Жесткая вода и способы ее умягчения химия. Умягчение воды

19.10.2019

Умягчение воды - это процесс удаления из воды солей жесткости.

Процессы извлечения из воды солей Ca 2+ и Mg 2+ в водоподготовке называют умягчением воды . Относительно селективное удаление солей жесткости из воды может производиться тремя методами:

реагентным умягчением воды;
ионным обменом;
нанофильтрацией.

Жесткая питьевая вода горьковата на вкус и оказывает отрицательное влияние на органы пищеварения. По нормам ВОЗ оптимальная жесткость питьевой воды составляет 1,0–2,0 мг-экв/л. В бытовых условиях избыток солей жесткости приводит к зарастанию нагревающихся поверхностей в бойлерах, чайниках, трубах, отложению солей на сантехарматуре и выводу ее из строя, а также оставляет налет на волосах и коже человека, создавая неприятное ощущение их «жесткости». При стирке, взаимодействуя с ПАВами мыла или стиральных порошков, соли жесткости связывают их и требуют большего расхода.

В пищевой промышленности жесткая вода ухудшает качество продуктов, вызывая выпадение солей при хранении. Это характерно для бутилированной питьевой воды, пива, соков, водки. Даже при мытье бутылок она оставляет несмываемые потеки. Поэтому жесткость воды, используемой для приготовления различных продуктов, четко регламентирована и находится на уровне 0,1–0,2 мг-экв/л.

В энергетике случайное кратковременное попадание жесткой воды с систему очень быстро выводит из строя теплообменное оборудование, трубопроводы. Даже небольшой слой отложений солей на поверхности теплообменного оборудования приводит к резкому снижению коэффициента теплопередачи и увеличению расхода топлива. Трубопроводы зарастают настолько, что их производительность падает в несколько раз. Поэтому в тех процессах, где допустимо использование воды с некоторым содержанием солей, ее жесткость ограничивается еще меньшими значениями – 0,03–0,05 мг-экв/л.

Реагентное умягчение воды

Многие соли жесткости имеют низкую растворимость. При введении в раствор некоторых реагентов увеличивается концентрация анионов, которые образуют малорастворимые соли с ионами жесткости Ca 2+ и Mg 2+ . Такой процесс называют реагентным умягчением воды .

Различают умягчение воды известкованием и содо-известкованием.

При известковании в раствор добавляют гашеную известь Ca(OH) 2 до рН около 10. В результате протекают реакции:

Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 = 2 CaCO 3 + 2Н 2 O ;

Mg(HCO 3) 2 + 2 Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 + 2СaCO 3 + 2Н 2 O .

Данный способ используют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости воды, когда требуется одновременное снижение жесткости и щелочности. Остаточная жесткость на 0,4–0,8 мг-экв/л превышает некарбонатную жесткость. Обычно используется совместно с ионообменным умягчением воды.

При содо-известковании в воду добавляют гашеную известь Ca(OH) 2 и соду Na 2 CO 3 до рН около 10. В результате протекают реакции:

Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 + Na 2 CO 3 = 2 CaCO 3 + 2 NaOH + Н 2 СО 3 ;

Mg(HCO 3) 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 + 2NaHCO 3 .

Как следует из уравнений реакций, в процессе образования и осаждения осадка из воды извлекаются соли жесткости. Вместе с ними удаляются коллоидные и взвешенные частицы с ассоциированными на них загрязнениями. На хлопьях осадка частично сорбируются органические загрязнения воды.

При содо-известковании за счет избытка ионов HCO 3 достигается бoльшая полнота удаления из воды солей жесткости. Повышение температуры до 70–80 ° С позволяет довести остаточную жесткость до 0,35–1,0 мг-экв/л. Того же результата можно достигнуть увеличением доз реагентов.

Процессы осаждения осуществляются в отстойниках и осветлителях со взвешенным слоем осадка.

Отстойники малопроизводительны, и получаемая в них гидроксидная пульпа имеет высокую влажность – 97–99%. Поэтому они в настоящее время практически не применяются.

В практике используются различные варианты осветлителей со взвешенным слоем осадка. В них очищаемый раствор подается снизу и проходит через слой осадка. Это увеличивает коэффициент очистки воды. Для уменьшения объема шлама используются дополнительные зоны и камеры шламоуплотнения. Увеличение степени осветления достигается введением дополнительных секций тонкослойного отстаивания.

Реагентные методы умягчения в подготовке питьевой воды не используются. После них вода имеет сильнощелочную реакцию. Они широко применяются в энергетике и промышленности как первая ступень очистки до механических фильтров . При совместной работе они позволяют умягчить воду, удалить взвешенные вещества, включая коллоиды, и частично очистить воду от органических веществ.

Поскольку осаждение образовавшихся хлопьев происходит очень медленно, производительность оборудования низка и оно имеет большие габариты. В результате образуются отходы в виде трудно утилизируемых шламов. Процесс требует тщательного контроля, причем в основном ручного, поскольку зависит от многих факторов: температуры воды, точности дозировки реагентов, исходной мутности воды и т. п.

Новые технологические решения (тонкослойное отстаивание, контактная коагуляция, ввод флокулянтов) позволяют достигнуть тех же показателей умягчения воды при меньших расходе реагентов, габаритах установок и их полной автоматизации.

Нанофильтрационное умягчение воды

При использовании мембран с определенным размером пор обеспечивается их селективность к многозарядным и крупным ионам. Одновалентные ионы (катионы и анионы) в основном не задерживаются мембраной. Реально при селективности по MgSO 4 на уровне 98–99% селективность по NaCl для различных нанофильтрационных мембран составляет 20–70%. При пропускании воды через такую нанофильтрационную мембрану удаляются все взвеси, коллоиды, бактерии и вирусы, катионы тяжелых металлов и часть органических загрязнений. Происходит достаточно глубокая очистка от солей жесткости – в 10–50 раз. Концентрация солей натрия уменьшается незначительно. В результате вода умягчается и частично обессоливается.

Для умягчения используются установки с тангенциальной фильтрацией и с рулонными элементами, которые аналогичны установкам обессоливания обратным осмосом . Па раметры такие установоки водоподготовки близки к установкам низконапорного осмоса. Рабочее давление находится в пределе 7–16 атм. Для малогабаритных бытовых фильтров очистки воды производятся мембраны, работающие даже при 3 атм.

Степень умягчения воды определяется характеристиками применяемых мембран и, поскольку селективность нанофильтрационных мембран к катионам Ca 2+ и Mg 2+ различна (см. табл. 3.3), зависит от состава воды. В любом случае, степень извлечения солей жесткости ниже, чем при обратном осмосе и тем более чем при ионообменном умягчении.

Умягчение воды мембраной типа NF -70 (Filmtec)

Эффективность очистки раствора по различным компонентам показана в следующей таблице.

Кондиционирование воды на мембране типа NF -70 (Filmtec)

	Исходная вода	Пермеат
Хлориды, мг/л
Сульфаты, мг/л

Общий органический углерод, мг/л
Органические галогены, мкг/м 3
Тригалогенометаны, мкг/м 3
Щелочность, мг/л
Жесткость карбонатная, мг/л
Жесткость общая, мг/л
Цветность, градусы

Наибольшим достоинством нанофильтрации воды является снижение не только жесткости воды, но и щелочности, солесодержания, а также удаление механических, органических и биологических загрязнений воды при отсутствии необходимости использования реагентов и проблем с солевыми стоками при относительно простой схеме.

Промышленная установка для получения питьевой воды с производительностью 2800 м 3 в сутки состоит из 2 включенных параллельно установок производительностью 60 м 3 /ч. Каждая из них содержит 4 ступени из параллельно включенных 8, 4, 2 и 1 модуля, последовательно соединенных по концентрату. Предподготовка состоит из последовательных блоков микрофильтров с рейтингом 10 и 5 мкм. После установки нанофильтрации вода поступает в декарбонизатор для удаления избытка углекислоты и в узел коррекции рН.

В очищенной нанофильтрационной установкой воде отсутствуют бактерии и вирусы, микрозагрязнения и хлорорганика , уменьшены жесткость воды и содержание сульфатов, имеется возможность сокращения в воде дозы хлора. Установка, базирующаяся на традиционных технологиях очистки воды, для получения близкого эффекта должна включать несколько стадий очистки.

Недостатком нанофильтрации является меньшая возможная глубина умягчения воды, необходимость более тщательной предподготовки воды, чем при ионном обмене, и существенно большие потребление воды, электроэнергии и объем отходов. Правда, поскольку последние являются малосолевыми, их сброс существенно легче согласовать с экологическими органами.

Размеры и конструкция рулонных элементов и установок для нанофильтрации и обратного осмоса идентичны.

Электрохимический метод умягчения воды является относительно новым. Ранее он предлагался для переработки солевых отходов, включая регенераты установок умягчения, для их последующего повторного использования. В РХТУ им. Д. И. Менделеева разработана технология, включающая электрохимическую коррекцию рН очищаемой воды и электрофлотационное отделение твердой фазы. При прохождении воды через межэлектродное пространство происходят процессы электролиза, поляризации, электрофореза, окислительно-восстановительные реакции с деструкцией органических веществ и инактивацией биологических загрязнений воды. Продукты электролиза взаимодействуют друг с другом с образованием нерастворимых солей.

Принципиальная схема процесса электрохимическогог умягчения воды показана на рисунке. Вода поступает в отстойник 1 , где удаляются грубодисперсные вещества. Затем она подается в катодную камеру электрокорректора 2а . Поскольку между камерами 2а и 2б установлена анионообменная мембрана 4 , при наложении постоянного тока в катодной камере 2а рН поднимается до 10–11, а в анодной 2б опускается до 3–4. В катодной камере происходит образование частиц гидроксидов и карбонатов смешанного состава. Вода со взвесями поступает в камеры грубой 3а и тонкой 3б очистки электрофлотатора. В электрофлотаторе в результате электролиза воды происходит выделение водорода и кислорода, которые поднимаясь флотируют частицы взвесей, органики, эмульсии, образуя пенный слой – флотшлам, который удаляется специальным устройством. После осветления умягченная вода подается в анодную камеру электрокорректора 2б , где происходит ее нейтрализация до рН, близкого к исходной воде.

Схема работы электрокорректора:

1 – отстойник; 2а – катодная камера электрокорректора, 2б – анодная камера электрокорректора; 3а – камера грубой очистки электрофлотатора, 3б – камера тонкой очистки электрофлотатора; 4 – анионообменная мембрана

По данным авторов, качество умягчения воды достаточно высокое – жесткость ниже 0,1 мг-экв/л. Установка умягчения воды производительностью 5 м 3 /ч занимает площадь 10 м 2 и потребляет 2–3 кВт-ч/м 3 электроэнергии.

Наряду с умягчением происходит очистка воды от органических и биологических загрязнений.

В одном фильтре одновременно удаляются из воды: механические примеси, растворенное, коллоидное и органическое железо, марганец, природные органические соединения (гуминовые и фульвокислоты и их соли), соли жесткости и тяжелых металлов.

Цена: от 32 900 руб.

Мы подберем решение для Вас!

По статистике 90% водонагревательной и сантехнической техники ломается из-за жесткой воды. Образуется накипь, забиваются трубопроводы, водонагреватели теряют мощность, бытовая техника выходит из строя. Опасна высокая жесткость и для людей. В органах образуется песок и камни, страдают сосуды и сердце, кожа становится сухой, возникают дерматиты. Чтобы дома не было аварий, и здоровье не ухудшалось, производят умягчение воды с помощью фильтров.

Жесткость — свойство воды, зависящее от содержания в растворенной форме солей кальция (Ca) и в меньшей концентрации кремния (Si лат. Silicium), магния (Mg).

Карбонатная
Некарбонатная
Общая

Карбонатная носит временный характер. Легко убирается кипячением. Определяется наличием в жидкости гидрокарбонатов кальция (Calcium), магния. Химическая формула — Ca(НСО3)2; Mg(НСО3)2. Образует накипь в трубопроводах горячего водоснабжения, в чайнике, на водонагревательных элементах котлов, бойлеров.

Некарбонатная постоянна. Кипячением не удаляется. Обусловлена наличием солей, которые отличаются по свойствам от карбонатных. В основном, это хлориды (CaCl2, MgCl2), сульфаты (CaSO4, MgSO4).

Общая жесткость — сумма 1-й и 2-й жесткости. Итоговый показатель содержания в жидкости всех присутствующих ионов и соединений магния, кальция. С 2014-го года появились обновленные стандарты, по которым этот параметр измеряют в градусах жесткости — °Ж=1 мг-экв на литр. По общей жесткости вода:

Жесткая — больше 10°Ж
Средней жесткости — 2-10
Мягкая — до 2

В Европе норма концентрации — 2,5; в РФ — 7.

В скважинную воду «жесткие» химические соединения попадают из растворимых горных пород, которые состоят из доломита, извести, гипса. Если регион богат этими минералами, в воде они точно будут. Нужен фильтр для умягчения воды .

Зачем умягчают домашнюю воду

«Жесткие» соли постепенно накапливаются в организме. Закупориваются сосуды. Страдает сердце. В почках и других органах и полостях тела появляются камни. Возникает мочекаменная болезнь. Употребление воды повышенной жесткости наносит серьезный вред здоровью. Кроме этого:

Образующаяся на нагревателях и внутри радиаторов отопления накипь уменьшает теплоотдачу
Моющие средства дают мало пены. Расход бытовой химии повышается на 60%
Блюда готовятся дольше. Мясо после варки остается жестким
1 миллиметр накипи увеличивает электропотребление на 10%
Приводит к перегреву нагревательных ТЭН-ов. Является причиной 90% поломок водных нагревателей

Жесткая вода ухудшает внешний вид. Кожа высыхает, шелушится. Появляются дерматиты, прыщи, покраснения. Волосы не промываются, выглядят неопрятно, становятся непослушными. На зубах образуется налет.

Жесткая вода опасна для новорожденных. Увеличивает вероятность появления экземы и атопического дерматита при постоянном употреблении, купании. Симптомы появляются уже в 3 месяца. Экзема становится причиной появления аутоиммунных аллергий и дальше до пищевых аллергий, астмы.

Лучшая защита — купить и установить фильтр умягчения воды . Устройства водоподготовки и очистки хорошо умягчают, делают бытовую воду пригодной для питья, хозяйственного применения.

Сильные магниты также используют в водоочистке. Жидкость пропускают через мощное магнитное поле. В результате вода меняет физические характеристики, растворенные примеси теряют способность образовывать соли, а, следовательно, и накипь. Кроме этого, намагниченная вода разрушает и удаляет уже отложившиеся слои накипи. Технология эффективна при малом содержании ионов кальция, кремния, магния.

На жидкость воздействуют электрическим полем высокой заряженности с помощью специальных мембран. Удаляются ионы жесткости и некоторые другие вещества. Технологию применяют для опреснения морской воды в промышленных объемах, на производствах поваренной соли и для подготовки воды в теплоэнергетических установках.

Делают с помощью реагентов. Используют гашеную известь Ca(OH)2, натрия ортофосфат Na3PO4 или кальцинированную соду Na2CO3. При взаимодействии с реагентом соли жесткости принимают нерастворимый вид, оседают на дно и легко отфильтровываются. Эта технология оправдана при очистке больших объемов жидкости. При применении возникает ряд специфических технологических проблем. Нужна точная дозировка химического реагента.

Технология относится к реагентным методикам умягчения. Для водоочистки применяют гранулированные фильтрующие засыпки, преимущественно ионообменные смолы, которые загружают в фильтры умягчения воды . При взаимодействии с гранулами смолы из жидкости улавливаются ионы «жестких» соединений, а также железо, марганец. В зависимости от типа фильтрующего материала в процессе ионного обмена образуются ионы натрия, калия или водород. При грамотно выбранной загрузке удается уменьшить жесткость до 0,1-0,01°Ж даже при сверхвысокой минерализации.

Преимущества ионообменных фильтров:

Цена на 20-50% ниже
Универсальные. Подходят для коттеджей, загородных домов, городских квартир. Ставятся на скважины, колодцы, врезаются в трубопроводы городского водоснабжения
Производительные. Одним баллоном удаляют жесткость, железо, лишние минералы, марганец, органические соединения и другие загрязнители
Устраняют сверхвысокие концентрации железа — до 30 мг

Со временем смолы забиваются загрязнителями, удерживаемыми химическими связями, и перестают умягчать воду. Однако реакция ионного обмена обратима. Если пропустить через смолу раствор поваренной соли, примеси отделятся, а содержащийся в соли натрий займет образовавшиеся пустоты. Отделившиеся загрязнители смываются в дренаж. Обновленная смола снова качественно очищает и умягчает воду.

Технологические схемы и конструктивные элементы установок реагентного умягчения воды

Термохимический метод умягчения воды

Умягчение воды диализом

Магнитная обработка воды

Литература

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

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

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

умягчение вода диализ термический

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

(20.1)

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

Методы умягчення воды

Показатель	термический	реагентный	ионообменный	диализа
Характеристика процесса	Воду нагревают до температуры выше 100°С, при этом удаляется карбонатная и некарбонатная жесткости (в виде карбоната кальция, гидрокси-. да магния и гипса)	В воду добавляют известь, устраняющую карбонатную и магниевую жесткость, а также соду, устраняющую некарбонат - иую жесткость	Умягчаемая вода пропускается через катионито - вые фильтры	Исходная вода фильтруется через полупроницаемую мембрану
Назначение метода	Устранение карбонатной жесткости из воды, употребляемой для питания котлов низкого н среднего давления	Неглубокое умягчение при одновременном осветлении воды от взвешенных веществ	Глубокое умягчение воды, содержащей незначительное количество взвешенных веществ	Глубокое умягчение воды
Расход воды на собственные нужды	-	Не более 10%	До 30% и более пропорционально жесткости исходной воды	10
Условия эффективного применения: мутность исходной воды, мг/л	До 50	До 500	Не более 8	До 2,0
Жесткость воды, мг-экв/л	Карбонатная жесткость с преобладанием Са (НС03) 2, некарбонатная жесткость в виде гипса	5.30	Не выше 15	До 10,0
Остаточная жесткость воды, мг-экв/л	Карбонатная жесткость до 0,035, CaS04 до 0,70	До 0,70	0,03.0,05 прн одноступенчатом и до 0,01 при двухступенчатом ка - тионировании	0,01 и ниже
Температура воды,°С	До 270	До 90	До 30 (глауконит), до 60 (сульфоугли)	До 60

Термический метод умягчения воды

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

Са (НС0 3) 2 - > СаСО 3 + С0 2 + Н 2 0.

Равновесие смещается за счет понижения растворимости оксида углерода (IV), вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить оксид углерода (IV) и тем самым значительно снизить карбонатную кальциевую жесткость. Однако, полностью устранить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция хотя и незначительно (13 мг/л при температуре 18°С), но все же растворим в воде.

При наличии в воде гидрокарбоната магния процесс его осаждения происходит следующим образом: вначале образуется сравнительно хорошо растворимый (110 мг/л при температуре 18° С) карбонат магния

Mg (НСО 3) → MgC0 3 + С0 2 + Н 2 0,

который при продолжительном кипячении гидролизуется, в результате чего выпадает осадок малорастворимого (8,4 мг/л). гидроксида магния

MgC0 3 +H 2 0 → Mg (0H) 2 +C0 2 .

Следовательно, при кипячении воды жесткость, обусловливаемая гидрокарбонатами кальция и магния, снижается. При кипячении воды снижается также жесткость, определяемая сульфатом кальция, растворимость которого падает до 0,65 г/л.

На рис. 1 показан термоумягчитель конструкции Копьева, отличающийся относительной простотой устройства и надежностью работы. Предварительно подогретая в аппарате обрабатываемая вода поступает через эжектор на розетку пленочного подогревателя и разбрызгивается над вертикально размещенными трубами, и по ним стекает вниз навстречу горячему пару. Затем совместно с продувочной водой от котлов она по центрально подающей трубе через дырчатое днище поступает в осветлитель со взвешенным осадком.

Выделяющиеся при этом из воды углекислота и кислород вместе с избытком пара сбрасываются в атмосферу. Образующиеся в процессе нагревания воды соли кальция и магния задерживаются во взвешенном слое. Пройдя через взвешенный слой, умягченная вода поступает в сборник и отводится за пределы аппарата.

Время пребывания воды в термоумягчителе составляет 30.45 мин, скорость ее восходящего движения во взвешенном слое 7.10 м/ч, а в отверстиях ложного дна 0,1.0,25 м/с.

Рис. 1. Термоумягчитель конструкции Копьева.

15 - сброс дренажной воды; 12 - центральная подающая труба; 13 - ложные перфорированные днища; 11 - взвешенный слой; 14 - сброс шлама; 9 - сборник умягченной воды; 1, 10 - подача исходной и отвод умягченной воды; 2 - продувка котлов; 3 - эжектор; 4 - выпар; 5 - пленочный подогреватель; 6 - сброс пара; 7 - кольцевой перфорированный трубопровод отвода воды к эжектору; 8 - наклонные сепарирующие перегородки

Реагентные методы умягчения воды

Умягчение воды реагентными методами основано на обработке ее реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения: Mg (OH) 2 , СаС0 3 , Са 3 (Р0 4) 2 , Mg 3 (P0 4) 2 и другие с последующим их отделением в осветлителях, тонкослойных отстойниках и осветлительных фильтрах. В качестве реагентов используют известь, кальцинированную соду, гидроксиды натрия и бария и другие вещества.

Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарботаной жесткости, а также в случае, когда не требуется удалять из воды соли некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде раствора или суспензии (молока) в предварительно подогретую обрабатываемую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ионами ОН - и Са 2+ , что приводит к связыванию растворенного в воде свободного оксида углерода (IV) с образованием карбонатных ионов и переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные:

С0 2 + 20Н - → СО 3 + Н 2 0,НСО 3 - + ОН - → СО 3 - + Н 2 О.

Повышение в обрабатываемой воде концентрации ионов С0 3 2 - и присутствие в ней ионов Са 2+ с учетом введенных с известью приводит к повышению произведения растворимости и осаждению малорастворимого карбоната кальция:

Са 2+ + С0 3 - → СаС0 3 .

При избытке извести в осадок выпадает и гидроксид магния

Mg 2+ + 20Н - → Mg (ОН) 2

Для ускорения удаления дисперсных и коллоидных примесей и снижения щелочности воды одновременно с известкованием применяют коагуляцию этих примесей сульфатом железа (II) т.е. FeS0 4 *7 Н 2 0. Остаточная жесткость умягченной воды при декарбонизации может быть получена на 0,4.0,8 мг-экв/л больше некарбонатной жесткости, а щелочность 0,8.1,2 мг-экв/л. Доза извести определяется соотношением концентрации в воде ионов кальция и карбонатной жесткости: а) при соотношении [Са 2+ ] /20<Ж к,

(20.2б)

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

(20.3)

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

Умягчение воды диализом

Магнитная обработка воды

Литература

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

умягчение вода диализ термический

Методы умягчення воды

Показатель	термический	реагентный	ионообменный	диализа
Характеристика процесса	Воду нагревают до температуры выше 100°С, при этом удаляется карбонатная и некарбонатная жесткости (в виде карбоната кальция, гидрокси-. да магния и гипса)	В воду добавляют известь, устраняющую карбонатную и магниевую жесткость, а также соду, устраняющую некарбонат - иую жесткость	Умягчаемая вода пропускается через катионито - вые фильтры	Исходная вода фильтруется через полупроницаемую мембрану
Назначение метода	Устранение карбонатной жесткости из воды, употребляемой для питания котлов низкого н среднего давления	Неглубокое умягчение при одновременном осветлении воды от взвешенных веществ	Глубокое умягчение воды, содержащей незначительное количество взвешенных веществ	Глубокое умягчение воды
Расход воды на собственные нужды	-	Не более 10%	До 30% и более пропорционально жесткости исходной воды	10
Условия эффективного применения: мутность исходной воды, мг/л	До 50	До 500	Не более 8	До 2,0
Жесткость воды, мг-экв/л	Карбонатная жесткость с преобладанием Са (НС03) 2, некарбонатная жесткость в виде гипса	5.30	Не выше 15	До 10,0
Остаточная жесткость воды, мг-экв/л	Карбонатная жесткость до 0,035, CaS04 до 0,70	До 0,70	0,03.0,05 прн одноступенчатом и до 0,01 при двухступенчатом ка - тионировании	0,01 и ниже
Температура воды,°С	До 270	До 90	До 30 (глауконит), до 60 (сульфоугли)	До 60

Термический метод умягчения воды

Са (НС0 3) 2 - > СаСО 3 + С0 2 + Н 2 0.

Mg (НСО 3) → MgC0 3 + С0 2 + Н 2 0,

MgC0 3 +H 2 0 → Mg (0H) 2 +C0 2 .

Рис. 1. Термоумягчитель конструкции Копьева.

15 - сброс дренажной воды; 12 - центральная подающая труба; 13 - ложные перфорированные днища; 11 - взвешенный слой; 14 - сброс шлама; 9 - сборник умягченной воды; 1, 10 2 - продувка котлов; 3 - эжектор; 4 - выпар; 5 - пленочный подогреватель; 6 - сброс пара; 7 - кольцевой перфорированный трубопровод отвода воды к эжектору; 8 - наклонные сепарирующие перегородки

Реагентные методы умягчения воды

С0 2 + 20Н - → СО 3 + Н 2 0,НСО 3 - + ОН - → СО 3 - + Н 2 О.

Са 2+ + С0 3 - → СаС0 3 .

При избытке извести в осадок выпадает и гидроксид магния

Mg 2+ + 20Н - → Mg (ОН) 2

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

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

При отсутствии экспериментальных данных дозу коагулянта находят из выражения

Д к = 3 (С) 1/3 , (20.4)

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

В свою очередь, С определяют, используя зависимость

где М и - содержание взвешенных веществ в исходной воде, мг/л; m - содержание СаО в товарной извести, %.

Известково-содовый метод умягчения воды описывается следующими основными реакциями:

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

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

(20.7)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2NаHC0 3 = Na 2 C0 3 + Н 2 0 + С0 2 .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Д Ф =54,67 (Ж ОСТ + 0,18),

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

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

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

Технологические схемы и конструктивные элементы установок реагентного умягчения воды

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

Рис. 3. Водоумягчительная установка с вихревым реактором.

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

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

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

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

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

Рис. 4. Вихревой реактор.

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

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

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

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

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

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

2Н 2 0 + 2е 1 → 20Н - + Н 2,

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

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

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

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

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

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

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

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

Химическим, рентгеноструктурным, ИК-спектроскопическим и спектральным анализами установлено, что в осадке преимущественно содержатся CaC0 3 , Mg (OH) 2 и частично Fe 2 0 3 *Н 2 0. Это свидетельствует о том, что связывание ионов Mg (II) происходит за счет гидроксил-ионов при разряде молекул воды на катоде.

Электрохимическая обработка воды перед подачей на катионитовые фильтры позволяет значительно (в 15-20 раз) увеличить их рабочий цикл.

Термохимический метод умягчения воды

Термохимическое умягчение применяют исключительно при подготовке воды для паровых котлов, так как в этом случае наиболее рационально используется теплота, затраченная на подогрев воды. Этим методом умягчение воды производят обычно" при температуре воды выше 100°С. Более интенсивному умягчению воды при ее подогреве способствует образование тяжелых и крупных хлопьев осадка, быстрейшее его осаждение вследствие снижения вязкости воды при нагревании, сокращается также расход извести, так как свободный оксид углерода (IV) удаляется при подогреве до введения реагентов. Термохимический метод применяют с добавлением коагулянта и без него, поскольку большая плотность осадка исключает необходимость в его утяжелении при осаждении. Помимо коагулянта используют известь и соду с добавкой фосфатов и реже гидроксид натрия и соду. Применение гидроксида натрия вместо извести несколько упрощает технологию приготовления и дозирования реагента, однако экономически такая замена не оправдана в связи с его высокой стоимостью.

Для обеспечения удаления некарбонатной жесткости воды соду добавляют с избытком. На рис. 7 показано влияние избытка соды на остаточную кальциевую и общую жесткость воды при ее термохимическом умягчении. Как видно из графиков, при избытке соды 0,8 мг-экв/л кальциевая жесткость может быть снижена до 0,2, а общая - до 0,23 мг/экв-л. При дальнейшем Добавлении соды жесткость еще более понижается. Остаточное содержание магния в воде может быть снижено до 0,05.0,1 мг-экв/л при избытке извести (гидратной щелочности) 0,1 мг-экв/л. На рис. 20.8 показана установка термохимического умягчения воды.

Известково-доломитовый метод используют для одновременного умягчения и обескремнивания воды при температуре 120° С. Этим методом умягчения щелочность воды, обработанной известью или известью и содой (без избытка), может быть снижена до 0,3 мг-экв/л при остаточной концентрации кальция 1,5 мг-экв/л и до 0,5 мг-экв/л при остаточной концентрации кальция 0,4 мг-экв/л. Исходная вода обрабатывается известково-доломитовым молоком и осветляется в напорном осветлителе. Затем она проходит через напорные антрацитовые и Na-катионитовые фильтры первой и второй ступеней.

В осветлителях высоту зоны осветления принимают равной 1,5 м, скорость восходящего потока при известковании - не более 2 мм/с. Время пребывания воды в осветлителе от 0,75 до 1,5 ч в зависимости от вида удаляемого загрязнения. Коагулянт соли железа (III) рекомендуется добавлять в количестве 0,4 мг-экв/л.

Рис. 7. Влияние избытка соды на остаточную кальциевую (а) и общую (б) жесткость воды при ее термохимическом умягчении

Рис. 8. Установка известково-содового умягчения воды с фосфатным доумягчением: 1 - сброс шлама из накопителя 2,3 - сборник умягченной воды; 4 - ввод извести и соды; 5, 11 - подача исходной и отвод умягченной воды; 6 - ввод пара; 7, 8 - термореактор первой и второй ступени; 9 - ввод тринатрийфосфата; 10 - осветлительный скорый фильтр

Метод высокотемпературного умягчения воды применяют практически для полного ее умягчения. Установки термохимического умягчения воды обычно более компактны. Они состоят из дозаторов реагентов, подогревателей тонкослойных отстойников или осветлителей и фильтров. Дозы извести Д и и соды Д с, мг/л, при термохимическом умягчении воды

где С и и С с - соответственно содержание СаО и Na 2 C0 3 в техническом продукте, %.

Умягчение воды диализом

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. Под действием градиента концентрации (по закону действующих масс) растворенные вещества с различными скоростями диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора. Растворитель (вода) диффундирует в обратном направлении, снижая скорость переноса растворенных веществ. 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. Селективность мембраны можно выразить следующим образом:

(Ж и - Ж у) /Ж и (20.11)

где Ж в - концентрация исходного раствора (жесткость); Ж и - жесткость умягченной воды.

На практике часто используют коэффициент снижения соле - содержания С и /С обр. Он наиболее полно отражает изменения в работе мембраны, связанные с ее изготовлением или с воздействием внешних факторов.

Существует несколько гипотетических моделей действия полупроницаемых мембран.

Гипотеза гиперфильтрации предполагает существование в полупроницаемой мембране пор, пропускающих при диализе ас - социанты молекул воды и гидратированные ионы солей. Основой теоретических разработок явилось положение о том, что через полупроницаемую мембрану вода и растворенные в ней соли проникают с помощью диффузии и потоков через поры.

Сорбционная модель проницаемости основана на предпосылке, согласно которой на поверхности мембраны и в ее порах адсорбируется слой связанной воды, обладающей пониженной растворяющей способностью. Мембраны будут полупроницаемы, если они, хотя бы в поверхностном слое имеют поры, не превышающие по размеру удвоенной толщины слоя связанной жидкости.

Диффузионная модель исходит из предположения, что компоненты системы растворяются в материале мембраны и диффундируют через нее. Селективность мембраны объясняется различием в коэффициентах диффузии и растворимости компонентов системы в ее материале.

Электростатическая теория заключается в следующем. При движении исходной воды в камере с одной стороны селективной (катионитовой) мембраны, а рассола с другой, ионы натрия в случае, когда рассол приготовлен из раствора поваренной соли, мигрируют в мембрану и далее в исходную воду, а ионы кальция в противоположном направлении, т.е. из жесткой воды в рассол. Таким образом, происходит удаление ионов кальция из исходной воды и замена их неосадкообразующими ионами натрия. Одновременно в камерах происходят побочные процессы, сопутствующие основному процессу диализа: осмотические переносы воды, перенос одноименных ионов, диффузия электролита. Эти процессы зависят от качества мембраны.

Уравнение обмена между ионами , содержащимися в исходной воде, и ионами в мембране имеет вид

где х, х - прочие ионы, содержащиеся в растворе и в мембране.

Константа равновесия

Уравнение обмена написано только для иона кальция, но> фактически необходимо учитывать сумму ионов кальция и магния. Равновесие между рассолом и мембраной имеет вид:

Если k1+ k 2 , то

где n - показатель степени, зависящий от того, какие ионы входят в состав раствора.

Из последнего выражения можно заключить, что, если равновесии отношение ионов натрия в рассоле и жесткой исходной воде равно, например, 10, то жесткость в исходной воде будет примерно в 100 раз меньше, чем в рассоле. Площадь, м 2 , поверхности мембраны

где М - количество вещества, прошедшее через мембрану; ΔС ср - движущая сила процесса, т е. разность концентраций вещества по обе стороны мембраны; К д - коэффициент массопередачи, определяемый обычно экспериментально или приближенно из выражения

β 1 и β 2 - соответствующие коэффициенты скорости переноса вещества в концентрированном растворе к мембране и от нее в разбавленном; б - толщина мембраны; D - коэффициент диффузии растворенного вещества.

Жесткость умягченной воды после диализа:

где С д и С р - концентрации солей в начале аппарата соответственно в диализате и в рассоле, мг-экв/л; и Q p - производительность аппарата соответственно по диализату и рассолу, м 3 /ч; Ж д и Ж р - жесткость диализата и рассола в начале аппарата, мг-экв/л; а - константа, определяемая свойствами мембран и растворов;; L - длина пути раствора в диализатной и рассольной камерах аппарата, м; υ д - скорость движения диализата в камере, м/с.

Экспериментальная проверка уравнения (20.13) на катионитовых мембранах МКК показала хорошую сходимость результатов. Анализ формулы (20.13) показывает, что уменьшение скорости движения диализата в камерах аппарата увеличивает эффект умягчения, снижение жесткости умягченной воды прямо пропорционально концентрации рассола.

Магнитная обработка воды

В последнее время в отечественной и зарубежной практике для борьбы с накипеобразованием и инкрустацией успешно применяют магнитную обработку воды. Механизм воздействия магнитного поля на воду и ее примеси окончательно не выяснен, имеется ряд гипотез, которые Е.Ф. Тебенихиным классифицированы на три группы: первая, объединяющая большинство гипотез, связывает действие магнитного поля на ионы солей, растворенных в воде. Под влиянием магнитного поля происходят поляризация и деформация ионов, сопровождающиеся уменьшением их гидратации, повышающей вероятность их сближения, и в конечном итоге образование центров кристаллизации; вторая предполагает действие магнитного поля на коллоидные примеси воды; третья группа объединяет представления о возможном влиянии магнитного поля на структуру воды. Это влияние, с одной стороны, может вызвать изменения в агрегации молекул воды, с другой - нарушить ориентацию ядерных спинов водорода в ее молекулах.

Обработка воды в магнитном поле распространена для борьбы с накипеобразованием. 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 (шлам) удаляют при продувке. Метод эффективен при обработке вод кальциево-карбонатного класса, которые составляют около 80% вод всех водоемов нашей страны и охватывают примерно 85% ее территории.

Обработка воды магнитным полем получила широкое применение для борьбы с накипеобразованием в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления и малой производительности, в тепловых сетях и сетях горячего водоснабжения и различных теплообменных аппаратах, где применение других методов обработки воды экономически нецелесообразно. В сравнении с умягчением воды основными преимуществами ее магнитной обработки являются простота, дешевизна, безопасность и почти полное отсутствие эксплуатационных расходов.

Магнитная обработка природных вод (как пресных, так и минерализованных) приводит к уменьшению интенсивности образования накипи на поверхностях нагрева только при условии перенасыщенности их как карбонатом, так и сульфатом кальция в момент воздействия магнитного поля и при условии, что концентрация свободного оксида углерода (IV) меньше его равновесной концентрации. Противонакипный эффект Э обусловливает присутствие в воде оксидов железа и других примесей:

где m н и m м - масса накипи, образовавшейся на поверхности нагрева при кипячении в одинаковых условиях одного и того же количества воды, соответственно необработанной и обработанной магнитным полем, г.

Противонакипный эффект зависит от состава воды, напряженности магнитного поля, скорости движения воды и продолжительности ее пребывания в магнитном поле и от других факторов. На практике применяют магнитные аппараты с постоянными стальными или феррито-бариевыми магнитами и электромагнитами (рис. 9). Аппараты с постоянными магнитами конструктивно проще и не требуют питания от электросети. В аппаратах с электромагнитом на сердечник (керн) наматываются катушки проволоки, создающие магнитное поле.

Магнитный аппарат монтируется к трубопроводам в вертикальном или горизонтальном положении с помощью переходных муфт. Скорость движения воды в зазоре не должна превышать 1 м/с. Процесс работы аппаратов может сопровождаться загрязнением проходного зазора механическими главным образом ферромагнитными примесями. Поэтому аппараты с постоянными магнитами необходимо периодически разбирать и чистить. Оксиды железа из аппаратов с электромагнитными удаляют, отключив их от сети.

Результаты исследований МГСУ (Г.И. Николадзе, В.Б. Викулина) показали, что для воды с карбонатной жесткостью 6.7 мкг-экв/л, окисляемостью 5,6 мг02/л и солесодержанием 385.420 мг/л, оптимальная напряженность магнитного поля составляла (10.12,8) * 19 4 А/м, что соответствует силе тока 7.8 А.

Схема установки для магнитной обработки добавочной питательной воды отопительных паровых котлов приведена на рис. 20.10.

В последнее время получили распространение аппараты с внешними намагничивающими катушками. Для омагничивания больших масс воды созданы аппараты с послойной ее обработкой.

Помимо предотвращения накипеобразования магнитная обработка, по данным П.П. Строкача, может применяться для интенсификации процесса коагуляции и кристаллизации, ускорения растворения реагентов, повышения эффективности использования ионообменных смол, улучшения бактерицидного действия дезинфектантов.

Рис. 9. Электромагнитный аппарат для противонакипной обработки воды СКВ ВТИ: 1,8 - подача исходной и отвод омагниченной воды; 2 - сетка; 3 - рабочий зазор для прохода омагничиваемой воды; 4 - кожух; 5 - намагничивающая катушка; 6 - сердечник; 7 - корпус; 9 - крышка; 10 – клеммы

При проектировании магнитных аппаратов для обработки воды задаются такие данные: тип аппарата, его производительность, индукция магнитного поля в рабочем зазоре или соответствующая ей напряженность магнитного поля, скорость воды в рабочем зазоре, время прохождения водой активной зоны аппарата, род и его напряжение для электромагнитного аппарата или магнитный сплав и размеры магнита для аппаратов с постоянными магнитами.

Рис. 10. Схема размещения магнитной установки для обработки котловой воды без предварительной очистки.

1,8 - исходная и подпиточная вода; 2 - электромагнитные аппараты; 3, 4 - подогреватели I и II ступени; 5 - деаэратор; 6 - промежуточный бак; 7 - подпиточный насос

Литература

1. Алексеев Л.С., Гладков В.А. Улучшение качества мягких вод. М.,

2. Стройиздат, 1994 г.

3. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М., 1984.

4. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды.Л., 1985.

5. Вейцер Ю.М., Мииц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. М., 1984.

6. Егоров А.И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.

7. Журба М.Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.

Виды жесткости. Способы умягчения воды

Катионы Ca 2+ обусловливают кальциевую жесткость, а катионы Mg 2+ - магниевую жесткость. Общая жесткость складывается из кальциевой и магниевой, т.е. из суммарной концентрации в воде катионов Ca 2+ и Mg 2+ .

Под умягчением воды понимают либо устранение, либо уменьшение ее жесткости. Главным образом оно заключается в полном или частичном удалении из нее катионов Ca 2+ , Mg 2+ и Fe 2+ . Существует три основных способа умягчения воды: термическая обработка, химическая обработка, ионный обмен.

1. Термическая обработка

Суть способа заключается в предварительном нагревании воды до 70-80 ° С или ее кипячении. При этом катионы Ca 2+ , Mg 2+ осаждаются в виде малорастворимых соединений.

По отношению к процессам умягчения воды различают жесткость карбонатную и некарбонатную .

Карбонатной называют жесткость, вызванную присутствием в воде гидрокарбонатов кальция Ca (HCO 3 ) 2 и магния Mg (HCO 3 ) 2 . При кипячении гидрокарбонаты разрушаются, а образующиеся малорастворимые карбонаты выпадают в осадок, и общая жесткость воды уменьшается на величину карбонатной жесткости. Поэтому карбонатную жесткость также называют временной .

При кипячении катионы кальция осаждаются в виде карбоната кальция :

Ca 2+ + 2HCO 3 2- = CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2 ,

а катионы магния - в виде основного карбоната или в виде гидроксида магния (при рН>10.3):

2Mg 2+ + 2HCO 3 - + 2OH - = (MgOH) 2 CO 3 ↓ + H 2 O + CO 2

гидроксид-ионы OH - образуются за счет взаимодействия ионов HCO 3 - с водой:

HCO 3 - + H 2 O ↔ H 2 CO 3 + OH -

Остальная часть жесткости, сохраняющаяся после кипячения воды, называется некарбонатной . Она определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот: сульфатов, хлоридов, нитратов . При кипячении эти соли не удаляются, поэтому некарбонатную жесткость также называют постоянной .

2. Химическая обработка.

Умягчение воды также может быть достигнуто обработкой различными химическими веществами. Так, карбонатную жесткость можно устранить добавлением гашеной извести

Ca 2+ + 2 HCO 3 - + Ca 2+ + 2 OH - = 2 CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O

Mg 2+ + 2HCO 3 2- + 2Ca 2+ + 4OH - = Mg(OH) 2 ↓ + 2CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O

При одновременном добавлении извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жесткости (известково-содовый способ ). Карбонатная жесткость при этом устраняется известью, а некарбонатная - содой:

Ca 2+ + CO 3 2-+ = CaCO 3 ↓;

Mg 2+ + CO 3 2-+ = MgCO 3

MgCO 3 + Ca 2+ + 2 OH - = Mg (OH ) 2 ↓ + CaCO 3 ↓

Эффективным средством для умягчения воды служит полифосфат натрия Na 5 P 3 O 10 . В этом случае связывание ионов Ca 2+ и Mg 2+ осуществляется за счет образования хорошо растворимых в воде хелатных комплексных соединений:

P 3 O 10 5- + Ca 2+ = 3-

P 3 O 10 5- + Mg 2+ = 3-

3. Ионный обмен

Применяются и другие способы устранения жесткости воды, среди которых один из наиболее современных основан на применении катионитов - катионитный способ . Имеются твердые вещества, которые содержат в своем составе подвижные ионы, способные обмениваться на ионы внешней среды. Они получили название ионитов .

Иониты делятся на две группы. Одни из них обменивают свои катионы на катионы среды и называются катионитами , другие обменивают свои анионы и называются анионитами . Иониты не растворяются в растворах солей, кислот и щелочей.

Из неорганических ионитов наибольшее значение имеют цеолиты - алюмосиликаты сложного состава, имеющие кристаллическое строение. Например, алюмосиликат состава Na 2 O ∙ Al 2 O 3 ∙4 SiO 2 ∙ m H 2 O имеет пространственную решетку, образованную атомами Al , Si и O . Решетка пронизана полостями, в которых размещаются молекулы воды и ионы Na + . Последние, обладая определенной свободой перемещения, замещаются на ионы Ca 2+ и Mg 2+ при пропускании воды через слой зерен (гранул) цеолита.

Более совершенны ионообменные смолы , получаемые на основе синтетических полимеров. Они обладают одновременно высокими эксплуатационно-техническими характеристиками и разнообразными физико-химическими свойствами.

Для устранения жесткости воды применяют катиониты . Их состав условно можно выразить общей формулой Na 2 R , где Na + - весьма подвижный катион, а R 2- - частица катионита, несущая отрицательный заряд.

Если пропускать воду через слои катионита, то ионы натрия будут обмениваться на ионы кальция и магния:

Ca 2+ + Na 2 R = 2Na + + CaR;

Mg 2+ + Na 2 R = 2 Na + + MgR

Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, жесткость при этом устраняется.

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит перестает работать - утрачивает способность умягчать воду. Однако любой ионит легко подвергается регенерации. Для этого через катионит пропускают концентрированный раствор NaCl (Na 2 SO 4 ) или HCl (H 2 SO 4 ). При этом ионы Ca 2+ и Mg 2+ выходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na + или H + .

4. Физические методы устранения жесткости

Для умягчения воды применяются также методы, основанные на физических явлениях.

Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обуславливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.

Магнитно-ионизационный метод также использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля. Для увеличения в воде количества ионов ее предварительно облучают ионизирующим излучением.

Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворенных веществ и их объединение в более крупные частицы, которые выпадают в осадок.

Ультразвуковая обработка воды также приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка.

Е.А. Нуднoва, И.Н. Аржaнова

krymalliance.ru

Реагентное умягчение воды

Нанофильтрационное умягчение воды

Зачем умягчают домашнюю воду

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

Термический метод умягчения воды

Реагентные методы умягчения воды

Теоретические основы умягчения воды, классификация методов

Термический метод умягчения воды

Реагентные методы умягчения воды

Технологические схемы и конструктивные элементы установок реагентного умягчения воды

Термохимический метод умягчения воды

Умягчение воды диализом

Магнитная обработка воды

Литература