Зм'якшення води

1. Основи процесів і класифікація методів зм’якшення води

Зм’якшенням води називається процес видалення з води катіонів жорсткості, тобто Са²⁺ і Mg²⁺.

Відповідно до вимог ГОСТ 2874-82 [1] жорсткість води, призначеної для господарсько-побутових цілей, не повинна перевищувати 7 мг-екв/дм³. За узгодженням з органами санітарно-епідеміологічної служби ця норма може бути збільшена 10 мг-екв/дм³.

У більшості випадків використовувані водо джерела мають жорсткість, що відповідає нормі для господарсько-побутових вод, і зм’якшення не потребують. Зм’якшення води проводиться в основному при її підготовці для технічних цілей. Наприклад, жорсткість води, використовуваної для барабанних котлів, не повинна перевищувати 0,005 мг-екв/дм³.

Загальна жорсткість води є сумою карбонатної (тимчасової) і некарбонатної (постійної) жорсткості. Карбонатна жорсткість обумовлена присутністю у воді в основному гідрокарбонатів Са²⁺ і Mg²⁺. Некарбонатна жорсткість обумовлена присутністю кальцієвих і магнієвих солей сірчаної, соляної і азотної кислот.

Для зм’якшення води застосовують наступні методи:

• термічні, засновані на нагріванні води, її дистиляції або виморожуванні;

• реагентні, при яких іони Са²⁺ і Mg²⁺, що знаходяться у воді, зв'язуються різними реагентами в практично нерозчинні сполуки;

• іонного обміну, засновані на фільтруванні зм'якшуваної води через спеціальні матеріали, що обмінюють вхідні в їх склад іони Na⁺, H⁺ на іони Са²⁺ або Mg²⁺, що містяться у воді;

• комбіновані – різні поєднання перерахованих методів.

Вибір того або іншого методу зниження жорсткості визначається якістю вихідної води, необхідною глибиною зм’якшення і техніко-економічними міркуваннями.

Відповідно до вимог [3] при зм'якшенні підземних вод слід застосовувати іонообмінні методи; при зм'якшенні поверхневих вод, коли одночасно потрібне і освітлення води, - вапняний або вапняно-содовий метод, а при необхідності глибокого зм’якшення води - подальше катіонування.

При отриманні води, придатної для господарсько-питних потреб, звичайно зм'якшують тільки частину води з подальшим змішанням її з вихідною водою.

2. Термічний метод зм’якшення води

Термічне зм’якшення води застосовують при використанні карбонатних вод, які надходять для живлення котлів низького тиску, а також під час використання реагентних способів зм’якшення. Цей спосіб ґрунтується на зміщенні карбонатної рівноваги після нагрівання води в бік утворення карбонату кальцію:

Са(НСО₃)₂ ↔ CaCO₃↓ + СО₂↑ + H₂O.

Рівновага зміщується за рахунок зниження розчинності оксиду вуглецю (IV), що викликається підвищенням температури і тиску. Кип’ятінням можна повністю видалити оксид вуглецю (IV) і тим самим набагато знизити карбонатну кальцієву жорсткість. Проте повністю усунути вказану жорсткість не вдається, оскільки карбонат кальцію, хоч і трохи (13 мг/дм³ при 18°С), але все таки розчиняється у воді.

За наявності у воді гідрокарбонату магнію процес його осадження відбувається таким чином: спочатку утворюється порівняно добре розчинний (110 мг/дм³ при 18°С) карбонат магнію:

Mg(НСО₃)₂ ↔ MgCО₃ + СО₂↑ + Н₂О.

Ця сіль при тривалому кип’ятінні гідролізує, внаслідок чого випадає осад малорозчинного (8,4 мг/дм³) гідроксиду магнію:

MgCО₃ + Н₂О ↔ Mg(ОН)₂↓ + СО₂↑.

Таким чином, при кип’ятінні води жорсткість, обумовлена наявністю гідрокарбонатів кальцію і магнію, значно знижується.

Кип’ятінням частково усувається також жорсткість, обумовлена наявністю сульфату кальцію, розчинність якого падає до 0,65 г/дм³ при температурі 100°С.

Для нагріву води застосовуютьпідігрівачі змішуючого або каскадного типу. Підігрівач змішуючого типу (рис. 1.1) – металева ємкість з перегородками, до якої підводиться оброблювана вода і пара, що гріє. Змішання води з парою відбувається за допомогою пароструминних сопел. Каскадний підігрівач (рис. 1.2) виготовляється у вигляді колонки з дірчастими перегородками-тарілками, якими назустріч один одному рухаються зм'якшувана вода і пара, що гріє.

Термозм’якшувач системи Коп’єва (рис. 1.3) складається з плівкового змішуючого підігрівача освітлювача із завислим осадом і похилих сепараційних перегородок. Заздалегідь підігріта в апараті оброблювана вода поступає через ежектор на розетку плівкового підігрівача і розбризкується над вертикально розташованими трубами, стікаючи по ним назустріч гарячій парі. Далі вода центральною трубою через дірчасте днище надходить в освітлювач, в шарі завислого осаду якого затримуються солі кальцію і магнію, що утворюються при нагріванні води. Вуглекислота і кисень, що виділяються разом з надлишком пари, виводяться з апарату. Час перебування води в термозм’якшувачі – 30-45 хв.