Умягчение и очистка воды

Зачем устранять избыточную жесткость

Вода с высоким содержанием солей кальция и магния не дает пены с мылом и не может использоваться в некоторых технологических процессах, например в окрашивании. Причина этого кроется в реакционной способности примесей, которые вступают во взаимодействие с компонентами раствора (например со стеаратом натрия в мыле) и переводят их в нерастворимые, малоактивные соединения.

Умягчение воды является обязательным еще и потому, что соли кальция и магния вызывают целый ряд негативных явлений.

Для пищеварительной системы. Постоянное употребление жесткой воды приводит к накоплению солей в организме, появлению проблем с суставами. Повышается риск возникновения артритов, полиартритов, мочекаменной и желчекаменной болезней. Кроме того, снижается моторика желудка, что доставляет человеку неприятные ощущения и чувство дискомфорта. Даже вкус у жесткой воды слегка горьковатый, с привкусом металла.

Для сантехнического оборудования. Жесткую воду нежелательно использовать в хозяйственно-бытовых целях из-за быстрого образования твердого известкового налета. Он покрывает внутренние поверхности трубопровода, образует накипные отложения на нагревательных элементах. Это приводит к увеличению затрат на отопление и даже к выходу оборудования из строя.

Для пищевого производства. При хранении жесткой воды соли выпадают в осадок. Если подобную жидкость используют на предприятии пищевого производства, например для изготовления лимонадов, то очень быстро на дне бутылок или в массе самого напитка появляются хлопья, твердые примеси. Избыточная жесткость проявляется также следами подтеков и разводами на стеклянных бутылях. Соли кальция и магния изменяют цвет и вкус пищи, поэтому умягчение воды на предприятиях по производству продуктов питания ведется до значений 0,1–2,0 мг-экв/л.

Химические методы уменьшения жесткости

Перед умягчением необходимо осуществить водоподготовку. Для этого из воды удаляются коллоидные и взвешенные примеси методом коагуляции и последующей фильтрации. В качестве коагулянта обычно используют сульфат алюминия. Далее умягчение воды ведется одним из трех методов.

Осаждение. Методика предусматривает перевод свободных ионов кальция и магния в нерастворимые соединения, которые затем выпадают в осадок. Такое умягчение воды можно выполнить с помощью кипячения или отстаивания, если объем небольшой и требуется удалить только карбонатную (временную) жесткость.

Катионирование, или метод ионного обмена. Этот способ умягчения воды позволяет удалить все соли, включая хлориды и сульфаты. При этом катионы кальция и магния обмениваются на ионы натрия, который со всеми анионами образует хорошо растворимые соединения. Воду для умягчения пропускают через ионообменную смолу, содержащую водородные ионы (Н-катионит). Если требуется также удаление нежелательных анионов, то жидкость последовательно проходит через массу с ОН-анионитами. Такое умягчение воды в 2 стадии называют обессоливанием.

Реагентный метод. В воду для умягчения добавляют реагент, который выводит в осадок определенную группу катионов:

• соду и соль,
• известь,
• синтетический расщепитель и др.

Умягчение реагентным методом чаще всего используют для технологической воды. Образующиеся соли принимают вид крупных твердых включений и образуют взвеси, поэтому для питья такая жидкость непригодна.

Уменьшение жесткости с помощью мембран

Данный метод умягчения воды реализован в современных фильтрах. Внутри корпуса устанавливается полупроницаемая мембрана. Она пропускает чистую воду и некоторые примеси, но задерживает крупные ионы, такие как Ca2+ и Mg2+. Избирательная проницаемость обусловлена разным размером пор, поэтому мембраны должны подбираться с учетом качественного состава рабочей среды для каждого конкретного случая. Жидкость проходит сквозь мембрану под давлением и в процессе умягчения дополнительно теряет почти все вредные элементы, вирусы и бактерии. Такие фильтры позволяют получать мягкую воду высокой чистоты, но в ряде случаев для употребления ее в пищу может потребоваться дополнительная минерализация.

Уменьшение жесткости с помощью электромагнитных полей

Умягчение воды таким методом основано на способности ионов и солей тяжелых металлов притягиваться к магниту. На трубопровод крепится специальное устройство, в поле действия которого собираются все металлизированные примеси. Они не откладываются на внутренних стенках трубопровода, а удаляются в отстойник. Происходит механическое умягчение. Метод оптимален для бытового использования, где объем потребления небольшой. Кроме того, магниты достаточной мощности частично выводят уже имеющиеся отложения, поэтому обычно устанавливаются на технологическом оборудовании для увеличения производительности. Ограничением в использовании магнитов является небольшой радиус действия, поскольку эта особенность снижает эффективность умягчения воды в трубопроводах большого диаметра.

Уменьшение жесткости электрохимическим методом

Это относительно новая методика, разработанная в РХТУ имени Д. И. Менделеева. Ранее электрохимической обработке подвергалась только отработанная вода на предприятиях, поскольку данная процедура позволяла уменьшить жесткость и использовать ее повторно. Такая технология включает две стадии:

• электрофлотационное отделение твердых включений,
• электрохимическую коррекцию показателя рН.

В процессе умягчения жидкость проходит через межэлектродное пространство, где протекают электролиз, поляризация, окислительно-восстановительные реакции и электрофорез с разрушением органических примесей и нейтрализацией биологических загрязнений. В электрофлотаторе соли жесткости под действием электрического тока взаимодействуют между собой и выводятся в осадок. Процесс умягчения воды в этом случае сопровождается выделением газов, которые поднимаются на поверхность жидкости, ускоряют реакцию примесей и выносят нежелательные элементы в виде пены. Этот вспененный поверхностный слой также удаляется специальным устройством. После осветления вода подается в камеру электрокорректора, где рН доводится до показателя, близкого к 7.

Уменьшение жесткости комбинированным методом

Максимально эффективного умягчения воды удается добиться, последовательно пропуская ее через несколько установок разного действия. Схемы такого типа достаточно сложны в инженерном плане. Их обычно используют на предприятиях с высокими требованиями к качеству воды.

Необходимо отметить, что слишком низкая жесткость – это тоже плохо. Употребление воды с показателем после умягчения менее 1,0 приводит к вымыванию кальция из организма. Кроме того, повышается ломкость костей, развиваются заболевания опорно-двигательного аппарата. Поэтому процесс умягчения воды и его результаты должны строго контролироваться.