Выбрать правильное сочетание процессов для умягчения воды. Умягчение воды

Умягчение воды – процесс понижения жесткости. Жесткость воды обусловлена наличием солей кальция и магния. Для снижения жесткости воды применяют следующие методы: реагентный; катионитовый; электродиализ; мембранные технологии.

Реагентные методы умягчения воды основаны на переводе ионов кальция и магния в малорастворимые и легко удаляемые соединения с помощью химических веществ. Из реагентных способов умягчения наиболее распространен известково − содовый метод. Сущность его состоит в переводе солей Ca 2+ и Mg2+ в малорастворимые соединения CaCO 3 и Mg(OH) 2 , выпадающие в осадок. При известково − содовом методе процесс проводят в две стадии. Первоначально из воды удаляют органические примеси и значительную часть карбонатной жесткости, используя соли алюминия или железа с известью. После этого вводят соду. Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом.

Содово−натриевый метод применяют для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного больше некарбонатной.

Бариевый метод умягчения воды применяют в сочетании с другими методами. Вначале вводят барий − содержащие реагенты (Ba(OH) 2 , BаCO 3 , BaAl 2 O 4) для устранения сульфатной жесткости, затем после осветления воду обрабатывают известью и содой для доумягчения. Из-за высокой стоимости реагентов этот метод применяют очень редко.

Фосфатирование применяют для доумягчения воды, после реагентного умягчения известково−содовым методом, что позволяет получить остаточную жесткость 0,02−0,03 мг-экв/л. Такая глубокая доочистка позволяет в некоторых случаях не прибегать к катионитовому умягчению. Фосфатное умягчение обычно осуществляется при подогреве воды до 105−150 ◦ С. Из-за высокой стоимости тринатрийфосфата фосфатный метод используется для доумягчения воды, прошедшей предварительное умягчение известью и содой.

Катионитовый метод основан на способности ионообменных материалов обменивать присутствующие в воде катионы кальция и магния на обменные катионы натрия или водорода. В качестве катионитов применяют органические катиониты искусственного происхождения. Катионитовый метод позволяет достичь глубокого умягчения воды.

N-катионитовый метод применяют для умягчения воды с содержанием взвеси не более 8 мг/л и цветностью не более 30 град. Жесткость воды снижается при одноступенчатом Na- катионировании до 0,05…,1, при двухступенчатом – до 0,01 мг − экв/л. Процесс Na- катионирования описывается следующими реакциями обмена:

2Na[K] + Ca (HCO 3) ↔ Ca[K] +2NaHCO 3 ,

где [K] – нерастворимая матрица полимера.

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; взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды; спуск водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора; регенерация катионита посредством фильтрования соответствующего раствора; отмывка катионита неумягченной водой.

Наибольшее практическое применение нашло сочетание процессов

Н – Na − катионирования, в результате чего может быть достигнута требуемая щелочность или кислотность воды. Процесс Н – Na-катионирования может осуществляться по схемам: параллельное Н– Na-катионирование, последовательное Н – Na − катионирование и совместное Н – Na − катионирование.

Электродиализ – метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро − и ацетатцеллюлозными пленочными мембранами.

Опреснение и обессоливание воды. Существующие методы опреснения и обессоливания воды подразделяются на две группы: с изменением и без изменения агрегативного состояния воды. К первой группе методов относят дистилляцию, замораживание, газогидратный метод; ко второй группе – ионный обмен, электродиализ, обратный осмос, гиперфильтрацию.

Дистилляционный метод основан на способности воды при нагревании испаряться и распадаться на пресный пар и соленый рассол. При нагревании соленой воды до температуры более высокой, чем температура кипения, вода начинает кипеть. Образовавшийся пар при давлении менее 50кг/см 2 практически не способен растворять содержащиеся в опресняемой воде соли, поэтому при его конденсации получается пресная вода.

Ионообменный метод опреснения и обессоливания основан на последовательном фильтровании воды через Н − катионитовый и ОН - − анионитовый фильтры. Вода, содержащая NaCl, обессоливается по следующим схемам:

Н[K] + NaCl ↔ Na[K] +HCl.

OH[A] +HCl ↔ Cl[A] + H 2 O

На ионообменные установки подается вода, содержащая соли до 3,0 г/л, сульфаты и хлориды – до 5 мг/л, взвешенных веществ – не более 8 мг/л и имеющая цветность не выше 30 град и перманганатную окисляемость до 7 мгО 2 /л.

В соответствии с необходимой глубиной обессоливания воды применяют одно-, двух- и трехступенчатые установки.

В одноступенчатых ионитовых установках воду последовательно пропускают через группу фильтров с сильнокислотным Н − катионитом, а затем через группу фильтров со слабоосновным анионитом: свободный диоксид углерода удаляется в дегазаторе, который устанавливается после катионитовых или анионитовых фильтров. В каждой группе должно быть не менее двух фильтров.

Ионитовые установки с двухступенчатой схемой обессоливания воды состоят из Н −катионитовых и анионитовых фильтров первой ступени (со слабоосновным анионитом) дегазатора для удаления свободной углекислоты, Н − катионитовых и анионитовых фильтров второй ступени (с сильноосновным анионитом). Анионитовые фильтры первой ступени задерживают анионы сильных кислот, второй ступени – анионы слабых кислот (органических кислот и кремневой кислоты).

В установках с трехступенчатой схемой на третьей ступени применяют фильтр со смешанной загрузкой катионита и анионита или Н − катионитовые фильтры третьей ступени и за ними анионитовые фильтры третьей ступени с сильноосновным анионитом.

Электродиализным называется процесс удаления из раствора ионов растворенных веществ путем избирательного их переноса через мембраны, селективные к этим ионам, в поле постоянного электрического тока.

При наложении постоянного электрического поля на раствор ионизированных веществ (электролитов) возникает направленное движение ионоврастворенных солей, а также ионов H + и ОН - . Причем катионы движутся к катоду, а анионы – к аноду. Если раствор разделить на секции с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов или только для анионов, то катионы, двигаясь к катоду, будут свободно проходить через катионитовую мембрану. Для анионов же она практически непроницаема. Анионы, пройдя через анионитовую мембрану, будут двигаться к аноду. Таким образом раствор разделится на обессоленную воду, находящуюся между мембранами, и концентрированные рассолы – щелочной католит и кислый анолит.

В настоящее время для обессоливания воды используются многокамерные плоскорамерные аппараты.

Область применения электродиализа ограничивается солесодержанием растворов 0,5 − 10 г/л, так как при меньших концентрациях падает проводимость растворов и уменьшается эффективность использования электроэнергии, а при больших − процесс становиться экономически не выгоден вследствие существенного роста энергозатрат, так как затраченная электроэнергия пропорциональна количеству удаляемых ионов.

Опреснение воды гиперфильтрацией заключается в фильтровании соленой воды через специальные полупроницаемые мембраны, которые пропускают воду, а задерживают ионы растворенных в ней солей. При этом необходимо создать избыточное давление для фильтрования воды через мембрану.

Обезжелезивание воды. В природной воде, особенно в воде подземных источников в больших количествах встречается железо в растворенном виде и часто, марганец. Норма содержания в питьевой воде для железа по СанПиН 2.1.4.1074 − 01 составляет 0,3 мг/л и 0,1 мг/л для марганца.

Железо находится в воде в форме:

Двухвалентного железа – в виде растворенных ионов Fe 2+ ;

Трехвалентного;

Органического железа (в виде растворимых комплексов с природными органическими кислотами (гуматов));

Бактериального железа – продукта жизнедеятельности железобактерий (железо находится в оболочке).

В подземных водах присутствует в основном растворенное двухвалентное железо в виде ионов Fe 2+ . Трехвалентное железо появляется после контакта такой воды с воздухом и в изношенных системах водораспределения при контакте воды с поверхностью труб.

В поверхностных водах железо находится в трехвалентном состоянии, а также входит в состав органических комплексов и железобактерий. Если в воде присутствует только трехвалентное железо в виде взвеси, то хватает простого отстаивания или фильтрации.

Для удаления двухвалентного железа и марганца сначала их переводят в нерастворимую форму, окисляя их кислородом воздуха, хлором, озоном или перманганатом калия с последующей фильтрацией через механический фильтр с песчаной, антрацитовой или гравийной загрузкой. Процесс окисления и формирования хлопьев достаточно длителен.

2 Fe 2+ +О 2 +2Н + =2 Fe 3+ +2ОН -

Fe 3+ +ОН -= Fe(ОН) 3 ↓.

Принципиально новыми продуктами, появившимися в последнее время, являются каталитические загрузки, позволяющие проводить обезжелезивание и деманганацию с высокой эффективностью. К таким загрузкам относятся Бирм (Birm), пиролюзит, магнетит, Гринсенд (Manganese Greensand, MZ−10) и МТМ. Эти природные материалы содержат перманганат марганца и пм фильтрации через эти загрузки происходит окисление железа и марганца, перевод их в нерастворимую гидроокись, которая осаждается на загрузке. Пленка из окислов марганца расходуется на окисление железа и марганца, и поэтому ее необходимо восстанавливать. Для этого загрузку периодически обрабатывают раствором перманганата калия либо дозируют его в воду с помощью системы пропорционального дозирования перед поступлением ее в фильтр.

Фторирование и обесфторивание воды. Недостаток фтора в воде так же как, и его избыток оказывает негативное воздействие на здоровье человека. Оптимальное содержание фтора в воде 0,7 − 1,5 мг/л.

Обесфторивание воды осуществляется с применением следующих методов: реагентный, фильтрование через фторселективные материалы, к которым относится: активированный оксид алюминия; фосфатсодержащие сорбенты; магнезиальные сорбенты (оксифториды магния); активированные угли; алюмомодифицированные материалы.

При реагентном методе обесфторивания воды применяются следующие реагенты: сульфат алюминия, полиоксихлориды алюминия.

Дезодорация воды. Запахи и привкусы воды обусловлены присутствием в ней микроорганизмов, некоторых неорганических (сероводород и железо) и органических веществ. Иногда органолептические свойства воды ухудшаются при передозировке реагентов или при неправильной эксплуатации водоочистных сооружений. Универсальных методов дезодорации не существует, но использование некоторых из них в сочетании обеспечивают требуемую степень очистки. Если вещества, вызывающие неприятные привкусы и запахи, находятся во взвешенном и коллоидном состоянии, то хорошие результаты дает их коагулирование. Привкусы и запахи, обусловленные неорганическими веществами, которые находятся в растворенном состоянии, извлекают дегазацией, обезжелезиванием, обессоливанием. Запахи и привкусы, вызванные органическими веществами, отличаются большой стойкостью. Их извлекают путем оксидации и сорбции. Для устранения запахов и привкусов, вызванных находящимися в воде микроорганизмами, применяют окисление с последующей сорбцией веществ. Запахи и привкусы природной воды могут быть устранены совместно с хлорированием или озонированием, а также окислением перманганатом калия. Действие окислителей эффективно лишь по отношению к ограниченному числу загрязнений. Недостатком окислительного метода является необходимость дозирования окислителя.

Подготовка воды в оборотных системах охлаждения. Оборотные системы промышленных предприятий обеспечиваются водой для охлаждения, которая перекачивается из искусственного охладителя, где вода отдает тепло воздуху. В оборотных системах вода охлаждается в градирнях, брызгальных бассейнах, прудах – охладителях.

Вода, циркулирующая в оборотной системе охлаждения, подвергается физико − химическим воздействиям: упариванию, нагреванию, охлаждению, аэрации, многократному контакту с охлаждаемой поверхностью в результате этого изменяется ее состав. Особенно часто нарушается нормальная работа циркуляционных систем в результате появления на стенках теплообменных аппаратов накипи, биологических обрастаний, коррозии металлических элементов систем. Отложения на стенках аппаратов и труб вызывают также увеличение потерь напора при движении по ним воды, ухудшение условий теплопередачи и уменьшение расходов охлаждающей воды, что приводит к снижению эффекта охлаждения, нарушению технологических режимов работы теплообменных аппаратов. Потери воды за счет испарения и разбрызгивания компенсируются добавочной водой из источника.

Потери воды на испарение Q 1 определяют по формуле:

Q 1 =k 1 ∆tQ o ,

где k 1 – коэффициент, зависящий от температуры воздуха; ∆t − разность температур до и после охлаждения; Q o – расход охлаждаемой воды, м 3 /ч.

Потери воды из системы на разбрызгивание Q 2 зависят от типа, конструкции и размеров охладителя и определяются по формуле:

где k 2 – коэффициент потерь воды на разбрызгивание.

Необходимость обработки охлаждающей воды для борьбы с отложениями накипи возникает в системах оборотного водоснабжения. Основным соединением, встречающимся в составе накипи в охлаждающих системах, является карбонат кальция CaCO 3 . Для предотвращения образования карбоната кальция применяют следующие методы обработки воды:

1. Освежение оборотной воды, т.е. непрерывное добавление в систему свежей воды с меньшей карбонатной жесткостью и сбросом (продувкой) части отработавшей воды.

2. Введение в добавочную воду фосфатов, тормозящих процесс кристаллизации CaCO 3 .

3. Подкисление воды. При этом карбонатная жесткость свежей воды переходит в некарбонатную, соли которой не выпадают в осадок, что приводит к снижению рН и возрастанию концентрации свободной углекислоты СО 2 .

4. Умягчение воды в целях снижения содержания ионов Са 2+ и Мg 2+ , которые в виде нерастворимых солей удаляются из воды отстаиванием при известковании или в результате катионирования.

5. Рекарбонизация оборотной воды – возмещение потерь равновесной углекислоты.

6. Магнитная акустическая обработка воды.

Для борьбы с развитием в оборотных системах биологических обрастаний наибольшее распространение получила обработка воды хлором и медным купоросом.

Системы охлаждения теплообменных аппаратов подвержены процессам электрохимической и биологической коррозии. Предотвращения коррозионного действия воды может быть достигнуто одним из следующих способов:

1. Нанесение защитных покрытий на омываемые водой металлические поверхности.

2. Удаление из воды коррелирующих агентов (кислорода, сероводорода, свободной углекислоты).

3. Нанесение карбонатной, силикатной или фосфатной пленки на внутренние поверхности труб.

» 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.

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.

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.