2.1 Пом’якшення води вапнуванням (декарбонізація води) і добавкою соди

При додаванні вапняної суспензії в воду (вапняного молока) перш за все відбувається зв’язування розчиненої в воді вуглекислоти зі створенням бікарбонатних аніонів:

СО₂ + Са(ОН)₂ → Са(НСО₃)₂ .

В подальшому додавання вапна приводе до переводу бікарбонатних аніонів в карбонатні:

HCO₃^- + ОН^- → СО₃^2- + H₂O .

і випаданню в осад СаСО₃ (якщо буде перевищено додаток розчинності).

При цьому усувається кальцієва карбонатна твердість, а магнієва карбонатна твердість усувається за рахунок переводу карбонатів магнію в важкорозчинний гідроксид магнію по реакції:

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(ОН)₂ → Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2H₂O .

При обробці води вапном магнієві солі некарбонатної твердості теж переходять в важкорозчинний гідроксид магнію з створенням еквівалентної кількості кальцієвих солей сильних кислот:

MgSO₄ + Ca(ОН)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaSO₄ ,

MgCl₂ + Ca(ОН)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaCl₂ .

Практично пом’якшення води вапнуванням дає твердість води на 0,4-0,8 мг-екв/дм³ більше некарбонатної твердості, а лужність – 0,8-1,2 мг-екв/дм³.

Для пом’якшення води, коли кальцій і магній в сполученні з аніонами сильних кислот, треба вводить в воду соду Na₂CO₃, яка дає можливість осадить кальцій у вигляді CaCO₃:

CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄ ,

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl .

В цьому випадку остаточна твердість 0,5-1,0 мг-екв/дм³, а лужність 0,8-1,2 мг-екв/дм³.

При підвищеній температурі пом’якшення іде краще. Крім пом’якшення води вапнуванням і содою можуть бути інші реагентні методи, такі як фосфатний, барієвий:

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6NaHCO₃ ,

CaSO₄ + BaCO₃ → BaSO₄↓ + CaCO₃↓ .

Ці методи застосовуються рідко із-за великої вартості цих реагентів.

2.2 Пом’якшення води катіонітами

Катіоніти – це матеріали, які можуть вступати в іонний обмін з розчиненими в воді солями. Вони сорбують із води катіони твердості води, заміняючи їх на розчинні катіони, наприклад натрію, якими катіоніти насичуються при регенерації.

Спочатку пом’якшення води здійснювалось природними катіонітами, алюмосилікатами, гумусовим вугіллям, тощо. Потім катіоніти стали виготовляти із штучних полімерів з вводом в них більш активних функціональних груп і більш міцними механічними властивостями (КУ-1, КУ-2, емберлайт, пюролайт і т.п.).

При написанні реакцій обміну іонів використовується символ [Кат], яким позначається нерозчинена матриця полімера – катіоніта, яка умовно являється одноосновною кислотою. По мірі фільтрування води через шар катіоніту все більша частина його активних груп буде заміщатись кальцієм і магнієм із цієї води. Нарешті, обмінна властивість катіоніту буде повністю вичерпана і він мусить підлягати регенерації, яка проводиться в вигляді промивки катіоніту розчином з високою концентрацією натрію, наприклад, розчином кухонної солі:

[Кат]₂Са + 2NaCl ↔2[Кат]Na + CaCl₂ .

Коли натрій замінить всі іони кальцію і магнію, катіоніт знову можна використовувати для пом’якшення води. При цьому проходять такі реакції обміну катіонітів:

2[Кат]Na + Са(HCO₃)₂ ↔[Кат]₂Ca + 2NaHCO₃ ,

2[Кат]Na + Mg(HCO₃)₂ ↔[Кат]₂Mg + 2NaHCO₃ ,

2[Кат]Na + СаCl₂ ↔[Кат]₂Ca + 2NaCl ,

2[Кат]Na + СаSO₄ ↔[Кат]₂Ca + Na₂SO₄ ,

2[Кат]Na + MgSO₄ ↔[Кат]₂Mg + Na₂SO₄ .

При регенерації катіоніту розчином кислоти катіони катіоніту заміщаються Н-іоном кислоти

[Кат]₂Ca + H₂SO₄ ↔2[Кат]H + CaSO₄

катіоніт переводиться в Н-форму.

Якщо через такий катіоніт фільтрувати воду, то всі катіони розчинених в воді солей будуть поглинатися катіонітом, а в воду перейде еквівалентна кількість Н-іонів; розчинені в воді солі будуть перетворюватися в відповідні кислоти:

2[Кат]Н + Са(HCO₃)₂ ↔[Кат]₂Ca + 2H₂CO₃ ,

2[Кат]Н + СаCl₂ ↔[Кат]₂Ca + 2HCl ,

2[Кат]H + MgSO₄ ↔[Кат]₂Mg + H₂SO₄ ,

[Кат]H + NaСl ↔[Кат]Na + HCl ,

2[Кат]H + Na₂SO₄ ↔2[Кат]Na + H₂SO₄ .

Регенерація Н-катіонітових фільтрів недостатньою кількістю кислоти для повного видалення із катіоні та катіонів твердості, називається „голодною” регенерацією. При цьому із води видаляються тільки солі карбонатної твердості і лужність води знижується до 0,4-0,5 мг-екв/дм³. Некарбонатна твердість води при цьому не знижується.

Найбільш дешевим способом пом’якшення води катіонуванням є Na-катіонування. Якщо в початковій воді значна лужність і вміст заліза, то Na – катіонуванню передує вапнування.

При пом’якшенні води вигідне послідовне або паралельне Н-Na-катіонування. При паралельному Н-Na-катіонуванні частину води пропускають через Н-катіонітовий фільтр, а частину через Na-катіонітовий фільтр. При змішуванні обох фільтратів кислотність першого нейтралізується лужністю другого і суміш має малу твердість і майже нульову лужність.

Аналогічні результати можна одержати і про послідовному Н-Na-катіонуванні. При цьому вигідно застосовувати „голодну” регенерацію Н-катіонітового фільтру з метою економії кислоти.