Федеральна державна освітня установа вищої професійної освіти

«СИБІРСЬКИЙ ФЕДЕРАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Політехнічний інститут

Реферат

Методи освітлення та пом'якшення води.

Використання інгібітору ІОМС.

Керівник ________________ Яковенко О.О.

Студент ТЕ 06 - 03 ________________ Мінаєва Д.С

Красноярськ 2009

Методи освітлення води.

Під освітленням води розуміють виділення з неї завислих речовин при безперервному русі води через спеціальні споруди (відстійники, освітлювачі) з малими швидкостями. При малих швидкостях руху води зважені речовини, що містяться в ній, питома вага яких більша питомої вагиводи, під впливом сили тяжкості осаджуються, утворюючи у відстійнику осад.

Технологічні схеми обробки води визначаються в кожному конкретному випадку в залежності від вимог і включають наступні етапи роботи:

технологічні дослідження та попередні лабораторні випробування застосовуваних реагентів;

підбір та розрахунок обладнання для дозування та змішування реагентів;

вибір обладнання для тонкошарового освітлення та ущільнення суспензії;

вибір та розрахунок швидких фільтрів із зернистим завантаженням, як напірного, так і відкритого типу;

вибір технології та обладнання для зневоднення шламу з подальшою утилізацією;

вибір обладнання для знезараження шляхом дозування розчину хлорреагенту (гіпохлорит натрію) та контролю якості обробленої води.

Залежно від напрямку руху води відстійники поділяють на горизонтальні, вертикальні та радіальні.

Горизонтальний відстійник (рис. 1) є резервуаром прямокутного перерізу, поздовжня (довша) вісь якого спрямована по руху води. Вода, що освітлюється, по трубі 1 направляється в розподільний жолоб 2, що має ряд отворів, службовців для більш рівномірного розподілу потоку води по перерізу відстійника. Швидкість руху води у цих отворах має перевищувати 0,4 м/сек. Освітлена вода надходить в інший жолоб 3 і з нього трубою 4 відводиться на фільтри. Осілі частинки (шлам) накопичуються на дні, який повинен мати ухил, зворотний руху води.

Час відстоювання для горизонтальних відстійників приймають зазвичай коагульованої суміші трохи більше 4 год. Горизонтальні відстійники для освітлення великих кількостей води можуть розділятися за висотою кілька паралельно включених відділень (поверхів). Переваги поверхових відстійників (пропозиція проф. П. І. Піскунова) - мала площа забудови та менша витрата бетону. Такий відстійник побудований на одній із найбільших очисних станцій Радянського Союзу.

Рис. 1. Схема горизонтального відстійника: 1 – лоток; 2 – приймальна камера; 3 - приймальний жолоб; 4 – на фільтр; 5 - для видалення осаду

Рис. 2. Схема вертикального відстійника 1 – центральна труба; 2-лоток; 3-відвідна труба; 4 - трубопровід для видалення осаду

Вертикальні відстійники (рис. 2) є круглий у плані, іноді квадратний, резервуар з конічним днищем і центральною трубою, в яку подається освітлювана вода з камери пластівці освіти.

Після виходу з центральної труби у відстійник вода рухається вгору з малою швидкістю і зливається вже освітленим через борт концентрично розташованого жолоба, звідки відводиться на фільтр. Осад, що випадає на дно відстійника, періодично видаляється.

Швидкість протікання води у центральній трубі приймається від 30 до 75 мм/сек. Час відстоювання води у відстійнику Т = 2 год. Швидкість висхідного руху води становить 0,5-0,6 мм/сек.

Діаметр відстійника повинен перевищувати 12 м, а відношення діаметра до висоті відстійника зазвичай приймають трохи більше 1,5.

Радіальні відстійники є круглі резервуари з малоконічним дном. Вода надходить у центральну трубуі з неї прямує у радіальному напрямку до збірного лотка по периферії відстійника. Відстійники мають невелику глибину, осад видаляють механізованим способом без порушення відстойника. Радіальні відстійники споруджують діаметром від 10 л і більше при глибині від 1,5-2,5 ж (у стінки відстійника) до З-5 м (в центрі).

Вибір типу відстійника залежить від добової продуктивності станції, загальної її компоновки, рельєфу місцевості, характеру ґрунтів тощо. Горизонтальні відстійники застосовують при продуктивності станції понад 30 000 м3/добу як у разі коагулювання води, так і без нього.

Радіальні відстійники доцільні при високих витратах води (понад 40 000 м3/сут). Перевагою цих відстійників проти прямокутними горизонтальними є механізоване видалення осаду без припинення роботи відстійника. Їх застосовують при великій каламутності річкової води (з коагулюванням і без нього) переважно для освітлення виробничої води.

Освітлювачі зі зваженим осадом. Процес освітлення протікає значно інтенсивніше, якщо вода, що освітлюється після коагулирования пропускається через масу раніше утвореного осаду, що підтримується у зваженому стані струмом

Рис. 3. Освітлювачі: а - первісної конструкції; б – коридорного типу: 1 – розподільні труби; 2 - жолоби із затопленими отворами; 3 - робоча частина освітлювача; 4-захисна зона; 5 – лоток відведення; 6 - труба для підсмоктування осаду; 7 - осадоприймальні вікна; 8-ущільнювач осаду; 9 - труби для скидання осаду) 10 - труба для відведення освітленої води

Такі освітлювачі дають більш високий ефект освітлення води, ніж у звичайних відстійниках, що пояснюється швидшим укрупненням і затриманням суспензії при проходженні води, що коагулюється, через зважений осад.

Застосування освітлювача зі зваженим залишком дає можливість порівняно із звичайним відстійником знизити витрату коагулянту, зменшити розміри споруд та отримати більш високий ефект освітлення води.

Освітлювач початкової конструкції являє собою циліндричний резервуар з шламоущільнювачем в центральній його частині (рис. 3, а). Тут вода з реагентом надходить у воздухоотделитель, потім проходить вниз у дірчасті розподільні труби 1, а далі- в отвори дірчастого дна 2.

Вода, проходячи через шар зваженого осаду 3, виходить у зону освітлення 4 і переливається у відвідні жолоби. У шламонакопичувач 5 надходить надлишок зваженого осаду, звідки його періодично видаляють каналізацію.

Освітлювач коридорного типу (рис. 3, б) являє собою прямокутний резервуар. Коагульована вода надходить у освітлювач трубою 1 і через дірчасті труби 2 розподіляється в нижній (робочій) частині 3 освітлювача. Швидкість руху води в робочій частині повинна бути такою, щоб пластівці коагулянту перебували у зваженому стані. Цей шар сприяє затриманню завислих частинок. Ступінь освітлення води при цьому значно вищий, ніж у звичайному відстійнику.

Над робочою частиною знаходиться захисна зона 4 де зваженого шару немає. Освітлена вода відводиться лотком 5 і 10 трубами для подальшої обробки. Надмірна кількість осаду за допомогою відсмоктування в трубу 6 відводиться через вікна 7 осадоущільнювач 8, де осад ущільнюється і періодично скидається в каналізацію по трубах 9.

Висхідна швидкість потоку в робочій частині освітлювача приймають рівною 1-1,2 мм/сек.

Методи пом'якшення води.

Усунення з води солей жорсткості, тобто пом'якшення її, необхідно проводити для живлення котелень, причому жорсткість води для котлів середнього та низького тиску повинна бути не більше 0,3 мг.екв/л. Пом'якшувати воду потрібно також таких виробництв, як текстильне, паперове, хімічне, де вода повинна мати жорсткість трохи більше 0,7-1,0 мг.экв/л. Пом'якшення води для господарсько-питних цілей також доцільно, особливо якщо вона перевищує 7 мг.экв/л.

Застосовують такі основні методи пом'якшення води:

1) реагентний метод. - шляхом введення реагентів, що сприяють утворенню малорозчинних сполук кальцію і магнію та випадання їх в осад;

2) катіонітовий метод, при якому пом'якшувальна вода фільтрується через речовини, що володіють здатністю обмінювати катіони (натрію або водню), що містяться в них, на катіони кальцію і магнію, розчинених у воді солей. В результаті обміну затримуються іони кальцію та магнію і утворюються натрієві солі, що не надають воді жорсткості;

3) термічний метод, що полягає в нагріванні води до температури вище 100 °, при цьому майже повністю видаляються солі карбонатної жорсткості.

Часто методи пом'якшення застосовують комбіновано. Наприклад, частину солей жорсткості видаляють реагентним способом, а частину, що залишилася - за допомогою катіонного обміну.

З реагентних методів содово-вапняний спосіб пом'якшення є найпоширенішим. Сутність його зводиться до отримання замість розчинених у воді солей Са Mg нерозчинних солей СаС0 3 і Mg(OH) 2 випадають в осад.

Обидва реагенти - соду Na 2 C0 3 і вапно Са(ОН) 2 -вводять в воду, що пом'якшується, одночасно або по черзі.

Солі карбонатної, тимчасової жорсткості видаляють вапном, не карбонатної, постійної жорсткості – содою. Хімічні реакціїпри видаленні карбонатної жорсткості протікають наступним чином:

Са (НС0 3) 2 + Са (ОН) 2 = 2 СаС0 3 + 2Н20.

У цьому карбонат кальцію СаС03 випадає осад. При видаленні бікарбонату магнію Mg(HC0 3) 2 реакція йде так:

Mg (НСОа)2 + 2Са (ВІН) 2 = Mg (ВІН) 2 + 2СаС0 3 + 2Н 2 0.

Гідрат окису магнію Mg(OH) 2 коагулює та випадає в осад. Для усунення некарбонатної жорсткості в воду, що пом'якшується, вводять Na 2 C0 3 . Хімічні реакції при видаленні некарбонатної жорсткості:

Na 2 C0 8 + CaS0 4 = CaCO 8 +Na 2 S0 4;

Na 2 CO 3 + CaCl 2 = CaC0 3 + 2NaCl.

В результаті реакції утворюється вуглекислий кальцій, який випадає в осад.

Для глибокого пом'якшення застосовують такі допоміжні заходи, як підігрівання води, що обробляється приблизно до 90, при цьому залишкова жорсткість може бути доведена до 0,2- 0,4 мг.екв/л.

Без підігріву обробка води проводиться великими надлишковими дозами вапна з подальшим видаленням цих надлишків шляхом продування води вуглекислотою. Останній процес називається рекарбонізацією.

На рис. 4 представлена ​​схема реагентної водопом'якшувальної установки, до складу якої входять пристрій для приготування та дозування розчинів реагентів, змішувачі, камери реакції, освітлювачі, фільтри.

Для пом'якшення води, що поступово поступається, що надходить безперервно, застосовують ті ж дозатори розчинів соди і вапна, що і при коагулюванні. Якщо ж витрата води, що пом'якшується, має коливання, застосовують так звані пропорційні дозатори.

Рис. 4. Схема реагентного пом'якшення води: 1-камера реакцій (вихровий реактор); 2 - освітлювач; 3 – кварцовий фільтр; 4-змішувач; 5, 6 та 7 - дозатори розчинів реагентів; 8, 9 та 10 - баки для розчинення коагулянтів та соди для приготування вапняного молока; 11 – бак; 12 – насос; 13 - повітровідділювач.

Содово-вапняний спосіб придатний для пом'якшення води з будь-яким співвідношенням карбонатної та некарбонатної жорсткості.

Недоліки содово-вапняного способу пом'якшення полягають у наступному: 1) вода не пом'якшується повністю; 2) установки для пом'якшення громіздки; 3) необхідне ретельне дозування соди і вапна, чого важко досягти через непостійність складу води, що пом'якшується, і реагентів.

Катіонітовий спосіб пом'якшення заснований на здатності речовин, званих катеонітами, обмінювати катіони натрію Na+ або водню Н+, що містяться в них, на катіони кальцію або магнію, розчинених у воді. Відповідно до цього розрізняють натрій-катіонітовий та водень-натрій: катіонітовий методи пом'якшення води.

За допомогою катіонітів вода пом'якшується на установці, що складається з декількох напірних металевих резервуарів, завантажених катіонітом (рис. 5).

Необроблена вода надходить у фільтр трубами А, Б і В; випуск пом'якшеної води відбувається по трубі Г. При роботі фільтра засувки 2 і 5 відкриті, а інші (1, 3, 4 і 6) закриті. Перед регенерацією фільтр промивають.

Для промивання фільтра вода з бака Д подається трубою Е і проходить по дренах знизу вгору. Тривалість промивання 20-30 хв, інтенсивність 4-6 л/сек на 1 м2. Промивна вода з фільтрів відводиться по трубах, Б, Ж, причому засувки 4 і 3 відкриті, а інші закриті.

Регенеруючий розчин катіоніту при регенерації подається по трубі, проходить фільтр зверху вниз і скидається по трубі. У цьому випадку засувки 1 та 6 відкриті, інші (2-5) закриті; тривалість регенерації близько 30-60 хв, а відмивання від регенеруючого розчину 40-60 хв.

Рис. 5. Схема катіонітової водопом'якшувальної установки

Переваги катіонітового способу полягають у наступному: 1) вода пом'якшується майже повністю; 2) дозувати потрібно лише розчин кухонної солі чи сірчаної кислоти; 3) фільтри виготовляють заводським способом. До недоліків цього способу слід віднести необхідність попереднього освітлення води, так як колоїдні та органічні речовини обволікають зерна катіонітів і зменшують їх обмінну здатність.

Реагенти, що застосовуються при обробці води, вводять у воду в наступних місцях:

а) хлор (при попередньому хлоруванні) - у всмоктувальні трубопроводи насосної станції першого підйому або водоводи, що подають воду на станцію очищення;

б) коагулянт - у трубопровід перед змішувачем або змішувач;

в) вапно для підлужування при коагулювання - одночасно з коагулянтом;

г) активоване вугілля для видалення запахів та присмаків у воді до 5 мг/л перед фільтрами. При великих дозах вугілля слід вводити на насосний станції першого підйому або одночасно з коагулянтом змішувач водоочисної станції, але не раніше ніж через 10 хв після введення хлору;

д) хлор та аміак для знезараження води вводять до очисних спорудта у фільтровану воду. За наявності у воді фенолів аміак слід вводити як за попереднього, так і за остаточного хлорування.

Розчин коагулянту готують у розчинних баках; звідки його слід випускати чи перекачувати у видаткові баки. Для подачі у воду заданої кількості розчину коагулянту слід передбачати встановлення дозаторів.

При використанні автоматичних дозаторів, заснованих на принципі зміни електропровідності води в залежності від домішок, вапно для підлужування слід вводити після відбору води, що коагулюється, що йде до дозатора.

До спеціальних видів очищення та обробки води належать: опріснення, знесолення, знезалізнення, видалення з води розчинених газів та стабілізація.

Механізм дії інгібіторів ІОМС.

При нагріванні води в процесі роботи системи опалення відбувається термічний розпад присутніх у ній гідрокарбонат-іонів з утворенням карбонат-іонів. Карбонат-іони, взаємодіючи з присутніми у надлишку іонами кальцію, утворюють зародки кристалів карбонату кальцію. На поверхні зародків осідають все нові карбонат-іони та іони кальцію, внаслідок чого утворюються кристали карбонату кальцію, в якому часто присутній карбонат магнію у вигляді твердого розчину заміщення. Осідаючи на стінках теплотехнічного обладнання, ці кристали зростаються, утворюючи накип (рис. 6, а).

Основним компонентом, що забезпечує протинакипну активність всіх інгібіторів, що розглядаються, є органофосфонати - солі органічних фосфонових кислот. При введенні органофосфонатів у воду, що містить іони кальцію, магнію та інших металів, вони утворюють дуже міцні хімічні сполуки - комплекси. (У багато сучасних інгібіторів органофосфонати входять вже у вигляді комплексів з перехідними металами, головним чином з цинком.) Оскільки в одному літрі природної або технічної води міститься 1020–1021 іонів кальцію та магнію, а органофосфонати вводять у кількості лише 1018–1019 молекул на літр води всі молекули органофосфонатів утворюють комплекси з іонами металів, а комплексони як такі у воді не присутні. Комплекси органофосфонатів адсорбуються (осаджуються) на поверхні зародків кристалів карбонату кальцію, перешкоджаючи подальшій кристалізації карбонату кальцію. Тому при введенні у воду 1–10 г/м3 органофосфонатів накип не утворюється навіть при нагріванні дуже твердої води (рис. 6, б).

Комплекси органофосфонатів здатні адсорбуватися як на поверхні зародків кристалів, а й у металевих поверхнях. Тонка плівка, що утворюється, ускладнює доступ кисню до поверхні металу, внаслідок чого швидкість корозії металу знижується. Однак найбільш ефективний захист металу від корозії забезпечують інгібітори на основі комплексів органічних фосфонових кислот з цинком та деякими іншими металами, які були розроблені та впроваджені у практику професором Ю.І. Кузнєцовим. У приповерхневому шарі металу ці сполуки здатні розпадатися з утворенням нерозчинних сполук гідроксиду цинку, а також комплексів складної структури, в яких беруть участь багато атомів цинку та заліза. Внаслідок цього утворюється тонка, щільна, міцно зчеплена з металом плівка, що захищає метал від корозії. Ступінь захисту металу від корозії під час використання таких інгібіторів може досягати 98%.

Сучасні препарати на основі органофосфонатів не тільки інгібують солевідкладення та корозію, а й поступово руйнують застарілі відкладення накипу та продуктів корозії. Це пояснюється утворенням у порах накипу поверхневих адсорбційних шарів органофосфонатів, структура та властивості (наприклад, коефіцієнт температурного розширення) яких відрізняються від структури накипу кристалів. Коливання, що виникають при експлуатації системи опалення, і градієнти температури призводять до розклинювання кристалічних зростків накипу. В результаті накип руйнується, перетворюючись на тонку завис, легко видаляється з системи. Тому при введенні препаратів, що містять органофосфонати, у системи опалення з великою кількістю застарілих відкладень накипу та продуктів корозії, необхідно регулярно спускати відстій із фільтрів та грязьів, встановлених у нижніх точках системи. Спуск відстою слід проводити, залежно від кількості відкладень, 1–2 рази на добу, з розрахунку підживлення системи чистою, обробленою інгібітором, водою у кількості 0,25–1% водного об'єму системи за годину. Необхідно відзначити, що при підвищенні концентрації інгібітора понад 10-20 г/м3 накип руйнується з утворенням грубих суспензій, здатних забити вузькі місця системи опалення. Тому передозування інгібітора у разі загрожує засміченням системи. Найбільш ефективне та безпечне очищення систем опалення від застарілих відкладень накипу та продуктів корозії досягається при використанні препаратів, що містять поверхнево-активні речовини, наприклад, композиції «ККФ».

а) б)

Рис. 6. Розріз внутрішньоквартального 89 мм трубопроводу гарячого водопостачання:

а - через два роки роботи на воді жорсткістю 8-12 мг-екв/дм3;

б – через шість місяців після початку обробки води інгібітором ІОМС-1.

Знати ступінь жорсткості води, що використовується, обов'язково. Від показника жорсткості питної води залежить безліч аспектів нашого життя: скільки використовувати пральний порошок, чи потрібні заходи для пом'якшення жорсткої води, скільки проживуть акваріумні рибкиу воді, чи потрібне введення поліфосфатів у зворотному осмосі і т.д.

Існує безліч способів визначення жорсткості:

• за кількістю утвореної піни миючого засобу;
• по району;
• за кількістю накипу на нагрівальних елементах;
• за смаковими властивостями води;
• за допомогою реагентів та спеціальних приладів

Що таке жорсткість?

У воді є основні катіони: кальцій, магній, марганець, залізо, стронцій. Останні три катіони мало впливають на жорсткість води. Існують ще тривалентний катіон алюмінію та заліза, які при певному рН утворюють вапняковий наліт.

Жорсткість може бути різного виду:

• загальна жорсткість– загальний вміст іонів магнію та кальцію;
• карбонатна жорсткість– вміст гідрокарбонатів та карбонатів при рН більшому за 8,3. Їх легко видалити через кип'ятіння: під час нагрівання розпадаються на вугільну кислоту та осад;
• некарбонатна жорсткість– солі кальцію та магнію сильних кислот; не можна видалити за допомогою кип'ятіння.

Існує кілька одиниць жорсткості води: моль/м 3 мг-екв/л, dH, d⁰, f⁰, ppm CaCO 3 .

Чому вода має жорсткість? Іони лужноземельних металів є у всіх мінералізованих водах. Вони беруться із покладів доломітів, гіпсу та вапняку. Джерела води можуть мати жорсткість у різних діапазонах. Існує кілька систем жорсткості. За кордоном до неї підходять більш «жорстко». Наприклад, у нас вода вважається м'якою при жорсткості 0-4 мг-екв/л, а США – 0-1,5 мг-экв/л; дуже жорстка вода у Росії – понад 12 мг-эк/л, а США – понад 6 мг-экв/л.

Жорсткість маломінералізованих вод на 80% зумовлена ​​іонами кальцію. Зі зростанням мінералізації частка іонів кальцію різко знижується, а іонів магнію – збільшується.

Найчастіше поверхневі водимають меншу жорсткість, ніж підземні. Також жорсткість залежить від сезону: під час танення снігів вона знижується.

Жорсткість питної води змінює її смак. Поріг чутливості для іону кальцію – від 2 до 6 мг-екв/л залежить від аніонів. Вода стає гіркуватою і погано впливає на процес травлення. ВООЗ не дає жодних рекомендацій щодо жорсткості води, тому що ні точних доказівїї впливу на організм людини.

Обмеження жорсткості необхідне нагрівальних приладів. Наприклад, у казанах – до 0,1 мг-екв/л. М'яка вода має низьку лужність та викликає корозію водопровідних комунікацій. Комунальні служби використовують спеціальну обробку, щоб знайти компроміс між нальотом і корозією.

Існує три групи способів пом'якшення води:

• фізичний;
• хімічний;
• екстрасенсорний.

Реагентні способи пом'якшення води

Іонний обмін

Хімічні методи засновані на іонному обміні. Фільтруючою масою є іонообмінна смола. Вона є довгими молекулами, які зібрали в кульки жовтого кольору. З куль виступають маленькі відростки з іонами натрію.

Під час фільтрації вода просочує смолу, а її солі стають на місце натрію. Сам натрій нестися водою. Через різницю зарядів іонів вимивається вдвічі більше солей, ніж осідає. З часом солі всі замінюються і смола перестає працювати. Період роботи у кожної смоли свій.

Іонообмінна смола може бути в картриджах або насипатись у довгий болон – колона. Картриджі мають невеликий розмірта використовуються тільки для зниження жорсткості питної води. Ідеально підходить для пом'якшення води у домашніх умовах. Іонообмінна колона використовується для пом'якшення води у квартирі або невеликому виробництві. Крім великої вартості, колона повинна періодично завантажуватися відновленою фільтруючої масою.

Якщо в смолі картриджа не залишилося іонів натрію, його просто замінюють на новий, а старий – викидають. При використанні іонообмінної колони смолу відновлюють у спеціальному баку із розсолом. Для цього розчиняють таблетування сіль. Сольовий розчин регенерує здатність смоли до обміну іонами.

Назад є додаткова здатність води видаляти залізо. Воно забиває смолу і наводить її на повну непридатність. Потрібно вчасно робити аналіз води!

Використання інших хімічних реагентів

Існує ряд менш популярних, але ефективних способівпом'якшення води:

• кальцинована сода або вапно;
• поліфосфати;
• антискаланти - з'єднання проти утворення накипу.

Пом'якшення вапном та содою

Пом'якшення води содою

Метод пом'якшення води з використанням вапна називається вапнуванням. Використовують гашене вапно. Вміст карбонатів знижується.

Суміш соди і вапна найбільш ефективно. Для наочності пом'якшення води в домашніх умовах можна додати кальциновану соду у воду для прання. На відро беруть 1-2 чайні ложки. Добре розмішують і очікують на випадання осаду. Подібним методом користувалися жінки в Стародавню Грецію, використовуючи пічну золу.

Вода після вапна та соди не придатна для харчових цілей!

Пом'якшення поліфосфатами

Поліфосфати здатні пов'язувати солі твердості. Вони є великими білими кристалами. Вода проходить через фільтр та розчиняє поліфосфати, зв'язуючи солі.

Недоліком є ​​небезпека поліфосфатів для живих організмів, зокрема людини.Вони є добривом: після потрапляння у водойму спостерігається активне зростання водоростей.

Поліфосфати також непридатні для пом'якшення питної води!

Фізичний метод пом'якшення води

Фізичні методи борються з наслідками високої жорсткості – накипом. Це безреагентне очищення води. При її використанні не відбувається зниження концентрації солі, а просто запобігає шкоді для труб та нагрівальних елементів. Вода стає м'якою або для більшого розуміння – пом'якшеною.

Вирізняють такі фізичні методи:

• використання магнітного поля;
• за допомогою електричного поля;
• ультразвукова обробка;
• термічний метод;
• використання малоточкових струмових імпульсів.

Магнітне поле

Безреагентне пом'якшення води за допомогою магнітного поля має багато нюансів. Ефективність досягається лише за дотримання певних правил:

• певна швидкість потоку води;
• підібрана напруженість поля;
• певний іонний та молекулярний склад води;
• температура вхідної та вихідної води;
• час обробки;
• атмосферний тиск;
• тиск води та ін.

Зміна будь-якого параметра потребує повного переналаштування всієї системи. Реакція має бути негайною. Незважаючи на складність контролю параметрів, магнітне пом'якшення води використовують у котельнях.

Але для пом'якшення води у домашніх умовах за допомогою магнітного поля майже неможливо. З появою бажання придбати магнітик на трубопровід, подумайте, як ви підберете і будите забезпечувати необхідні параметри.

Використання ультразвуку

Ультразвук призводить до кавітації - утворення газових бульбашок. Підвищується ймовірність зустрічі іонів магнію та кальцію. З'являються центри кристалізації не так на поверхні труб, а товщі води.

При пом'якшенні гарячої водиультразвуком кристали не досягають розміру, необхідного для осадження – накип не утворюється на теплообмінних поверхнях.

Додатково виникають високочастотні коливання, які перешкоджають утворенню нальоту: відштовхують кристали від поверхні.

Згинальні коливання згубні для утвореного шару накипу. Вона починає відколюватися шматочками, які можуть засмічити канали. Перед використанням ультразвуку необхідно очистити поверхні від накипу.

Електромагнітні імпульси

Безреагентні пом'якшувачі води на основі електромагнітних імпульсів змінюють спосіб кристалізації солей. Створюються динамічні електричні імпульси з різними характеристиками. Вони йдуть по дроту-обмотці на трубі. Кристали набувають форми довгих поличок, яким важко закріпитися на поверхні теплообміну.

У процесі обробки виділяється вуглекислота, яка бореться з наявним вапняним нальотомта утворює захисну плівку на металевих поверхнях.

Термозм'якшення

Хтось чує про цей спосіб вперше. Але насправді ним користується кожен із дитинства. Це звичне для нас кип'ятіння води.

Всі помічали, що після кип'ятіння води утворюється осад із солей твердості. Каву або чай роблять із м'якшої води, ніж водопровідна.

А скільки потрібно кип'ятити? Все просто: зі зростанням температури та її впливом солі жорсткості менш розчинні та більше випадають в осад. У процесі нагрівання виділяється вуглекислий газ. Чим швидше він випаровується, тим більше утворюється вапняковий наліт. Щільно закрита кришка перешкоджає виведенню вуглекислого газу, а у відкритій ємності швидко випаровується рідина.

При використанні термозм'якшення слід залишати кришку в ємності злегка відкритою. Також слід забезпечити максимальну площу осадження солей для прискорення пом'якшення питної води.

При жорсткості до 4 мг-екв/л термічне пом'якшення не потрібно: солі осідатимуть повільніше, ніж вода. У воді, що залишилася, буде підвищена концентрація багатьох домішок.

Вода має винятково високу розчинну здатність. Випадаючи у вигляді атмосферних опадів, вона розчиняє в атмосфері гази, у тому числі і вуглекислий газ. Надалі просочуючись у землю, вода захоплює додаткову кількість вуглекислого газу як продукту розкладання об'єктів живої і живої природи. Взаємодіючи з водою вуглекислий газ утворює вугільну кислоту, збільшуючи потенціал для розчинення мінералів та інших домішок. Проходячи через шар вапняку, вона насичується іонами кальцію та магнію, відповідальними за жорсткість. Залізо і марганець у джерелах знаходяться у менших концентраціях, ніж іони кальцію та магнію. Оскільки вода є розчинником, вона захоплює розчинні хлориди, сульфати, нітрати кальцію та магнію. Схожим чином вона поглинає карбонатні, бікарбонатні, хлоридні, сульфатні сполуки натрію, а також деяку кількість кремнезему.

Загалом, при докладному аналізіу ній можуть бути виявлені у більшій чи меншій концентрації практично всі елементи таблиці Менделєва.

Жорсткістьпідрозділяється на гідрокарбонатну, звану ще тимчасову, і некарбонатну (хлоридну, сульфатну, нітратну) - постійну. Тимчасова жорсткістьусувається при кип'ятінні (наліт на нагрівальному елементі), постійна жорсткістьпри нагріванні не усувається.

Очищення від солей жорсткості називається пом'якшенням. Жорсткість води біля РФ вимірюється в одиницях мг-экв/литр і, залежно від галузі використання, вимоги до рівня жорсткості змінюються від 7 мг-экв/л (господарсько-побутові цілі) до одиниць мг-экв/литр і менше у медицині , електроніки, енергетики, атомної промисловості. Допустима жорсткість води 7 мг-екв/л не несе серйозної небезпеки здоров'ю, але створює цілу низку побутових проблем. Жорстка вода викликає утворення опадів та нальотів на поверхні трубопроводів та робочих елементах побутової техніки. Ця проблема особливо актуальна для приладів з нагрівальними елементами- водогрійних та парових котлів, бойлерів та іншого теплообмінного обладнання.

Усунення жорсткості – пом'якшення здійснюється за допомогою іоннообмінної смоли. Іоннообмінна смола являє собою полімер, що складається з полімерної матриці та функціональних груп. Полімерна матриця синтезується з мономеру стиролу в присутності дивінілбензолу, що зв'язує. У процесі синтезу використовується спирт, який у певний момент випаровується, і, виходячи з матриці, формує в ній пори. Потім матрицю вводяться функціональні групи. Функціональна група складається з двох частин: нерухомої, прикріпленої до матриці, та рухомої частини. Якщо рухомою частиною функціональної групи служить катіон, а нерухомий - аніон, то смола називається катіонообмінною, а якщо рухлива частина аніон - аніонообмінною. Катіонообмінна смола може бути в натрієвій формі (Na-катіонообмінна смола) або у водневій формі (H-катіонообмінна смола).

Процес пом'якшення іоннообмінної смолою

Очищення іонообмінними смолами

Іонообмінна смола засипається в колону, заповнюючи 60-65% загального обсягу фільтра. Жорстка вода надходить у колону і, оскільки іонообмінний матеріал має більшу хімічну спорідненість із кальцієм і магнієм, ніж з іонами натрію, останні витісняються ними зі смоли. Заміна катіонів кальцію та магнію на катіони натрію відбувається в еквівалентних співвідношеннях. Вода, що містить на вході іони бікарбонату кальцію та магнію, на виході з нього міститиме еквівалентну кількість бікарбонатів натрію. Кількість іонів натрію на смолі обмежена, тому настає момент, коли смола перестає пом'якшувати воду, тобто вичерпано обмінну ємність смоли. Для перезаряджання смоли або її регенерації запускається процес зворотного іонного обміну, в ході якого іонообмінна смола піддається впливу концентрованим розчином вихідного виду катіонів. Для регенерації Na-катіонообмінної смоли використовують відносно міцний розчинхлориду натрію. Натрій із розчину витісняє кальцій та магній зі смоли, перезаряджаючи її.

Установка пом'якшення, очищення іонообмінними смолами:
Конструктивно встановлення пом'якшення складається з трьох частин: балони з іонообмінною смолою та водопідйомною трубкою, клапана керування з електронним контролером та ємності для сольового розчину. Контролери бувають двох видів: регенерація відбувається за часом та регенерація відбувається за обсягом. При регенерації за часом контролер переводить установку режим регенерації через певну кількість годин, днів чи певний день тижня. При регенерації за обсягом клапан управління має вбудований лічильник води і через певну кількість води, що пройшла через установку води, контролер переводить її в режим регенерації. Цей обсяг називається фільтроциклом установки та розраховується контролером на основі жорсткості води, об'єму та ємності завантаження, які вводяться в контролер на стадії програмування.

У тих випадках, коли потрібне безперебійне забезпечення м'якою водою, можуть застосовуватись два однакові фільтри, що функціонують у режимі TWIN або DUPLEX. У режимі «твін» один контролер керує двома клапанами керування. Коли один фільтр пом'якшує воду, знаходиться в робочому режимі, другий з відрегенерованою смолою знаходиться в режимі очікування. Коли фільтроцикл першого фільтра вичерпано, клапан управління переводить другий фільтр у робочий режим фільтрації, а перший - режим регенерації. Після завершення регенерації перший фільтр переходить в режим очікування, і знаходиться в ньому, доки не закінчиться фільтроцикл другого. Процес очищення циклічно повторюється, фільтри працюють поперемінно.

У режимі «дуплекс» фільтри функціонують одночасно і по черзі переводяться за заданою програмою режим регенерації зі зрушенням за часом її початку тривалість циклу регенерації.

Пом'якшення води вапнуванням

У тих випадках, коли необхідно пом'якшувати воду з високою карбонатною жорсткістю (понад 30 мг-екв/л) недоцільно застосовувати іонообмінну смолу. Попередньо слід знизити жорсткість, використовуючи технологію вапнування. Пом'якшення води вапном і кальцинованою содою передбачає дозування гашеного вапна Сa(OH)2 у жорстку воду для видалення карбонатної жорсткості шляхом осадження та подальшого фільтрування осаду. Некарбонатна жорсткість у свою чергу зменшується додаванням кальцинованої соди Na2CO3 для формування нерозчинного осаду, який також видаляється фільтруванням.

Даний метод використовується на водоканалах та підприємствах з великим споживанням води. Це досить ефективний методЗменшення жорсткості води, однак, він не дозволяє повністю видалити всі мінерали.

Гашене вапно застосовується для видалення бікарбонату кальцію з води. Там, де кальцій та магній містяться у формі хлоридів або сульфатів, така обробка помітно менш ефективна.

Зменшення жорсткості води вапном та кальцинованою содою стає надзвичайно дорогим, якщо жорсткість треба знизити до рівня менше 2 мг-екв/л. Для побутових цілей пом'якшення води вапном та кальцинованою содою є непрактичним. З одного боку - є труднощі в подачі вапна та кальцинованої соди, з іншого боку - потрібен суворий контроль процесу відстоювання та фільтрації. Ще одним стримуючим фактором використання даного процесує розміри необхідного обладнанняі велика кількістьвапняного шламу, що викидається.

Види жорсткості. Способи пом'якшення води

Катіони Ca 2+ обумовлюють кальцієву жорсткість, а катіони Mg 2+ - Магнієву жорсткість. Загальна жорсткість складається з кальцієвої та магнієвої, тобто. із сумарної концентрації у воді катіонів Ca 2+ та Mg 2+ .

Під пом'якшенням води розуміють або усунення або зменшення її жорсткості. Головним чином воно полягає у повному чи частковому видаленні з неї катіонів Ca 2+ , Mg 2+ та Fe 2+ . Існує три основні способи пом'якшення води: термічна обробка, хімічна обробка, іонний обмін.

1. Термічна обробка

Суть способу полягає у попередньому нагріванні води до 70-80° З або її кип'ятіння. При цьому катіони Ca 2+ , Mg 2+ осідають у вигляді малорозчинних сполук.

По відношенню до процесів пом'якшення води розрізняють жорсткість карбонатну та некарбонатну .

Карбонатної називають жорсткість, викликану присутністю у воді гідрокарбонатів кальцію Ca (HCO 3 ) 2 і магнію Mg (HCO 3 ) 2 . При кип'ятінні гідрокарбонати руйнуються, а малорозчинні карбонати, що утворюються, випадають в осад, і загальна жорсткість води зменшується на величину карбонатної жорсткості. Тому карбонатну жорсткість також називають тимчасовий .

При кип'ятінні катіони кальцію осідають у вигляді карбонату кальцію :

Ca 2+ + 2HCO 3 2- = CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2 ,

а катіони магнію - у вигляді основного карбонату або у вигляді гідроксиду магнію (при рН>10.3):

2Mg 2+ + 2HCO 3 - + 2OH - = (MgOH) 2 CO 3 ↓ + H 2 O + CO 2

гідроксид-іони OH - утворюються за рахунок взаємодії іонів HCO 3 - з водою:

HCO 3 - + H 2 O ↔ H 2 CO 3 + OH -

Решта жорсткості, що зберігається після кип'ятіння води, називається некарбонатної . Вона визначається вмістом у воді кальцієвих та магнієвих солей сильних кислот: сульфатів, хлоридів, нітратів . При кип'ятінні ці солі не видаляються, тому некарбонатну жорсткість також називають постійною .

2. Хімічна обробка.

Пом'якшення води також може бути досягнуто обробкою різними хімічними речовинами. Так, карбонатну жорсткість можна усунути додаванням гашеного вапна

Ca 2+ + 2 HCO 3 - + Ca 2+ + 2 OH - = 2 CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O

Mg 2+ + 2HCO 3 2- + 2Ca 2+ + 4OH - = Mg(OH) 2 ↓ + 2CaCO 3 ↓ + 2 H 2 O

При одночасному додаванні вапна і соди можна позбутися карбонатної і некарбонатної жорсткості ( вапняно-содовий спосіб ). Карбонатна жорсткість при цьому усувається вапном, а некарбонатна - содою:

Ca 2+ + CO 3 2-+ = CaCO 3 ↓;

Mg 2+ + CO 3 2-+ = MgCO 3

MgCO 3 + Ca 2+ + 2 OH - = Mg (OH ) 2 ↓ + CaCO 3 ↓

Ефективним засобом для пом'якшення води є поліфосфат натрію. Na 5 P 3 O 10 . У цьому випадку зв'язування іонів Ca 2+ та Mg 2+ здійснюється за рахунок утворення добре розчинних у воді комплексних хелатних сполук:

P 3 O 10 5- + Ca 2+ = 3-

P 3 O 10 5- + Mg 2+ = 3-

3. Іоннийобмін

Застосовуються й інші способи усунення жорсткості води, серед яких один із найсучасніших заснований на застосуванні катіонітів - катіонітний спосіб . Є тверді речовини, які містять у своєму складі рухливі іони, здатні обмінюватися на іони довкілля. Вони отримали назву іонітів .

Іоніти поділяються на дві групи. Одні з них обмінюють свої катіони на катіони середовища та називаються катіонітами , інші обмінюють свої аніони та називаються аніонітами . Іоніти не розчиняються в розчинах солей, кислот та лугів.

Із неорганічних іонітів найбільше значеннямають цеоліти - алюмосилікати складного складу, що мають кристалічну будову. Наприклад, алюмосилікат складу Na 2 O ∙ Al 2 O 3 ∙4 SiO 2 ∙ m H 2 O має просторові ґрати, утворені атомами Al, Si та O . Ґрати пронизані порожнинами, в яких розміщуються молекули води та іони Na + . Останні, маючи певну свободу переміщення, заміщаються на іони Ca 2+ та Mg 2+ під час пропускання води через шар зерен (гранул) цеоліту.

Більш досконалі іонообмінні смоли отримані на основі синтетичних полімерів. Вони мають одночасно високі експлуатаційно-технічні характеристики та різноманітні фізико-хімічні властивості.

Для усунення жорсткості води застосовують катіоніти . Їхній склад умовно можна виразити загальною формулою Na 2 R де Na + - дуже рухливий катіон, а R 2- - Частина катіоніту, що несе негативний заряд.

Якщо пропускати воду через шари катіоніту, то іони натрію обмінюватимуться на іони кальцію та магнію:

Ca 2+ + Na 2 R = 2Na + + CaR;

Mg 2+ + Na 2 R = 2 Na + + MgR

Таким чином, іони кальцію та магнію переходять з розчину в катіоніт, жорсткість при цьому усувається.

Коли процес іонного обміну сягає рівноваги, іоніт перестає працювати - втрачає здатність пом'якшувати воду. Однак будь-який іоніт легко піддається регенерації. Для цього через катіоніт пропускають концентрований розчин NaCl (Na 2 SO 4 ) або HCl (H 2 SO 4). При цьому іони Ca 2+ та Mg 2+ виходять у розчин, а катіоніт знову насичується іонами Na + або H +.

4. Фізичні методи усунення жорсткості

Для пом'якшення води використовуються також способи, засновані на фізичних явищах.

Метод електродіалізу заснований на явищі спрямованого руху іонів електроліту до електродів, підключених до мережі постійного струму. Таким чином, іони металів, що зумовлюють жорсткість води, затримуються у електродів і відокремлюються від води, що виходить з водоочистки апарату.

Магнітно-іонізаційний метод також використовує явище спрямованого руху іонів, але під дією магнітного поля. Для збільшення у воді кількості іонів її попередньо опромінюють іонізуючим випромінюванням.

Магнітна обробка води полягає у пропущенні води через систему магнітних полів протилежної спрямованості. В результаті цього відбувається зменшення ступеня гідратації розчинених речовин та їх об'єднання у більші частинки, які випадають в осад.

Ультразвукова обробка води також призводить до утворення більших частинок розчинених речовин із утворенням осаду.

Є.А. Нуднова, І.М. Аржaнова