Умягчение воды
Умягчением называется процесс обработки воды, связанный со снижением находящихся в ней ионов кальция (Са2+) и магния (Mg2+), обуславливающих жесткость воды.
В настоящее время жесткость воды выражается в градусах жесткости (0Ж). Одному градусу жесткости соответствует вода, в 1 дм3 которой содержится 20,04 мг ионов кальция или 12,15 мг ионов магния. Эта единица жесткости была введена в действие с 2003 года (ГОСТ Р 52029-2003). Однако до настоящего времени очень часто используют прежние единицы измерения жесткости: мг-экв/дм3 (мг-экв/л), зная, что 10Ж= 1 мг-экв/дм3.
Ниже в качестве примера дано соотношение национальных единиц жесткости, принятых в других странах.
|
Страна |
Обозначение единицы жесткости воды |
Россия |
Германия |
Великобритания |
Франция |
США |
|
Россия |
°Ж |
1 |
2,80 |
3,51 |
5,00 |
50,04 |
|
Германия |
°DH |
0,357 |
1 |
1,25 |
1,78 |
17,84 |
|
Великобритания |
°Clark |
0,285 |
0,80 |
1 |
1,43 |
14,3 |
|
Франция |
°F |
0,20 |
0,56 |
0,70 |
1 |
10 |
|
США |
ppm |
0,02 |
0,056 |
0,070 |
0,10 |
1 |
|
Примечание °Ж = 20,04 мг Са2+ или 12,15 Mg2+ в 1 дм3 воды; °DH = 10 мг СаО в 1 дм3 воды; °F = 10 мг СаСО3 в 1 дм3 воды; ррm = 1 мг СаСО3 в 1 дм3 воды; °Clark = 10 мг СаСО3 в 0,7 дм3 воды. |
||||||
В зависимости от жесткости природные воды классифицируют следующим образом:
|
Природная вода |
Жесткость воды, 0Ж |
|
Очень мягкая |
менее 1,5 |
|
Мягкая |
1,5-3,0 |
|
Умеренно жесткая |
3,0-6,0 |
|
Жесткая |
6,0-12,0 |
|
Очень жесткая |
более 12,0 |
Принято выделять два типа жесткости воды: карбонатную и некарбонатную.
Карбонатная (или временная) жесткость. Обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния.
Некарбонатная (или постоянная) жесткость. Обусловлена наличием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот.
Суммарная величина временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью воды.
Показатель общей жесткости природной воды во многом определяет ее возможность использования в хозяйственно-питьевых и технических целях.
Так, жесткая вода имеет горьковатый вкус, при ее кипячении на поверхности образуется пленка, а в процессе заваривания чая могут образовываться хлопья бурого цвета. Длительное использование в питьевом рационе жесткой воды способствует развитию желудочно-кишечных и сердечно-сосудистых заболеваний.
Негативные свойства жесткой воды проявляются при ее использовании в хозяйственно-бытовых целях. Жесткой водой неприятно умываться. Во-первых, она плохо "мылиться", а, во-вторых, жесткая вода при взаимодействии с моющими средствами (шампунями, мылом) образует пенообразные шлаки. Эта пена после высыхания покрывает кожу и волосы человека тонкой коркой, вызывает шелушение кожи и сухость волос.
Учитывая изложенные выше особенности жесткой воды, существующими в нашей стране санитарными нормами наложено ограничение на использование в хозяйственно-питьевых целях воды с жесткостью более 70Ж. Поэтому жесткую воду перед употреблением необходимо умягчать.
Одним из доступных и простых способов умягчения воды является ее кипячение. Однако необходимо помнить, что кипячением можно умягчать природные воды, содержащие только карбонатную жесткость. Этот "народный" способ умягчения основан на свойстве распада гидрокарбонатов при термической обработке воды с выделением двуокиси углерода и образованием осадка в виде карбоната кальция. Удалив из воды осадок, получаем умягченную воду.
Также необходимо производить умягчение воды, используемой для технических нужд, например, в системах теплоснабжения. Во избежание зарастания теплообменного оборудования карбонатными отложениями в системах теплоснабжения используют глубоко умягченную воду, с жесткостью до 0,010Ж.
Технология умягчения воды достаточно хорошо отработана. В литературе подробно изложены наиболее широко применяемые традиционные реагентные и катионитовые способы умягчения воды.
На наш взгляд, очень интересная и "красивая" технология умягчения воды была разработана моим научным руководителем В.М.Зайцевым.
По своей сути она представляет собой комбинацию реагентной обработки, катионирования с последующим доумягчением воды в анодной камере диафрагменного электролизера.
Принципиальная технологическая схема, реализующей эту технологию, показана на рис.1.
Рис. 1 Электрохимическая установка для умягчения воды:
1, 11 - трубопроводы подачи исходной и отвода умягченной воды; 2 - дозатор; 3 - трубопровод для ввода щелочи; 4 - механический фильтр; 5 - натрий-катионовый фильтр; 6 - емкость с раствором NaCl; 7 - двухкамерный диафрагменный электролизер; 8 - насос; 9 - емкость с раствором NaOH; 10 - дегазатор.
Установка работает следующим образом.
В обрабатываемую воду, жесткость которой обусловлена, например, содержанием Ca(HCO3)2 через дозатор поступает водный раствор NaOH. При смешивании щелочи с водой происходит ее частичное умягчение:
Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3 ↓ + Na2CO3 + 2H2O
Образовавшийся осадок CaCO3 ↓ выводится из воды в механическом фильтре при его периодической промывке.
Далее уже частично умягченная вода поступает в Na-катионитовый фильтр, где происходит ее дальнейшее умягчением:
2Na[Кат] + Ca(HCO3)2 ⇄ Ca[Кат]2 + 2NaHCO3
Катионированная вода, содержащая NaCO3 и NaHCO3 подается в анодную камеру диафрагменного электролизера с установленной в нем катионообменной мембраной. Катодная камера циркуляционным контуром соединена с накопительной емкостью, в которой находится водный раствор щелочи.
В процессе работы электролизера под действием электрического поля ионы натрия из анодной камеры переходят в катодную, где взаимодействуют с гидроксильными ионами с образованием NaOH. Тем самым в процессе обработки воды происходит пополнение запаса щелочи, расходуемой на предварительное умягчение.
После удаления двуокиси углерода в декарбонизаторе потребителю поступает умягченная вода.
Достоинство этой технологии заключается в том, что при ее использовании (по сравнению с традиционными схемами обработки воды) требуется в 4-6 раз меньше реагентов. При этом процесс умягчения воды может быть полностью автоматизирован.
Технический директор ЗАО "Акваметосинтез"
кандидат технических наук, доцент
А. В. Степанов