Умягчение воды - процесс, в результате которого из воды удаляются соли жесткости. Умягчение сегодня может осуществляться с использованием ряда способов. Это может быть:
- Умягчение с реагентами
- Умягчение ионным обменом
- Умягчение нанофильтрацией
Каждый из способов не универсален и может быть применён в тех или иных случаях. Как правило, для умягчения используется система фильтров, каждый из которых направлен на удаление примесей того или иного типа (крупных взвесей и т.д.).
В нашем ассортименте представлен широкий спектр оборудования для осуществления такой процедуры, как умягчение. Всё оборудование прошло тестирование и имеет высокое качество. Вы можете использовать его длительный период времени. В выборе, установке и планировании систем Вы всегда сможете воспользоваться помощью специалистов.
Процесс удаления из воды солей жесткости называют умягчением.
Жесткая питьевая вода горьковата на вкус и оказывает отрицательное влияние на органы пищеварения. По нормам ВОЗ оптимальная жесткость питьевой воды составляет 1,0-2,0 мг-экв/л. В бытовых условиях избыток солей жесткости приводит к зарастанию нагревающихся поверхностей в бойлерах, чайниках, трубах, отложению солей на сантехарматуре и выводу ее из строя, а также оставляет налет на волосах и коже человека, создавая неприятное ощущение их «жесткости». При стирке, взаимодействуя с ПАВами мыла или стиральных порошков, соли жесткости связывают их и требуют большего расхода.
В пищевой промышленности жесткая вода ухудшает качество продуктов, вызывая выпадение солей при хранении. Это характерно для бутилированной питьевой воды, пива, соков, водки. Даже при мытье бутылок она оставляет несмываемые потеки. Поэтому жесткость воды, используемой для приготовления различных продуктов, четко регламентирована и находится на уровне 0,1-0,2 мг-экв/л.
В энергетике случайное кратковременное попадание жесткой воды с систему очень быстро выводит из строя теплообменное оборудование, трубопроводы. Даже небольшой слой отложений солей на поверхности теплообменного оборудования приводит к резкому снижению коэффициента теплопередачи и увеличению расхода топлива. Трубопроводы зарастают настолько, что их производительность падает в несколько раз. Поэтому в тех процессах, где допустимо использование воды с некоторым содержанием солей, ее жесткость ограничивается еще меньшими значениями - 0,03-0,05 мг-экв/л.
Процессы извлечения из воды солей Са2+ и Mg2+ в водоподготовке называют умягчением. Относительно селективное удаление солей жесткости может производиться 3 методами:
- реагентным умягчением;
- ионным обменом;
- нанофильтрацией.
Кроме того, для защиты нагревательных элементов водонагревательного оборудования применяют магнитные преобразователи воды, которые на химический состав воды не влияют и не снижают ее жесткость. Они лишь предотвращают отложение солей жесткости на нагревательные элементы оборудования.
Реагентное умягчение воды.
Многие соли жесткости имеют низкую растворимость. При введении в раствор некоторых реагентов увеличивается концентрация анионов, которые образуют малорастворимые соли с ионами жесткости Са2+ и Mg2+. Такой процесс называют реагентным умягчением.
Различают умягчение известкованием и содо-известкованием.
При известковании в раствор добавляют гашеную известь Са(ОН)2 до рН около 10. В результате протекают реакции:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3 + 2Н2О;
Mg(HCО3)2 + 2Са(ОН)2 = Mg(OH)2 + 2CaCО3 + 2Н2О.
Данный способ используют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости, когда требуется одновременное снижение жесткости и щелочности. Остаточная жесткость на 0,4-0,8 мг-экв/л превышает некарбонатную жесткость. Обычно используется совместно с ионообменным умягчением.
При содо-известковании в раствор добавляют гашеную известь Са(ОН)2 и соду Na2C03 до рН около 10. В результате протекают реакции:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 + Na2CО3 = 2CaCО3i+ 2NaOH + H2CО3;
Mg(HCО3)2 + 2NaOH = Mg(OH)2 + 2NaHCО3.
Как следует из уравнений реакций, в процессе образования и осаждения осадка из раствора извлекаются соли жесткости. Вместе с ними удаляются коллоидные и взвешенные частицы с ассоциированными на них загрязнениями. На хлопьях осадка частично сорбируются органические загрязнения.
При содо-известковании за счет избытка ионов НСО3- достигается большая полнота извлечения солей жесткости. Повышение температуры до 70-80°С позволяет довести остаточную жесткость до 0,35-1,0 мг-экв/л. Того же результата можно достигнуть увеличением доз реагентов.
Процессы осаждения осуществляются в отстойниках и осветлителях со взвешенным слоем осадка.
Отстойники малопроизводительны, и получаемая в них гидроксидная пульпа имеет высокую влажность - 91-99%. Поэтому они в настоящее время практически не применяются.
В практике используются различные варианты осветлителей со взвешенным слоем осадка. В них очищаемый раствор подается снизу и проходит через слой осадка. Это увеличивает коэффициент очистки. Для уменьшения объема шлама используются дополнительные зоны и камеры шламоуплотнения. Увеличение степени осветления достигается введением дополнительных секций тонкослойного отстаивания.
Реагентные методы в подготовке питьевой воды не используются. После них вода имеет сильнощелочную реакцию. Они широко применяются в энергетике и промышленности как первая ступень очистки до механических фильтров. При совместной работе они позволяют умягчить воду, удалить взвешенные вещества, включая коллоиды, и частично очистить ее от органических веществ.
Поскольку осаждение образовавшихся хлопьев происходит очень медленно, производительность оборудования низкая и оно имеет большие габариты. В результате образуются отходы в виде трудно утилизируемых шламов. Процесс требует тщательного контроля, причем в основном ручного, поскольку зависит от многих факторов: температуры воды, точности дозировки реагентов, исходной мутности и т. п.
Новые технологические решения (тонкослойное отстаивание, контактная коагуляция, ввод флокулянтов) позволяют достигнуть тех же показателей при меньших расходе реагентов, размерах установок и их полной автоматизации.
Ионный обмен в умягчении воды.
В соответствии с современными воззрениями, для питьевой и хозяйственно-бытовой воды оптимальной является жесткость на уровне 1,5 мг-экв/л.
Практически для всех пищевых производств требуется мягкая вода. Для водочного производства установлена предельная жесткость 0,2 мг-экв/л, для производства соков - 0,7 мг-экв/л. для питания паровых котлов - 0,05 мг-экв/л и менее. Многие производители стараются использовать воду еще более высокого качества.
Наиболее просто снижение жесткости до практически любых значений обеспечивается ионным обменом. Производительность метода практически не ограничена.
Умягчение воды может производиться методами:
- Na-катионирования.
- H-Na-катионирования (параллельное или последовательное)
- Н-катионирования с голодной регенерацией на сильно- или слабокислотном катионите.
Как отмечалось выше, в соответствии с уравнением реакции, умягчение воды производится путем ее контактирования с сильнокислотным катионитом в Na-форме, в результате чего из воды извлекаются катионы Са2+ и Mg2+ и замещаются ионом Na+. Солесодержание воды при этом практически не меняется, поскольку катионы Са2+, имеющие вес 1 мг-экв равный 20, замещаются катионом Na+ с весом 1 мг-экв, равным 23. Поскольку анионный состав не меняется, раствор остается практически нейтральным. Щелочность воды и рН может увеличиться на 0,1-0,2 единицы, в зависимости от содержания солей жесткости.
Интересным решением вопроса умягчения со снижением щелочности воды является Na-Cl-ионирование. Оно основано на применении для очистки воды катионита в Na-форме и анионита в С1-форме. Регенерация обоих ионитов производится одним и тем же раствором NaCI. В этом процессе протекают следующие суммарные реакции:
на катионите:
2R-Na + Ca(Mg)(HCO3)2 <-> R2-Ca(Mg) + 2NaHCO3 (1)
2R-Na + Ca(Mg)SО4 <-> R2-Ca(Mg) + Na2S04 (2)
2R-Na + Ca(Mg)(NО3)2 <->R2-Ca(Mg) + 2NaNО3 (3)
на анионите:
R-Cl + NaHCО3<-> R-НСОз + NaCl: (4)
2R-C1 + Na2SО4<-> R2-SO4 + 2NaCl; (5)
R-Cl + NaNО3<-> R-NO3 + NaCI. (6)
В результате реакций (1-3) с сильнокислотным катионитом обрабатываемая вода умягчается до заданного уровня, и в ней остаются только соли натрия. При их контактировании с сильноосновным анионитом в С1-форме происходит замена бикарбонатных, сульфатных и нитратных анионов на С1 (реакции 4-6). При сорбции бикарбонатного иона уменьшается щелочность воды, которая минимальна в начале цикла, а затем постепенно увеличивается. Время работы анионитного фильтра определяется повышением щелочности до заданного предела.
Метод Na-Cl-ионирования применяют при соотношении концентраций анионов в исходной воде НСО3-/ SО42- + NО3- > 1 при суммарном содержании сульфатов и нитратов не более 3 мг-экв/л.
Поскольку регенерация катионита и анионита производится последовательно одним и тем же раствором соли, необходимо исключить образование осадка карбонатов кальция в слое катионита. Для этого регенерат после анионита подкисляют, разрушая бикарбонат-ионы. Также трудно сбалансировать объемы ионитов, чтобы они насыщались одновременно. При близких значениях жесткости и щелочности в исходной воде и вдвое-втрое большей емкости катионита, чем анионита, объем последнего должен быть в 2-3 раза больше.
Другими путями являются умягчение воды методами H-Na-катионирования (параллельным или последовательным), Н-катионирования с нейтрализацией, Н-катионирования с голодной регенерацией на сильно- или на слабокислотном катионите.
Эти способы позволяют свести щелочность к минимуму, а также уменьшить солесодержание воды. Их недостатком является потребность в больших количествах кислоты и специальном кислотостойком оборудовании. Для удаления образовавшейся углекислоты в буферных баках желательно установить распылительные головки или эжекторы-декарбонизаторы.
Н-катионирование воды позволяет полностью удалить жесткость и щелочность, а также снизить солесодержание. При контакте с катионитом в Н-форме из воды извлекаются все катионы, которые замещаются ионом водорода, рН раствора становится равным 2,5-4,0, в зависимости от исходного солесодержания. Во время очистки в воду выделяются катионы водорода, которые реагируют с бикарбонат-ионами по реакции:
HCО3- + Н+ -> Н2О + СО2 (7)
Кислотность воды велика, все бикарбонаты полностью переходят в растворенный углекислый газ, который отдувается в декарбонизаторе - ДКБ. Вода после декарбонизатора содержит только анионы сильных кислот и имеет кислую реакцию. Для ее нейтрализации в воду дозируют раствор щелочи. В результате очищенная вода имеет минимальную щелочность и жесткость, а содержание катионов соответствует первоначальному содержанию анионов сильных кислот. Снижение солесодержания соответствует исходной щелочности.
При необходимости поддерживать щелочность на определенном уровне при минимальной жесткости применяют параллельное или последовательное H-Na-катионирование (рис. 3.3, г, Э). Оба этих режима обеспечивают и некоторое снижение солесодержания воды.
При параллельном H-Na-катионирование часть раствора очищается Н-катионированием на сильнокислотном катионите, а другая часть умягчается Na-катионированием на таком же ионите. В воде, прошедшей через катионит в Н-форме, удаляются все катионы и вместо них в воду поступает катион водорода, рН раствора становится равным 2,5-4,0 в зависимости от солесодержания. Бикарбонаты полностью разрушаются и присутствуют в виде растворенной углекислоты. В воде, прошедшей через катионит в Na-форме, катионы солей жесткости заменены на натрий, рН не меняется. Обработанные растворы смешиваются в расчетных соотношениях и подаются на декарбонизатор, где удаляют углекислоту. Очищенная вода может иметь остаточную щелочность Щост менее 0,35 мг-экв/л.
Параллельное H-Na-катионирование используется тогда, когда необходимо иметь остаточную щелочность Щост менее 0,35 мг-экв/л; в исходной воде карбонатная жесткость составляет более 50%, а сумма концентраций солей сильных кислот - менее 5-7 мг-экв/л.
Последовательное H-Na-катионирование заключается в пропускании части питающего раствора через катионит в Н-форме, смешении подкисленного раствора с исходным, декарбонизации и умягчении всего потока на катионите в Na-форме. При подкислении воды при Н-катионировании частично разрушается бикарбонат-ион, и связанная с ним жесткость становится некарбонатной. Щелочность перед Na-катионированием поддерживается на уровне 0,7-1,0 мг-экв/л. Поскольку степень извлечения жесткости на Н-катионировании особого значения не имеет, регенерация кислотой может осуществляться без избытка. Такой способ умягчения используется для сильноминерализованных вод с солесодержанием более 1 г/л, когда карбонатная жесткость менее 50% от общей, а щелочность 0,7-1,0 устраивает потребителя.
Магнитное проеобразование воды:
В последние десятилетия, как в России, так и за рубежом, для борьбы с образованием накипи и отложений на внутренней поверхности труб и теп- лообменного оборудования применяют магнитную обработку воды. Ее широко используют в конденсаторах паровых турбин, парогенераторах низкого давления и малой производительности, тепловых сетях и системах горячего водоснабжения, в различных теплообменных аппаратах. Эффект, последствия обработки воды в магнитном поле известны давно. Еще в XIII в. были отмечены лечебные свойства «омагниченной» воды. Но только в ХХ в. началось использование магнитов в технике водоподготовки.
Первый патент на аппарат магнитной обработки воды был выдан в 1946 г. бельгийскому инженеру Т. Вермейрену, еще за 10 лет до этого обнаружившего, что при нагреве воды, пересекшей силовые линии магнитного поля, на поверхности теплообмена накипь не образуется.
Магнитная обработка воды в аппаратах с постоянными магнитами и электромагнитами применяется уже несколько десятилетий. Замечено, что при воздействии магнитного поля на солевые кристаллы последние меняют свою структуру: кристаллы становятся гораздо мельче, и кристаллы кальцита приобретают орагонитную форму. В целом кристаллы карбоната кальция вместо обычной накипи образуют рыхлую массу, легко вымываемую из трубопровода. Кроме того, образовавшаяся большая поверхность множества мелких кристаллов «конкурирует» за отложения с нагретой поверхностью. Более 70% частиц имеют размер менее 0,5 мкм.
Механизм воздействия магнитного поля на воду и содержащиеся в ней примеси окончательно не выяснен, но имеется ряд гипотез.
Современные воззрения объясняют механизм воздействия магнитного поля на воду и ее примеси поляризационными эффектами и деформацией ионов солей. Гидратация ионов при обработке уменьшается, ионы сближаются, образуя кристаллическую форму соли. В основу одной из теорий положено влияние магнитного поля на коллоидные примеси воды, другой - изменение структуры воды. При наложении магнитного поля в массе воды формируются центры кристаллизации, вследствие чего выделение нерастворимых солей жесткости происходит не на теплопередающей поверхности (нагрева или охлаждения), а в объеме воды. Таким образом, вместо твердой накипи в воде появляется мигрирующий тонкодисперсный шлам, легко удаляемый с поверхности теплообменников и трубопроводов. В аппаратах магнитной обработки вода должна двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям.