Химические методы умягчения воды. Специальные методы для улучшения качества воды. Известково-содовый метод умягчения воды

Многие слышали об умягчении жесткой воды и стараются обязательно заказать себе для водоподготовки умягчитель.Так ли это важно и нужно?

Физиологическая норма жесткости указана в СанПиНе 2.1.4.1116-02 на бутылированную воду и составляет от 1,5 до 3,5 ммоль/л. Для бытовой техники требуется еще более мягкая воды, чтобы не образовывалась накипь.

Различают два вида жёсткости:
Карбонатная (временная) - называют потому, что она устраняется кипячением.
Некарбонатную (постоянную) - называют потому, что при кипячении жёсткость не устраняется, но при выпаривании на стенках сосуда образуется в виде накипи светло-белый малорастворимый осадок типа сульфата кальция или магния.Соли MgCl2, CaCl2, MgSO4, содержащиеся в воде с постоянной жёсткостью, вызывают коррозию стальных конструкций и ускоряют износ водонагревательного и отопительного оборудования.При использовании для водона-гревательного оборудования и отопительной техники жёсткой воды образуется накипь из карбонатов кальция и магния, гипса и других солей.Образование накипи затрудняет нагревание воды, вызывает увеличение расхода электричества и топлива.

В жёсткой воде плохо развариваются мясо, овощи, крупа, плохо заваривается чай. При стирке тканей (как и при мытье головы) образующиеся нерастворимые соединения осаждаются на поверхности нитей и постепенно разрушают волокна.

Умягчение воды - процесс удаления из неё катионов жёсткости, т.е. кальция и магния.

Термический метод основан на нагревании воды до температуры выше точки кипения, её дистилляцией или вымораживанием с целью устранения карбоната кальция и карбоната магния. Вследствие применения указанного метода остаточная жёсткость воды составляет не более 0,7 ммоль/л. Поэтому термический метод применяется для технических нужд, в частности при использовании вод,идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами.

При умягчении воды реагентными методами используют реагенты, образующие при взаимодействии с кальцием и магнием малорастворимые соединения с последующим их отделением в осветителях, тонкослойных отстойниках и осветительных фильтрах. В качестве реагентов-осадителей используют известь, кальцинированную соду, гидрооксиды натрия и бария и другие вещества. Выбор реагентов зависит от качества исходной воды и условий её дальнейшего применения. При применении реагентных методов остаточная жёсткость воды составит до 0,7 мг/л. В соответствии с рекомендациями «Строительных норм и правил» (СН и П) реагентные методы в основном используются для умягчения поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды.

Умягчение воды основанное на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану , разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Умягчение воды методом диализа осуществляется в мембранных аппаратах с нитро- и ацетатцеллюлозными плёночными мембранами. В результате применения данного метода остаточная жёсткость воды составит до 0,01 мг/л и ниже. Отрицательной стороной метода диализа является высокая себестоимость мембранных аппаратов.

Магнитная обработка воды - распространена для борьбы с образованием накипи. Сущность метода состоит в том, что при пересечение водой магнитных силовых линий образователи накипи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки (шлам) удаляют при продувке.

Наибольшее практическое применение получил ионообменный метод умягчения воды. Сущность ионообменного метода заключается в способности ионообменных материалов (ионитов) поглощать из воды положительные или отрица-тельные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. В зависимости от состава существуют минеральные и органические катиониты, которые, в свою очередь, разделяются на вещества естественного и искусственного происхождения. В технологии подготовки воды широко применяют органические катиониты искусственного происхождения, так называемые ионообменные смолы. Качество ионообменных смол характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей ёмкостью и др.В установках умягчения воды использует ионообменные смолы, основанные на применении катионита в Na-форме и анионита в Cl-форме, т.е. использует метод натрий - хлор-ионирования. Указанный метод состоит из следующих стадий: натрий-катионирования и хлор-катионирования. На стадии натрий-катионирования происходит замещение ионов кальция и магния, придающих воде жёсткость, на ионы натрия.

В результате обрабатываемая вода умягчается, а кальций и магний образуют нерастворимый полимер. При пропуске натрий-катионированной воды через хлор-аноион протекают реакции обмена анионов, содержащихся в Na- катионированной воде, на ионы хлора и щёлочность обрабатываемой воды снижается. Для восстановления свойств ионообменной смолы (регенерации) используется раствор поваренной соли. Таким образом, достигается глубокое умягчение воды (до 0,03 … 0,05 ммоль/л). При применении метода натрий - хлор-ионирования расходуется только один реагент - поваренная соль, не требуется антикоррозийной защиты оборудования, трубопроводов и специальной арматуры, уменьшается количество оборудования, упрощается контроль работы и эксплуатации водоумягчительной установки. В результате повышается надёжность и уменьшается стоимость установки для умягчения воды. Только пить постоянно такую умягченную

Знать степень жесткости используемой воды обязательно. От показателя жесткости питьевой воды зависит множество аспектов нашей жизни: сколько использовать стирального порошка, нужны ли меры по умягчению жесткой воды, сколько проживут аквариумные рыбки в воде, нужно ли введение полифосфатов в обратном осмосе и т.д.

Существует множество способов определения жесткости:

• по количеству образованной пены моющего средства;
• по району;
• по количеству накипи на нагревательных элементах;
• по вкусовым свойствам воды;
• с помощью реагентов и специальных приборов

Что такое жесткость?

В воде присутствуют основные катионы: кальций, магний, марганец, железо, стронций. Последние три катиона мало влияют на жесткость воды. Существуют еще трехвалентный катион алюминия и железа, которые при определенном рН образуют известняковый налет.

Жесткость может быть разного вида:

• общая жесткость – общее содержание ионов магния и кальция;
• карбонатная жесткость – содержание гидрокарбонатов и карбонатов при рН большем 8,3. Их легко удалить через кипячение: во время нагревания распадаются на угольную кислоту и осадка;
• некарбонатная жесткость – соли кальция и магния сильных кислот; нельзя удалить с помощью кипячения.

Существует несколько единиц жесткости воды: моль/м 3 , мг-экв/л, dH, d⁰, f⁰, ppm CaCO 3 .

Почему вода имеет жесткость? Ионы щелочноземельных металлов есть во всех минерализованных водах. Они берутся из залежей доломитов, гипса и известняка. Источники воды могут иметь жесткость в различных диапазонах. Существует несколько систем жесткости. За границей к ней подходят более «жестко». К примеру у нас вода считается мягкой при жесткости 0-4 мг-экв/л, а в США – 0-1,5 мг-экв/л; очень жесткая вода в России – свыше 12 мг-эк/л, а в США – свыше 6 мг-экв/л.

Жесткость маломинерализованных вод на 80% обусловлена ионами кальция. С ростом минерализации доля ионов кальция резко снижается, а ионов магния – увеличивается.

Чаще всего поверхностные воды обладают меньшей жесткостью, чем подземные. Так же жесткость зависит от сезона: во время таяния снегов она снижается.

Жесткость питьевой воды изменяет ее вкус. Порог чувствительности для иона кальция – от 2 до 6 мг-экв/л, зависит от анионов. Вода становиться горьковатой и плохо влияет на процесс пищеварения. ВОЗ не дает каких-либо рекомендаций по жесткости воды, так как нет точных доказательств ее влияния на организм человека.

Ограничение жесткости необходимо для нагревательных приборов. Например, в котлах – до 0,1 мг-экв/л. Мягкая вода имеет низкую щелочность и вызывает коррозию водопроводных коммуникаций. Коммунальные службы используют специальную обработку, что бы найти компромисс между налетом и коррозией.

Существует три группы способов умягчения воды:

• физический;
• химический;
• экстрасенсорный.

Реагентные способы умягчения воды

Ионный обмен

Химические способы основаны на ионном обмене. Фильтрующей массой является ионообменная смола. Она представляет собой длинные молекулы, которые собрали в шарики желтого цвета. Из шариков выступают маленькие отростки с ионами натрия.

Во время фильтрации вода пропитывает всю смолу, а ее соли становятся на место натрия. Сам натрий уноситься водой. Из-за разницы зарядов ионов вымывается в 2 раза больше солей, чем оседает. С течением времени соли все заменяются и смола перестает работать. Период работы у каждой смолы свой.

Ионообменная смола может быть в картриджах или насыпаться в длинный болон — колонна. Картриджи имеют небольшой размер и используются только для снижения жесткости питьевой воды. Идеально подходит для умягчения воды в домашних условиях. Ионообменная колонна используется для умягчение воды в квартире или небольшом производстве. Кроме большой стоимости колонна должна периодически загружаться восстановленной фильтрующей массой.

Если в смоле картриджа не осталось ионов натрия, то его просто заменяют на новый, а старый – выбрасывают. При использовании ионообменной колоны смолу восстанавливают в специальном баке с рассолом. Для этого растворяют таблетированию соль. Солевой раствор регенерирует способность смолы к обмену ионами.

Обратной стороной является дополнительная способность воды удалять железо. Оно забивает смолу и приводит ее в полную непригодность. Следует вовремя делать анализ воды!

Использование других химических реагентов

Существует ряд менее популярных, но эффективных способов умягчения воды:

• кальцинированная сода или известь;
• полифосфаты;
• антискаланты – соединения против образования накипи.

Умягчение известью и содой

Умягчение воды содой

Метод умягчения воды с использованием извести называется известкованием. Используют гашенную известь. Содержание карбонатов снижается.

Смесь соды и извести наиболее эффективно. Для наглядности умягчения воды в домашних условиях можно добавить кальцинированную соду в воду для стирки. На ведро берут 1-2 чайные ложки. Хорошо размешивают и ожидают выпадения осадка. Подобным методом пользовались женщины в Древней Греции, используя печную золу.

Вода после извести и соды не пригодна для пищевых целей!

Умягчение полифосфатами

Полифосфаты способны связывать соли жесткости. Они представляют собой крупные белые кристаллы. Вода проходит через фильтр и растворяет полифосфаты, связывая соли.

Недостатком является опасность полифосфатов для живых организмов, в том числе и человека. Они являются удобрением: после попадания в водоем наблюдается активный рост водорослей.

Полифосфаты так же непригодны для умягчения питьевой воды!

Физический метод умягчения воды

Физические способы борются с последствиями высокой жесткости – накипью. Это безреагентная очистка воды. При ее использовании не происходит снижение концентрации соли, а просто предотвращается вред для труб и нагревательных элементов. Вода становиться мягкой или для большего понимания – умягченной.

Выделяют следующие физические способы:

• использование магнитного поля;
• с помощью электрического поля;
• ультразвуковая обработка;
• термический способ;
• использование малоточечных токовых импульсов.

Магнитное поле

Безреагентное умягчение воды с помощью магнитного поля имеет множество нюансов. Эффективность достигается только при соблюдении определенных правил:

• определенная скорость потока воды;
• подобранная напряженность поля;
• определенный ионный и молекулярный состав воды;
• температура входящей и выходящей воды;
• время обработки;
• атмосферное давление;
• давление воды и т.д.

Изменение какого-либо параметра требует полной перенастройки всей системы. Реакция должна быть незамедлительной. Несмотря на сложность контроля параметров, магнитное умягчение воды используют в котельных.

Но для умягчения воды в домашних условиях с помощью магнитного поля почти невозможно. При появлении желания приобрести магнитик на трубопровод, подумайте, как вы подберете и будите обеспечивать необходимые параметры.

Использование ультразвука

Ультразвук приводит к кавитации – образованию газовых пузырьков. Повышается вероятность встречи ионов магния и кальция. Появляются центры кристаллизации не на поверхности труб, а в толще воды.

При умягчении горячей воды ультразвуком кристаллы не достигают размера, необходимого для осаждения – накипь не образуется на теплообменных поверхностях.

Дополнительно возникают высокочастотные колебания, которые препятствуют образования налета: отталкивают кристаллы от поверхности.

Изгибные колебания пагубны для образованного слоя накипи. Она начинает откалываться кусочками, которые могут засорить каналы. Перед использованием ультразвука необходимо очистить поверхности от накипи.

Электромагнитные импульсы

Безреагентные умягчители воды на основе электромагнитных импульсов меняют способ кристаллизации солей. Создаются динамические электрические импульсы с разными характеристиками. Они идут по проводу-обмотке на трубе. Кристаллы обретают форму длинных полочек, которым трудно закрепиться на поверхности теплообмена.

В процессе обработки выделяется углекислота, которая борется с уже имеющимся известковым налетом и образует защитную пленку на металлических поверхностях.

Термоумягчение

Кто-то слышит про этот метод первый раз. Но на самом деле им пользуется каждый с детства. Это привычное для нас кипячение воды.

Все замечали, что после кипячения воды образуется осадок из солей жесткости. Кофе или чай делают из более мягкой воды, чем водопроводная.

А сколько нужно кипятить? Все просто: с ростом температуры и ее воздействием соли жесткости менее растворимые и больше выпадают в осадок. В процессе нагревания выделяется углекислый газ. Чем быстрее он улетучивается, тем больше образуется известняковый налет. Плотно закрытая крышка препятствует выведению углекислого газа, а в открытой емкости быстро испаряется жидкость.

При использовании термоумягчения следует оставлять крышку в емкости слегка открытой. Так же следует обеспечить максимальную площадь осаждения солей для ускорения умягчения питьевой воды.

При жесткости до 4 мг-экв/л термическое умягчение не нужно: соли будут оседать медленнее, чем испаряется вода. В оставшейся воде будет повышенная концентрация многих примесей.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сульфатную жесткость устраняют карбонатом, гидроксидом или алюминатом бария.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Умягчение воды — процесс, направленный на удаление из нее катионов кальция и магния, т.е. снижение ее жесткости .

По требованию САНПиН жесткость питьевой воды не должна превышать 7 мг-экв/л, а к воде, участвующей в процессах теплообмена выставляют требования глубокого ее умягчения, т.е. до 0,05…0,01 мг-экв/л. Жесткость воды, используемой для подпитки барабанных котлов ТЭЦ, не должна превышать 0,005 мг-экв/л, или 5 мкг-экв/л.

Снижение совокупной концентрации катионов Mg(II), Ca(II) и анионов, с которыми они при определенных условиях могут образовывать не стенках труб и аппаратов плотные нерастворимые отложения, проходит на системах водоочистки и водоподготовки различными методами, чей выбор определяется качеством исходной воды, требованию к ее очистке и технико-экономическими соображениями.

Метод ионного обмена.

В основе данного метода лежит способность некоторых материалов (катионитов и анионитов) поглощать из воды ионы (катионы и анионы) в обмен на эквивалентное количество ионов (катионов и анионов).

Процесс катионирования — тот процесс, при котором происходит обмен катионами. В водоподготовке при умягчении — катионами катионита на ионы Ca 2+ и Mg 2+ из воды.

Процесс анионирования — соответственно анионами, в основном при обессоливании и глубоком обессоливании.

Магнитная обработка воды.

Использование магнитной обработки воды целесообразно в случае высокой кальциево-карбонатной жесткости.

В процессе прохождения воды сквозь магнитное поле в ней образуются центры кристаллизации, которые укрупняются и выпадают в неприкипающий шлам, удаляемый при продувке. Т.е. выделение осадка идет не на стенках поверхности нагрева, а в объеме воды.

Влияние на противонакипный эффект оказывают такие факторы, как качественный и количественный состав воды, скорость движения жидкости сквозь магнитные силовые линии, напряженность магнитного поля и время пребывания в нем воды.

Условиями для осуществления успешной магнитной обработки воды должно являться высокое содержание карбоната и сульфата кальция, а концентрация свободного оксида углерода IV должна быть меньше равновесной. Так же увеличивают противонакипный эффект содержащиеся в воде примеси оксидов железа и прочих.

Аппараты магнитной обработки воды работают как на основе постоянных магнитов, так и на основе электромагнитов. Недостатком аппаратов с постоянными магнитами является то, что время от времени их приходится чистить от ферромагнитных примесей. Электромагниты чистят от оксидов железа, отключив их от сети.

Скорость воды в магнитном поле при ее обработке не должна превышать 1м/с. Для увеличения объема обрабатываемой воды на единицу времени применяют аппараты с послойной магнитной обработкой.

Метод магнитной обработки нашел применение на тепловых сетях горячего водоснабжения, на ТЭЦ, в теплообменных аппаратах.

Выбор данного метода при решении задачи умягчения воды должен главным образом основываться на его эффективности при очистке воды данного качества – использоваться как основной, последующей ступени или в качестве дополнительного.

Обратный осмос.

В данное время наиболее широкое распространение в водоподготовке получил метод обратного осмоса.

Суть метода состоит в том, что под высоким давлением, — от 10 до 25 атмосфер, — вода подается на мембраны. Мембраны, являясь селективным материалом по отношению к проходящим сквозь нее примесям, пропускают молекулы воды и не пропускают растворенные в воде ионы.

Таким образом, на выходе после установки обратного осмоса мы получаем два потока — первый поток чистой воды, прошедшей сквозь мембрану, так называемый пермеат, и второй поток — воды с примесями, не прошедшей сквозь мембрану, называемый концентратом.

Пермеат направляется потребителю и составляет от 50 до 80 % от объема подаваемой воды. Его количество зависит от свойств мембраны и ее состояния, качества исходной воды и желаемого результата очистки. Чаще всего это около 70%.

Концентрат, соответственно, от 50 до 20%.

При увеличении нагрузки на мембрану, т.е. увеличения процентного соотношения между пропускаемой водой и водой с примесями, селективность мембраны снижается и достигает минимума при отсутствии концентрата, т.е. тогда, когда вся вода, подающаяся на установку обратного осмоса, проходит сквозь мембрану.

Мембраны обратного осмоса изготовляются из композитного полимерного материала особой структуры, позволяющего при высоких давлениях пропускать воду и не пропускать растворенные в ней ионы и прочие примеси. При увеличении нагрузки на мембрану срок ее службы сокращается, а при достижении критических параметров, при которых попускаемая жидкость с примесями проходит сквозь мембрану полностью, она разрушается. Средний срок службы мембраны — 5 лет.

Поверхность мембран со временем может обрастать микроорганизмами, покрываться слоем труднорастворимых соединений. Для чистки обратноосмотических мембран применяют растворы кислот и щелочей с добавлением биоцидов.

При промывки обратного осмоса нельзя забывать, что полупроницаемая мембрана — это не фильтр. Промывка должна проводиться исключительно по ходу движения жидкости. Обратный ток раствора воды приведет к выходу мембраны из строя.

Реагентные методы обработки воды.

Реагентные методы обработки воды служат в основном для неглубокого умягчения воды путем добавления реагентов и перевода солей жесткости в малорастворимые соединения с последующим их осаждением.

В качестве реагентов используется известь, сода, едкий натр и пр. В настоящий момент мало где применяются, но для общего понимания процессов перевода в малорастворимые соединения кальция и магния и дальнейшее их осаждение, рассмотрим их.

Снижение накипи известкованием.

Метод применим к воде с высокой карбонатной и малой некарбонатной жесткостью.

При добавлении известкового молока pH воды повышается, что приводит к переходу растворенного диоксида углерода и гидрокарбонатного иона в карбонатный ион:
СО 2 + ОН - = СО 3 2- + Н 2 О,
НСО 3- + ОН - = СО 3 2- + Н 2 О.

При насыщении воды карбонатными ионами кальций выпадает в осадок:
Са 2+ + СО 3 2- = СаСО 3 ↓.

Также с увеличением рН в осадок выпадает и магний:
Мg 2+ + OH - = Mg(OH) 2 ↓.

В случае, если превышение карбонатной жесткости незначительно, то вместе с известью дозируют соду, чье присутствие снижает некарбонатную жесткость:

CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4 .

Для более полного осаждения катионов магния и кальция рекомендуется подогревать воду до температуры 30 - 40 градусов. С ее повышением растворимость CaCO 3 и Mg(OH) 2 падает. Это дает возможность снижать жесткость воды 1 мг-экв/л и менее.

Содово-натриевый метод умягчения воды.

Добавление соды необходимо в том случае, если некарбонатная жесткость больше чем карбонатная. При равенстве этих параметров добавление соды может и не понадобиться совсем.

Гидрокарбонаты кальция и магния в реакции со щелочью образуют малорастворимые соединения кальция и магния, соду, воду и углекислый газ:
Ca(HCO 3) 2 + 2NaOH = CaCO 3 ↓ + Na 2 CO 3 + 2H 2 O,
Mg(HCO 3) 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ + Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 .

Образовавшийся в результате реакции гидрокарбоната магния с щелочью углекислый газ снова реагирует с щелочью с образованием соды и воды:
CO 2 + NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O.

Некарбонатная жесткость.
Сульфат и хлорид кальция реагирует с образовавшейся в реакциях карбонатной жесткости и щелочи содой и добавленной содой с образованием неприкипающего в щелочных условиях карбоната кальция:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaCl,
CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4

Сульфат и хлорид магния реагируют со щелочью, образуя выпадающий в осадок гидроксид магния:
MgSO 4 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 ,
MgCl 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ + 2NaCl .

Ввиду того, что в реакциях гидрокарбоната с щелочью образуется сода, которая в дальнейшем реагирует с некарбонатной жесткостью, ее количество необходимо коррелировать в соотношении карбонатной и некарбонатной жесткости: при их равенстве соду можно не добавлять, при условии Ж к > Ж нк образуется избыток соды, при обратном соотношении Ж к

Комбинированные методы.

Сочетание различных методов обработки воды с целью снижения ее жесткости дает в иной раз довольно высокую результативность. Обусловлено это, как правило, высокими требованиями к качеству воды и пара.

Примером может быть сочетание обратного осмоса с натрий-катионированием . Основная жесткость воды снижается на фильтрах-катионитах, на обратном осмосе идет ее обессоливание.

В другом случаем в качестве дополнительной ступени очистки может служить магнитная обработка воды – установку располагают после системы умягчения на трубопроводе циркуляции горячего водоснабжения.