Специальные методы для улучшения качества воды. Умягчение воды: выбор метода Правильное сочетание процессов умягчения воды

Известно, что важнейшей характеристикой пресной воды является ее жесткость. Под жесткостью понимают количество миллиграмм-эквивалентов ионов кальция или магния в 1 л воды. 1 мг÷экв/л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг Са 2+ или 12,16 мг Mg 2+ . По степени жесткости питьевую воду делят на очень мягкую (0-1,5 мг÷экв/л), мягкую (1,5-3 мг÷экв/л), средней жесткости (3-6 мг÷экв/л), жесткую (6-9 мг÷экв/л) и очень жесткую (более 9 мг÷экв/л). Наилучшие вкусовые свойства имеет вода с жесткостью 1,6-3,0 мг÷экв/л, а, согласно СанПиН 2.1.4.1116-02, физиологически полноценная вода должна содержать солей жесткости на уровне 1,5-7 мг÷экв/л. Однако при жесткости воды выше 4,5 мг÷экв/л происходит интенсивное накопление осадка в системе водоснабжения и на сантехнике, нарушается работа бытовых приборов. Обычно умягчение проводят до остаточной жесткости 1,0-1,5 мг÷экв/л, что соответствует зарубежным нормативам по эксплуатации бытовой техники. Вода, имеющая жесткость ниже 0,5 мг÷экв/л является коррозионно-активной по отношению к трубам и котлам, способна вымывать отложения в трубах, накапливающиеся при долгом застаивании воды в системе водоснабжения. Это влечет за собой появление неприятных запаха и вкуса воды.

Умягчение воды осуществляют методами:
- термическим, основанным на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживании;
- реагентными, при которых находящиеся в воде ионы Са (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 (I) на ионы Са (II) и Mg (II), содержащиеся в воде;
- диализа; комбинированным, представляющим собой различные сочетания перечисленных методов.

Выбор метода умягчения определяется качеством воды, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями.

Умягчение воды катионированием основано на явлении ионного обмена, сущность которого состоит в способности ионообменных материалов или ионитов поглощать из воды положительные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов катионита. Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью, выражающейся количеством катионов, которые катионит может обменять в течение фильтроцикла. Обменную емкость катионита измеряют в грамм-эквивалентах задержанных катионов на 1 м 3 катионита, находящегося в набухшем (рабочем) состоянии после пребывания в воде, т.е. в таком состоянии, в котором катионит находится в фильтрате. Различают полную и рабочую обменную емкость катионита. Полной обменной емкостью называют то количество катионов кальция и магния, которое может задержать 1 м 3 катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата сравнивается с жесткостью исходной воды. Рабочей обменной емкостью катионита называют то количество катионов Са +2 и Мg +2 , которое задерживает 1 м 3 катионита до момента «проскока» в фильтрат катионов солей жесткости. Обменную емкость, отнесенную ко всему объему катионита, загруженного в фильтр, называют емкостью поглощения.

При пропуске воды сверху вниз через слой катионита происходит ее умягчение, заканчивающееся на некоторой глубине. Слой катионита, умягчающий воду, называют работающим слоем или зоной умягчения. При дальнейшем фильтровании воды верхние слои катионита истощаются и теряют обменную способность. В ионный обмен вступают нижние слои катионита и зона умягчения постепенно опускается. Через некоторое время наблюдаются три зоны: работающего, истощенного и свежего катионита. Жесткость фильтрата будет постоянной до момента совмещения нижней границы зоны умягчения с нижним слоем катионита. В момент совмещения начинается «проскок» катионов Са +2 и Мg +2 и увеличение остаточной жесткости, пока она не станет равной жесткости исходной воды, что свидетельствует о полном истощении катионита. Рабочую обменную емкость фильтра Ер г÷экв/ м 3 , можно выразить так: Ер = QЖи; Ер = ер Vк.

Объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии Vк = аhк.
Формула для определения рабочей обменной емкости катионита, г÷экв/ м 3: ер = QЖи /аhк; где Жи — жесткость исходной воды, г÷экв/ м 3 ; Q — количество умягченной воды, м 3 ; а — площадь катионитового фильтра, м 2 ; hк — высота слоя катионита, м.

Обозначив скорость фильтрования воды в катионитовом фильтре vк, количество умягченной воды можно найти по формуле: Q = vк aTk = ераhк /Жи; откуда длительность работы катионитового фильтра (межрегенерационный период) находим по формуле: Tk = ерhк /vк Жи.

По исчерпании рабочей обменной способности катионита его подвергают регенерации, т.е. восстановлению обменной емкости истощенного ионообменника путем пропуска раствора поваренной соли.

В технологии умягчения воды широко применяют ионообменные смолы, которые представляют собой специально синтезированные полимерные нерастворимые в воде вещества, содержащие в своей структуре ионогенные группы кислотного характера NaSO 3 - (сильнокислотные катиониты). Ионообменные смолы подразделяют на гетеропористые, макропористые и изопористые. Гетеропористые смолы на дивинилбензоловой основе характеризуются гетерогенным характером гелевидной структуры и небольшими размерами пор. Макропористые имеют губчатую структуру и поры свыше молекулярного размера. Изопористые имеют однородную структуру и полностью состоят из смолы, поэтому их обменная способность выше, чем у предыдущих смол.

Качество катионитов характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей обменной емкостью и др. Физические свойства катионитов зависят от их фракционного состава, механической прочности и насыпной плотности (набухаемости). Фракционный (или зерновой) состав характеризует эксплуатационные свойства катионитов. Он определяется ситовым анализом. При этом учитываются средний размер зерен, степень однородности и количество пылевидных частиц, непригодных к использованию.

Мелкозернистый катионит, обладая более развитой поверхностью, имеет несколько большую обменную емкость, чем крупно-зернистый. Однако с уменьшением зерен катионита гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды увеличиваются. Оптимальные размеры зерен катионита, исходя из этих соображений, принимают в пределах 0,3...1,5 мм. Рекомендуется применять катиониты с коэффициентом неоднородности Кн = 2.

Приведем характеристики некоторых катионоообменников. Среди сильнокислотных катионообменников отечественного производства, разрешенных к применению для хозяйственно-питьевого водоснабжения, можно выделить КУ-2-8чС. Получают его сульфированием гранульного сополимера стирола с 8% дивинилбензола. КУ-2-8чС по структуре и свойствам близок к следующим зарубежным сульфокатионитам особой степени чистоты: амберлайту IRN-77 (США), зеролиту 325 NG (Англия), дауэксу HCR-S-Н (США), дуолайту ARC-351 (Франция), вофатиту RH (Германия). По внешнему виду — сферические зерна от желтого до коричневого цвета, размером 0,4-1,25 мм, удельный объем не более 2,7 см 3 /г. Полная статическая обменная емкость не менее 1,8 г÷экв/л, мин, динамическая обменная емкость с полной регенерацией не менее 1,6 г÷экв/л.

В настоящее время нашли широкое применение сильнокислотные катиониты фирмы Пьюролайт: C100, С100Е, С120Е (аналоги отечественных смол КУ-2-8, КУ-2-8чС). Применяется ионообменная смола фирмы Пьюролайт С100Е Аg (обменная емкость 1,9 г÷экв/л, насыпная масса 800-840 г/л), представляющая собой серебросодержащий катионит для водоумягчения, обладающий бактерицидным действием. Существует отечественный аналог КУ-23С — макропористый катионит бактерицидного действия (статическая обменная емкость 1,25 г÷экв/л, насыпная масса 830-930 г/л).

Применяется для умягчения питьевой воды как в промышленности, так и в быту катионит Пьюрофайн С100ЕF — он имеет ряд преимуществ по сравнению с общепринятыми смолами для водоумягчения. Обладает намного большей рабочей емкостью при обычных скоростях потока, повышенной рабочей емкостью при высоких скоростях потока, при меняющемся и прерывающемся потоке. Минимальная общая обменная емкость 2,0 г÷экв/л. Особенность катионита С100ЕF состоит в том, что он требует меньшего объема и количества регенеранта (NaCl).

Применяется сильнокислотный катионит IONAС/С 249 для умягчения воды бытового и муниципального применения. Обменная емкость 1,9 г÷экв/л.

Умягчение воды натрий-катионитовым методом на указанных смолах: жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05...0,1, при двухступенчатом — до 0,01 мг÷экв/л.

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 (скорость фильтрования в пределах 10...25 м/ч); взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды, отработанного регенерата или отмывных вод (интенсивность потока 3...4 л/(см 2); спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора; регенерации катионита посредством фильтрования соответствующего раствора (скорость фильтрования 8...10 м/ч). На регенерацию обычно затрачивают около 2ч, из них на взрыхление — 10...15, на фильтрование регенерирующего раствора — 25...40, на отмывку — 30...60 мин.

Процесс регенерации на практике ограничиваются однократным пропуском соли при жесткости умягченной воды до 0,20 мг÷экв/л или двукратным — при жесткости ниже 0,05 мг÷экв/л.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение «Юго-Западный государственный университет»

Кафедра общей и неорганической химии

УТВЕРЖДАЮ Первый проректор – проректор по учебной работе

Е.А. Кудряшов «___»____________2012 г.

ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЁ УМЯГЧЕНИЯ

Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ""Химия"" для студентов нехимических специальностей

УДК 546 Составители: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи

Рецензент Кандидат химических наук, доцент В. С. Мальцева

Жёсткость воды и методы её умягчения: Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ""Химия"" для студентов нехимических специальностей / Юго-Зап. гос. ун-т; Сост.: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи Курск, 2012. 18с.

Излагаются методические материалы по оценке жёсткости воды и методам её умягчения, представлены лабораторная работа по данной теме и индивидуальные задания для студентов.

Предназначены для студентов нехимических специальностей.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

1. Жёсткость воды и причины её образования. Единицы измерения жёсткости.

2. Виды жёсткости: временная, постоянная, общая, карбонатная и некарбонатная. Какими ионами они обусловлены?

3. Влияние жёсткости на рН воды.

4. Негативные последствия использования жёсткой воды в промышленности.

5. Основные методы умягчения промышленных вод. Чем руководствуются при их выборе?

6. Термический метод умягчения воды. Его достоинства и недостатки.

7. Реагентные методы, используемые для умягчения воды. Какие химические процессы происходят при умягчении воды методом: а) известкования; б) фосфатирования; в) содовым; г) добавлением гидроксида натрия?

8. Умягчение воды ионнообменным методом.

9. Ионообменная емкость катионита и анионита. В каких единицах она выражается? От каких факторов зависит?

10. Почему для регенерации катионита его промывают раствором хлористого натрия, а затем водой? Можно ли регенерировать катионит, промывая его раствором хлористого магния?

Библиографический список

1. Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высш. шк., 2007 г.

2. Задачи и упражнения по общей химии/ Под ред. Н.В. Коровина. М.: Высш. шк., 2004 г.

3. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. М.: Интеграл-прес, 2002 г.

4. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк.,

Природная вода является сложной многокомпонентной системой, в которой содержатся в растворенном виде различные органические и неорганические соединения.

1) Главнейшие ионы.

Катионы: Na+ , Ca2+ , Mg2+ , K+ (реже Fe2+ , Fe3+ , Mn2+ ); Анионы: HCO3 - , SO4 2- , Cl- , CO3 2- (реже HSiO3 - , SO3 2- , S2 O3 2- ).

2) Растворенные газы.

В воде чаще всего растворены: углекислый газ, кислород, азот, сероводород, метан и др.

3) Биогенные вещества.

К биогенным веществам относятся те соединения, которые возникают в связи с жизнедеятельностью организмов. В их состав входят различные формы азота (аммиачный, нитритный, нитратный), фосфора, кремния, железа.

4) Микроэлементы.

К ним относятся элементы, которые содержатся в воде в количествах меньших 10-3 %.

5) Органические вещества.

Это могут быть различного рода растительные и животные организмы, микроорганизмы и продукты их взаимодействия с окружающей средой.

Природные воды сильно различаются по общему содержанию растворенных солей и по относительному содержанию различных ионов. Это различие может существенно влиять на свойства воды и,

следовательно, на применение ее в различных областях. Специфические свойства воде придают ионы Ca2+ и Mg2+ ,

присутствие которых определяют жесткость воды .

Жесткость воды – один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод,

который характеризуется содержанием числа миллимолей эквивалентов ионов Са2+ и Мg2+ в 1 л воды. Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию в воде 20,04 мг/л Са2+ или 12,16мг/л Mg2+ , что соответствует значению эквивалентной массы этих ионов.

Эти ионы появляются в природных водах в результате

взаимодействия с известняками или в результате растворения гипса. CaCO3 + H2 O + CO2 = Ca2+ + 2HCO3 -

Жёсткость природных вод колеблется в широких пределах. Вода, жёсткость которой менее 4 мэкв/л ионов Са2+ и Мg2+ , характеризуется как мягкая, от 4 до 8 – умеренно жёсткая , от 8 до 12

– жёсткая и более 12 мэкв/л – очень жёсткая .

Например, наиболее мягкой является вода атмосферных осадков (0,07-0,1мэкв/л), а жесткость океанской воды составляет 130 мэкв/л.

Различают несколько видов жёсткости: общую, временную, постоянную, карбонатную и некарбонатную.

Общей жёсткостью называется суммарная концентрация ионов Ca2+ , Mg2+ в воде, выраженная в мэкв/л.

Постоянная жёсткость - часть общей жёсткости, остающаяся после кипячения воды при атмосферном давлении в течение определённого времени.

Временная жёсткость – часть общей жёсткости, удаляющаяся кипячением воды при атмосферном давлении в течение определённого времени. Она равна разности между общей и постоянной жёсткостью.

Карбонатная жёсткость – часть общей жёсткости,

эквивалентная концентрации гидрокарбонатов кальция и магния. Некарбонатная жёсткость - часть общей жёсткости, равная

разности между общей и карбонатной жёсткостью.

Пример 1. В 5 м 3 воды содержится 250 г ионов кальция и 135 г ионов магния. Определить общую жесткость воды.

Решение . Найдем содержание ионов кальция и магния (в мг/л) в

250 1000 / 5 1000 = 50 (мг/л) ионов Са2+

и 135 1000 / 5 1000 = 27 (мг/л) ионов Mg 2+ .

1 мэкв жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л ионов. Са2+ или 12,16 мг/л ионов Мg2+ ; следовательно,

Ж = 50/20,04 + 27/12,16 = 4,715 (мэкв/л).

Ответ : вода умеренно жесткая.

Пример 2 . Вычислить карбонатную жёсткость воды, зная, что на титрование 100мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция,

потребовалось 6,25мл, 0,08 н раствора НС1. Привести уравнение соответствующей реакции.

Решение : Задачу решаем используя закон эквивалентов для растворов.

Вычислим нормальность раствора гидрокарбоната кальция: N1 = 6,25 0,08 ⁄ 100 = 0,005 н

Следовательно, в 1 л воды содержится 0,005 1000 = 5 мэкв гидрокарбоната кальция.

Ответ: Ж=5мэкв/л

Ионы Ca2+ и Mg2+ не представляют опасности, но значительное их содержание в воде приводит к перерасходу мыла, ухудшению вкуса продуктов и т.д. При нагревании и, особенно при испарении воды соли этих металлов образуют слой накипи, снижающий коэффициенты теплопередачи в охлаждающих и нагревающих системах, что является крайне нежелательным.

Использование природной воды в технике требует ее предварительной очистки. Процесс, приводящий к снижению жёсткости воды, называется умягчением воды .

Способы умягчения воды можно разделить на три основные группы:

1) термическое умягчение воды; 2) реагентные методы умягчения; 3) умягчение воды методом ионного обмена.

1. Термический способ умягчения воды

Временная или карбонатная жесткость , устраняется нагреванием воды до 70-80°С и последующей фильтрацией. При нагревании протекают реакции:

Са(НСОз)2 = СаСО3 + СО2 + H2 O

Mg(HCО3 )2 = MgCО3 + CO2 + H2 О

Однако полностью устранить карбонатную жёсткость термическим методом нельзя, т. к. СаСО3 , хотя и незначительно, но растворим в воде. Растворимость МgСО3 достаточно высока, поэтому гидрокарбонат магния сразу же взаимодействует с водой, т.е.

наблюдается процесс гидролиза и вместо МgСО3 , в осадок выпадает

Mg(ОН)2:

MgC03 + H2 О =Мg(ОН)2 + СO2

Термическое умягчение воды связано со значительными затратами, поэтому применяется лишь в том случае, когда вода должна подвергаться соответствующему нагреву.

2. Реагентное умягчение воды.

Реагентное умягчение воды состоит в том, что при введении в

воду специальных реагентов катионы кальция и магния, растворенные в ней, переходят в практически нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. В зависимости от используемых реагентов методы водоумягчения классифицируют на известковый, известково-содовый, щелочной, фосфатный и бариевый.

2.1.Известковый метод.

Данный метод используют для частичного устранения из воды карбонатной жесткости.

При введении в воду гашёной извести в виде известкового молока гидрокарбонат кальция соли осаждаются в виде карбонатов:

Са(НСОз)2 + Са(ОН)2 = 2СаСОз + 2Н2 О, Дальнейшее введение в воду извести приводит к гидролизу

магниевых солей и образованию малорастворимого гидроксида магния, который при рН≥ 10,2…10,3 выпадает в осадок:

Mg(HCO3 )2 + Ca(OH)2 = MgCО3 + СаСО3 + CO2 + 2H2 О MgCО3 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCO3 ,

Известкованием устраняют из воды и некарбонатную магниевую жесткость при условии, что рН воды будет не ниже 10,2 (при других значениях рН воды гидроксид магния не выпадает в осадок):

MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaSO4

MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCl2

Приведенные уравнения показывают, что магниевая жесткость устраняется, но значение общей жесткости остается неизменным, так как магниевая жесткость заменяется кальциевой, некарбонатной. Поэтому данный способ можно применять только для умягчения воды с большим значением карбонатной жесткости.

Устранение временной жесткости нейтрализацией гидрокарбонатов гашеной известью применяется крайне редко, т. к. а) мелкодисперсные осадки плохо осаждаются, и требуется укрупнение частиц; б) большое количество мелкодисперсных органических веществ препятствует образованию осадка.

2.2.Известково-содовый

Этот метод используют для одновременного понижения карбонатной и некарбонатной жесткости, когда не требуется глубокого умягчения воды.

Химизм процесса описывается реакциями: MgS04 + Na2 СОз = MgСОз↓ + Na2 SO4 CaCl2 + Na2 CO3 = СаСОз↓ + 2NaCl

(Уравнения реакций устранения карбонатной жесткости с помощью извести смотри выше в п.2.1.).

После добавления в воду реагентов происходит мгновенное образование коллоидных соединений СаСОз и Mg(OH)2 , однако их переход от коллоидного состояния в грубодисперсное, т.е. в то состояние, при котором они выпадают в осадок, занимает длительное время. Поэтому часто известково-содовый способ сочетают с термическим. Например, такое сочетание используют при умягчении воды, которая используется для питания котлов низкого давления, для подпитки теплосети и т.д.

Глубина умягчения воды при известково-содовом методе соответственно равна: без подогрева воды жесткость понижается до

1…2мэкв/л;

при подогреве воды до 80…90о С жесткость понижается до

0,2…0,4мэкв/л.

2.3. Щелочной метод.

Данный метод умягчения воды описывается следующими уравнениями химических реакций:

Ca(HCO3 )2 + 2NaOH = CaCO3 ↓ + Na2 CO3 + H2 O

Mg(HCO3 )2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + Na2 CO3 + H2 O + CO2

CaSO4 + Na2 CO3 = CaCO3 ↓ + Na2 SO4

CaCl2 + Na2 CO3 = CaCO3 ↓ + 2NaCl

CO2 +NaOH = Na2 CO3 + H2 O

MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + Na2 SO4

MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + 2NaCl

Из приведенных уравнений реакций следует:

1) гидроксид натрия (NaOH) в процессе умягчения воды расходуется на устранение карбонатной жесткости и нейтрализацию углекислого газа, растворенного в воде.

2) сода (Na 2 CO3 ), образующаяся при распаде гидрокарбонатов и нейтрализации углекислого газа, используется для удаления некарбонатной жесткости.

Глубина умягчения воды при щелочном методе такая же, как и при известково-содовом, т.е. значение остаточной жесткости практически около 1мэкв/л, а при подогреве умягчаемой воды –

0,2…0,4мэкв/л.

2.4.Фосфатный метод.

Данный метод умягчения воды является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса умягчения воды фосфатом натрия описывается следующими уравнениями реакций:

3CaS04 + 2Na3 P04 = Саз (РО4 )2 ↓ + Na2 SO4 3MgCl2 + 2Na3 PO4 = Mg3 (PO4 )2 ↓ + 6NaCl 3Ca(HCO3 )2 + 2Na3 PO4 = Ca3 (PO4 )2 ↓ + 6NaHCO3 3Mg(HCO3 )2 + 2Na3 PO4 = Mg3 (PO4 )2 ↓+ 6NaHCO3

Как видно из приведенных уравнений реакций, сущность метода заключается в образовании кальциевых и магниевых солей фосфорной кислоты, которые обладают малой растворимостью в воде и поэтому достаточно полно выпадают в осадок.

Фосфатное умягчение обычно осуществляют при подогреве воды до 105…1500 С, достигая уменьшения жесткости до 0,02...0,03мэкв/л. Из-за высокой стоимости фосфата натрия фосфатный метод обычно используют для доумягчения воды, предварительно умягченной известью и содой. Данный метод используется, например, для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления (588…980МПа).

2.5.Бариевый метод.

Умягчение воды основано на введении в нее гидроксида бария или алюмината бария и образовании практически нерастворимых соединений кальция и магния, а также сульфата бария. Химизм процесса описывается следующими уравнениями реакций:

CaSO4 + Ba(OH)2 = Ca(OH)2 ↓ + BaSO4 ↓

CaCl2 + BaAl2 O4 = BaCl2 + CaAl2 O4 ↓

Ca(HCO3 )2 + BaAl2 O4 = CaAl2 O4 ↓ + BaCO3 ↓ + H2 O + CO2

(Аналогичные уравнения реакций можно записать и для солей магния).

Бариевый метод умягчения воды очень дорогой, а бариевые соли ядовиты, поэтому его целесообразно применять при частичном обессоливании воды за счет извлечения сульфатов.

Пример 3. Жесткость воды равна 5,4 мэкв ионов кальция в 1 л воды. Какое количество фосфата натрия Na3 P04 необходимо взять, чтобы понизить жесткость 1 т воды практически до нуля.

Решение : Задачу решаем, используя формулу

Ж = m / Э V, (1)

где m – масса вещества, обусловливающего жёсткость воды, или применяемого для устранения жёсткости воды, г;

Э – эквивалентная масса этого вещества; г/моль; V – объём воды, л.

Э (Na3 PO4 ) = М(Na3 PO4 ) / n В,

где n – количество ионов металла; В – валентность металла.

Э(Na3 PO4 ) = 164 / 3 =54,7 (г/моль)

Из уравнения (1) выразим массу

m = Ж Э V = 5,4 54,7 1000 = 295,38 (г) Ответ: m = 295,38г.

3. Методы ионного обмена

Катионитовый метод умягчения воды основан на способности некоторых практически нерастворимых в воде веществ, называемых катионитами , обменивать содержащиеся в них активные группы катионов (натрия, водорода и др.), на катионы кальция или магния, находящиеся в воде.

В настоящее время большое распространение получили ионообменные смолы, которые получают на основе синтетических полимеров. Ионнообменные смолы – это сетчатые, трёхмерные полимеры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие групы, способные к обмену ионов

Умягчаемую воду фильтруют через слой катионита, при этом катионы кальция и магния из воды переходят в катионит, а в 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.

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 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.