Под умягчением воды подразумевается процесс удаления из нее катионов жесткости, т.е. Са и Мg. Умягчение воды осуществляется следующими методами:

1) термическое умягчение, основанное на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживанием;

2) реагентное, в котором находящиеся в воде ионы жесткости, связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения;

3) ионным обменом, основанным на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы натрия или водорода на катионы кальция и магния;

4) диализ;

5) комбинированный, представляющий различные сочетания перечисленных методов.

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

Термический метод умягчения воды.

Целесообразно применять при использовании карбонатных вод, идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами умягчения воды. Он основан на смещении углекислотного равновесия при нагревании воды в сторону образования карбоната кальция

Са(НСО₃)₂ → СаСО₃ ↓+СО₂ ↑+ Н₂О

Равновесие смещается за счет понижения растворимости СО₂, вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить СО₂ и тем самым значительно снизить карбонатную жесткость. Кроме того, снижается жесткость, определяемая сульфатом кальция. Однако, полностью удалить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция все же растворим в воде (18 мг/л). Применяется для этого метода – термоумягчитель. Время пребывания воды в нем 30-45 минут.

Реагентные методы умягчения.

Основаны на обработке воды реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения Мg(ОН)₂, СаСО₃, Са₃(РО₄)₂ и другие, с последующим их отделением в осветлителях. В качестве реагентов используется известь, кальцинированная сода, гидроксиды натрия, бария и другие вещества.

Умягчение воды известкованием применяют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде суспензии в предварительно подогретую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ОН^- и Са⁺² ионами , что приводит к связыванию растворимого в воде СО₂ с образованием СО₃ ^-2 и переходу НСО₃ в СО₂.

СО₂ + 2 ОН^- →СО₃^-2 + Н₂О; НСО3 ^- +ОН^- → СО₃ ^{–2 +} Н₂О

Повышение в обрабатываемой воде концентрации СО₃ ^–2 и присутствие в ней ионовСа⁺² с учетом введенных с известью, приводит к осаждению СаСО₃

Са⁺² + СО₃ ^–2 → СаСО₃↓.

Для ускорения процесса одновременно с известкованием применяют коагулирование.

Дозу извести определяют по формуле:

Д_и = 28([СО₂] /22 +2 Ж_к - [ Са⁺²]/20 +Д_к/е_к+ 0.5)

Д_к – доза коагулянта, е –эквивалентная масса активного вещества коагулянта,

Выражение Д_к/е_к – берут со знаком -, если коагулянт вводится ранее извести и +, если совместно или после.

Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом, добавлением избытка реагента - осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимся осадком.

Фосфатирование применяют для доумягчения воды. Остаточная жесткость снижается до 0.02-0.03 мг*экв /л. Фосфатированием достигается также большая стабильность воды, снижение ее коррозионного действия на металлические трубопроводы и предупреждаются отложения карбонатов на внутренней поверхности стенок труб. В качестве фосфатирующего реагента используется гексаметафосфат натрия, триполифосфат натрия. Фосфатный метод умягчения при использовании тринатрийфосфата является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса описывается уравнением:

3Са(НСО₃)₂/3 Мg(НСО₃)₂ + 2 Nа₃РО₄ = Са₃(РО₄)₂/ Мg₃(РО₄)₂ +6 NаНСО₃.

Фосфатное умягчение осуществляется при подогреве воды до 105 –150⁰С. Образующиеся осадки Са₃(РО₄)₂ и Мg₃(РО₄)₂ хорошо адсорбируют их умягченной воды коллоиды и кремниевую кислоту, поэтому этот метод применяется для подготовки питательной воды для котлов среднего и высокого давления.

Умягчение воды диализом.

Диализ – метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированные и разбавленные растворы. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро - и ацетатцеллюлозными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы.

Магнитная обработка воды.

В настоящее время для борьбы с накипеобразованием и инкрустацией успешно применяют магнитную обработку воды. Ее суть заключается в действии магнитного поля на ионы солей, растворимых в воде. Под влиянием магнитного поля происходит поляризация и деформация ионов, сопровождающееся уменьшением их гидратации, повышающей вероятность их сближения и образование центров кристаллизации. Сущность метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий, накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки удаляют при продувке.

Умягчение воды катионированием.

Сущность ионного обмена заключается в способности ионитов поглощать из воды положительные и отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. Процесс водообработки методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов – называют катионированием.

Катиониты в воде разбухают, увеличиваются в объеме. Энергия вхождения в катионит различных катионов по величине их динамической активности может быть охарактеризована следующим рядом:

Nа < NН⁴⁺< К⁺ < Мg⁺² < Са⁺² < Аl⁺³ <Fе⁺³, т.е., чем больше заряд катиона, тем больше их энергия вхождения в катионит. Скорость обмена катионов зависит от их диффузии к поверхности раздела катионит – вода и определяется структурой катионита. Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью, выражающейся количеством катионов, которые может обменять в течение фильтроцикла. Различают полную и рабочую обменную емкость. Полной обменной емкостью называется то количество Са⁺² и Мg⁺² , которое может задержать 1 м³ катионита находящегося в рабочем состоянии до того момента, когда жесткость фильтрата сравняется с жесткостью исходной воды. Рабочей обменной емкостью называется то количество Са⁺² и Мg⁺² , которое задерживает 1 м³ катионита до момента « проскока» в фильтрат катионов солей жесткости. Обменную емкость, отнесенную ко всему объему катионита, загруженному в фильтр, называют емкостью поглощения. При пропуске воды сверху вниз через слой катионита происходит ее умягчение, заканчивающееся на некоторой глубине. При дальнейшем фильтровании в ионный обмен вступают следующие слои, и через некоторое время будут наблюдаться три зоны работающего, истощенного и свежего катионита. В момент совмещения нижней границы зоны умягчения с нижним слоем катионита начинается проскок Са⁺² и Мg⁺² – полное истощение катионита. Рабочую обменную емкость определяют по следующей формуле:

Е_р = (Q* Ж_и)/(а *h_к), где Ж_и – жесткость воды; Q – количество умягченной воды, м³;

а – площадь катионитового фильтра, м²; h_к – высота слоя катионита, м.

Длительность работы фильтра определяется по формуле:

Т_к = Е_р* h_к/V_к*Ж_и . где V_к – скорость фильтрования воды.

В технике подготовки воды применяют органические катиониты. Они содержат функциональные химические активные группы, Н⁺ которых способны замещаться другими катионами: четвертичные амины NН₃ОН, сульфогруппы НSО₃ , карбоксильные группы СООН. Группа НSО₃ обладает сильнокислотными, а СООН – слабокислотными свойствами. В зависимости от содержания функциональных групп катиониты делят на слабокислотные и сильнокислотные. Сильнокислотные обменивают катионы в щелочной, нейтральной и кислой среде, слабокислотные – только в щелочной среде. Качество катионитов характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей обменной емкостью. Фракционный состав характеризует эксплуатационные свойства катионита. Рабочая обменная емкость зависит от вида извлекаемых катионов, соотношения солей в умягченной воде, рН, высоты слоя катионита, объема фильтра, режима эксплуатации, удельного расхода регенерирующего реагента.

Натрийкатионирование.

Этот метод применяется для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ н/б 8 мг/л и цветности н/б 30⁰.Жесткость воды снижается при одноступенчатом катионировании до 0.05 –0.1, при двухступенчатом – до 0.01 мг*экв /л. Процесс натрийкатионирования описывается следующими уравнениями:

2 Nа[К] + Са(НСО₃)₂/ Мg(НСО₃)₂ ↔Са[К]₂/ Мg[К]₂ +2 NаНСО₃

2 Nа[К] + СаСl₂/ Мg Сl₂↔Са[К]₂/ Мg[К]₂ + 2 NаСl, где [К] – нерастворимая матрица полимера.

После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать.

Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах состоит из следующих операций:

-фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допустимой жесткости в фильтрате;

-взрыхление слоя катионита восходящим потоком воды;

-спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерационного раствора;

-регенерация катионита посредством фильтрования соответствующего раствора;

-отмывка катионита.

Выбор метода диктуется требованиями, предъявляемыми к умягченной воде, Свойствами исходной воды и технико-экономическими соображениями. Регенерация осуществляется 5% раствором хлористого натрия в количестве 1.2 м³ раствора на 1 м³ смолы, затем остаточное количество в виде 8% раствора. Процесс регенерации описывается следующей реакцией:

Са[К]₂/ Мg[К]₂ + 2 NаСl↔2 Nа[К] + СаСl₂/ Мg Сl₂

Хлористый натрий применяется из-за его доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получают при этом хорошо растворимые соли СаСl₂ и МgСl₂, легко удаляемые с регенерационным раствором и водой.

Водород-натрийкатионитовое умягчение воды.

Обработка воды Н-катионированием основана на фильтрации ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов водород.

2 Н[К] + Са(НСО₃)₂/ Мg(НСО₃)₂ ↔Са[К]₂/ Мg[К]₂ +2Н₂О +СО₂↑

2 Н[К] + NаСl↔2 Nа[К] + НСl; 2 Н[К] +Nа₂SО₄ ↔2 Nа[К] +Н₂SО₄

При Н-катионировании воды значительно снижается ее рН из –за кислот, образующихся в фильтрате. Выделяющийся при Н-катионировании СО2 можно удалить дегазацией и в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию SО₄^-2 и Сl^- в исходной воде. Из приведенных реакций видно, что щелочность воды в процессе ионного обмена не изменяется. Следовательно, пропорционально смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со щелочным фильтратом после Nа – катионитовых фильтров можно получить умягченную воду с различной щелочностью. В этом заключается сущность и преимущества Н- Nа – катионирования. Применяют параллельное, последовательное и смешанное Н- Nа – катионирования. При параллельном – 1 часть воды идет через Nа – катионитовый фильтр, другая – через Н-катионитовый. Образующиеся воды смешивают в таких пропорциях, чтобы щелочность не превышала 0.4 мг*экв/л. При последовательном – часть воды пропускают через Н-катионитовый, затем смешивают с остальной водой и подают на Nа – катионитовый фильтр. Это позволяет полнее использовать обменную емкость Н-катионита и снизить расход кислоты на регенерацию. Смешанное катионирование осуществляется в одном фильтре, загруженном вверху - Н-катионитом, внизу - Nа – катионитом.