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:
Ди = 28([СО2] /22 +2 Жк - [ Са+2]/20 +Дк/ек+ 0.5)
Дк – доза коагулянта, е –эквивалентная масса активного вещества коагулянта,
Выражение Дк/ек – 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:
Ер = (Q* Жи)/(а *hк), где Жи – жесткость воды; Q – количество умягченной воды, м3;
а – площадь катионитового фильтра, м2; hк – высота слоя катионита, м.
Длительность работы фильтра определяется по формуле:
Тк = Ер* hк/Vк*Жи . где Vк – 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.