хозяйственно-питьевого во­доснабжения возникает необходимость дополнительного нормиро­вания минимально необходимых концентраций важнейших в гигиеническом отношении показателей качества: содержания каль­ция, бикарбонатов, общего солесодержания, натрия, калия и др. Как показывают современные медико-физиологические исследова­ния, недостаточное содержание в опресненной воды солей жест­кости (менее 1,5 мг-экв/дм3) может привести к нарушениям обме­на веществ и сердечно-сосудистым заболеваниям в организме лю­дей, длительное время употребляющих такую мягкую воду.

Статья № 118

Процессы для умягчения воды

Процессы для умягчения воды

Большое количество информации порождает бессмыслицу и запутанность. Проблема, вместо того, чтобы быть решенной перерастает в дилемму. Это утверждение особенно справедливо для ситуации, сложившейся с жесткой водой и в тот момент, когда нужно определить процессы для умягчения воды . Что делать: проводить удаление накипи в котле или жесткая вода все-таки может быть использована? Наверное, ответ будет положительным и средство от накипи применять нужно. Ведь доказано, что известковый налет и отложения часто наносят сильный вред санитарной и бытовой технике.
С другой стороны есть информация о том, что, мол, даже вода из родников потому и вкусная, что там содержатся ионы кальция и магния (именно они, как вы помните, являются главной причиной образования накипи). Также многие врачи заявляют, что в нашей стране у каждого человека наблюдается недостаток кальция и магния в организме, что пагубно для здоровья и ведет к нарушениям в костной системе. Известно также, что именно вода, насыщенная «накипными» солями, является основным источником, из которого можно получить необходимые человеку вещества. Но, при этом, процессы для умягчения воды всё же необходимы.
С одной стороны умягчение воды будто бы не требуется, а с другой – как же тогда уберечь бытовую технику? Между тем, примеров удивительных свойств применения мягкой воды огромное множество: только из мягкой воды готовят чешское пиво лучших сортов, а чай и кофе становятся более ароматными и вкусными. Если вы были в турецком отеле, то наверняка помните, насколько ваша кожа была приятна на ощупь после посещения душа. Это происходит потому, что там используется умягчитель воды для котла и труб .
Перейдем от теории к практике. В России один человек в среднем расходует на себя около 300-400 литров воды, из которых основная часть приходится на бытовые нужды, и только около 5-10 литров мы тратим на приготовление пищи. Что касается питья, то здесь цифры еще меньше – мы выпиваем всего 1-2 литра.
В связи с этим напрашивается будто бы единственное правильное решение – для питьевой воды приобретать жесткую воду (покупать в бутылках), а для техники использовать умягчитель воды. Пожалуй, это самое лучший способ, который позволит избежать постоянных технических поломок, облегчит и разгрузит систему водоснабжения от заторов и позволит сэкономить на моющих средствах. Но сделать это не так легко, как кажется, особенно в нашей стране. Процессы для умягчения воды бывают разными.
Конечно, коммунальные службы делают все возможное для того, чтобы предварительно очистить воду, но, по сути, от них мало что зависит, их умягчение воды лишь поверхностное. Жесткая вода поступает в квартиры граждан практически напрямую, не проходя необходимой очистки. Ни одно средство от накипи при этом не используется.
Совсем другая ситуация сложилась в зарубежных странах, где процесс поступления воды и очистка от накипи очень хорошо организованы. На Западе водоподготовка продумана до мелочей, ведь там действительно очищают воду, но далеко не всю. Разводка коммуникаций проектируется таким способом, что мягкая вода подается лишь в систему горячего водоснабжения. Это позволяет увеличить срок службы котла и минимизирует производимые затраты.
Очистка от накипи котла и теплообменника , этот процесс умягчения воды происходит благодаря тому, что в котловый контур поступает умягченная вода. При этом вода, находящаяся в системе холодного водоснабжения, не подвергается обработке – жесткая вода подается в первозданном виде. Но здесь есть одна хитрость. Дело в том, что поступающая горячая вода смешивается с холодной и дает на выходе 1,5-2 мг-экв/л. Однако такое средство от накипи используется не всегда. К примеру, для воды в сливных бочках унитаза, а также воды, предназначенной для полива газонов, обработка не применяется.
Итак, с теорией и заграничной практикой по проведению процессов для умягчения воды и комплекса таких действий, как водоподготовка, мы знакомы. Что же делать нам, в наших российских условиях для того, чтобы как можно более эффективно и без особых затрат добиться, чтобы происходило естественное удаление накипи и снижение жёсткости воды ?

Сочетание процессов для умягчения воды

Для этого, в первую очередь, желательно быть в курсе того, какова жесткость именно вашей воды. Если хотите узнать, то сделать это так просто не получится – придется отнести анализ воды на пробу в специальную лабораторию, где определяют пригодность воды. Существует классификация, согласно которой, вода с жесткостью 1,5-3 мг-экв/л считается мягкой, с показателями в 3-6 мг-экв/л – умеренно жесткой. Действительно жесткая вода содержит от 6 до 9 мг-экв/л катионов солей. В соответствии с ГОСТ – вода, которая поступает из крана, должна содержать 7 мг-экв/л катионов солей. Сочетание процессов для умягчения воды позволит максимально снизить жёсткость.
Следует заметить, что этот параметр – 7 мг-экв/л выводился без учета потребностей людей, исходя из времени выхода из строя труб. Трубопроводная система изнашивается гораздо быстрее при воде с жесткостью выше 7 мг-экв/л. Получается, что все существующие нормы были введены, во избежание зарастания известью и предупреждения скорого вывода трубопровода из строя.
Однако чтобы не мучить себя, нужен ли вам умягчитель воды, можно определить уровень содержания солей на глаз. Однако, это не так эффективно, как сочетание процессов для умягчения воды, например с разными средствами от накипи. От жесткой воды на душевом рассеивателе остается известковый налет, а кожа после водных процедур часто сохнет, шелушится, становясь при этом грубой. Количество накипи, которая остается после кипячения воды в чайнике, ни о чем не говорит, поскольку она остается даже при использовании умягченной воды.
Возвращаемся к поставленной проблеме: как же решить ее наиболее эффективным образом – так, чтобы сэкономить финансы и уберечь технику?
На данный момент существует множество способов по проведению такой процедуры, как водоподготовка. Самым простым из них всегда было и остается обычное кипячение. Такое умягчение воды эффективно при карбонатной жесткости (временная жесткость). Гидрокарбонат при термическом воздействии выпадает в осадок, выделяется углекислый газ. Данный метод используют не только в быту, но и в промышленности. Он особенно результативен при наличии дарового тепла.
Помимо этого, иногда используются реагентные методы. В процессе умягчения воды и воздействия химвеществ соли кальция переводятся в нерастворимые соединения, которые впоследствии образуют осадок. Сфера применения – станции муниципальной подготовки воды. Удаление накипи происходит при добавлении гашеной извести и соды. Это устраняет мутные взвеси, а также способствует умягчению воды.
Однако, сочетание процессов для умягчения воды и воздействие реагентами имеет весомые недостатки, которые не позволяют использовать этот метод в домашних условиях. Во-первых, нужна точная дозировка веществ. Во-вторых, их надо где-то хранить. В-третьих, очистка от накипи оставляет большое количество твердых отходов.
В древности воду смягчали, добавляя в нее печную золу. Не менее эффективный способ – добавление соды, в пропорциях 1-2 чайные ложки на ведро воды. Это, конечно, решает проблему, но не в таких масштабах, в каких нам нужно. Плюс ко всему, это требует времени и наличия необходимых элементов. Мы же выяснили, что человек потребляет около 300 литров воды в день – а это много для того, чтобы каждый раз добавлять в воду соду, кипятить ее или смешивать с золой.
Следующими способами являются электродиализ и обратный осмос. Методы используются при обессоливании, смягчении и подготовке воды к питью. Довольно широко используется способ умягчения воды, основанный на ионообменных смолах, в ходе которого происходит обмен «жестких» ионов на ионы натрия смолы. Регенерация смолы, полученной в ходе ионного обмена, осуществляется при использовании раствора поваренной соли. Импортные смягчители изготовлены в виде напорного бака, имеющего высокую прочность. Ионообменная смола находится внутри такого баллона.
Сейчас существует множество различного оборудования, предназначенного для умягчения воды. Однако наиболее мобильным, эффективным и практически безотходным являются электромагнитные умягчители. По сравнению с теми же процессами для умягчения воды и осмосными и ионообменными установками, они гораздо дешевле, компактнее и не создают никакого шума, а также не имеют побочных эффектов. Важный параметр – это время очистки и объем воды, который может быть очищен за определенный промежуток времени. По сравнению с существующими аналогами, электромагнитный умягчитель и здесь показывает самые лучшие результаты. Сочетание процесса для умягчения воды с другими процессами, даёт наилучший результат.