Урок 4
Введение
Невидимые минералы жесткости делают воду проблемной и трудной в использовании. Наличие минералов жесткости в воде может вызывать проблемы и у промышленных предприятий, и у домохозяйств.
Вода настолько часто бывает жесткой, что некоторые люди думают, что индустрия водоподготовки занимается исключительно данной проблемой. В какой-то мере, такая ассоциация между жесткостью воды и водоподготовкой является данью уважения индустрии водоподготовки за то, что она создала продукты, способные превратить неудовлетворительную, проблемную воду в полностью пригодную к использованию.
4 Жесткость воды — масштабы проблемы
Жесткая вода является широко распространенной серьезной проблемой. Вода на 85% территории США является настолько жесткой, что она должна быть умягчена, чтобы стать максимально пригодной к использованию.
Есть только несколько регионов, в которых вода является достаточно мягкой, чтобы удовлетворить большинство бытовых нужд. Не существует природного источника, в котором вода была бы полностью свободной от жесткости.
Населенные пункты, которые отбирают воду непосредственно из потоков, стекающих со снежных горных вершин, имеют практически идеальную воду в плане низкого содержания веществ, придающих воде жесткость.
Нью-Йорк получает относительно мягкую воду из источников, жесткость которых составляет от 1 до 3 грейнов на галлон (17-51 мг/л). Но даже здесь есть возможности продажи оборудования для водоподготовки. Существуют предприятия, которым нужна вода с полным отсутствием веществ, придающих воде жесткость. Некоторые прачечные в Нью-Йорке, например, обнаружили, что полностью мягкая вода позволяет значительно снизить расход моющих средств.
В целом, жесткость водных запасов в США составляет от 1 до 350 грейнов на галлон (17,1-5985 мг/л).
Грейны на галлон (gpg). Это наиболее распространенный способ обозначения жесткости источника водоснабжения в США. Грейны на галлон — это количество грейнов данного вещества в одном американском галлоне воды. Один грейн равен 1/7000 фунта (0,000065 кг), а один американский галлон воды весит 8,33 фунта (3,78 кг).
Жесткость также может быть выражена в миллионных долях (ppm) или миллиграммах на литр (мг/л). Однако, из-за высокого содержания веществ, придающих воде жесткость, ее обычно легче выражать в грейнах на галлон. Перевод миллионных долей или миллиграммов на литр в грейны на галлон довольно прост. Чтобы получить грейны на галлон, нужно просто разделить миллионные доли (или миллиграммы на литр) на 17,1.
Дальнейшее обсуждение этой темы мы продолжим в уроке 9, в котором мы будем рассматривать процесс анализа воды.
Ниже описано, что грейны на галлон (или миллионные доли) значат для вас, согласно стандартам Министерства внутренних дел США и Ассоциации по качеству воды.
В воде из большинства источников количество минералов жесткости находится на уровне от 3 до 50 грейнов на галлон (51,3-855 мг/л). К сожалению, там, где вода очень жесткая, эта проблема часто накладывается на присутствие других загрязнителей, таких как железо и марганец.
Большинство людей знают, что вода, содержащая от 15 до 30 грейнов на галлон (256,5-513 мг/л) минералов жесткости, определенно является жесткой и ее сложно использовать.
С другой стороны, многие хорошо переносят содержание минералов жесткости на уровне 5 грейнов (85,5 мг/л), хотя для людей, привыкших к полностью мягкой воде, такое содержание будет неприемлемым.
Почему жесткая вода представляет собой проблему?
На самом деле, жесткость — это источник многих проблем. Одним из проблемных мест является то, как эти минералы реагируют с мылами и детергентами.
И эта проблема является настолько важной, что жесткость иногда определяют как «действие некоторых элементов, объединяющихся с мылом и формирующих нерастворимые мыльные хлопья».
Список элементов, обладающих жесткостью, включает железо, медь и марганец, которые обычно присутствуют в воде в относительно небольших количествах. Более распространенными, конечно же, являются кальций и магний,
которых обычно в воде много. Одежда, постиранная в полностью мягкой воде, не будут содержать проблемных мыльных хлопьев.
Для домохозяйки жесткая вода затрудняет процесс уборки.
В процессе стирки жесткая вода оставляет на ткани мыльные хлопья и осадок детергента. Это делает тусклыми цвета и придает белым тканям серый или желтый цвет. Кроме того, мыльные хлопья цепляются к нитям ткани, делая их ломкими и сокращая жизнь ткани.
Жесткая вода повышает расход мыла и синтетических моющих средств.
Жесткая вода оставляет на ванне неприглядные круги мыльной пены.
Жесткая вода оставляет пятна и полосы на стеклянной посуде и тарелках.
Жесткая вода вызывает появление отложений накипи на всех устройствах, использующих воду, засоряет трубы горячей воды.
И что более важно для отдельных потребителей и семей, жесткая вода затрудняет процесс ухода за телом.
Накипь
Накипь — это одна из наиболее серьезных проблем, вызванная отложением минералов жесткости. Этот побочный продукт жесткости воды выводит из строя множество устройств, использующих воду. Он засоряет трубы горячей воды и может резко сократить теплоэффективность бойлера или водонагревателя. Накипь формируется при нагреве жесткой воды. Причины этого таковы:
(1) разложение бикарбонатов кальция и магния,
(2) их обратное преобразование
в нерастворимые карбонатные формы,
(3) их осаждение и
(4) их накопление на внутренних поверхностях водонагревателя.
При определенных условиях отложения формируют шламы. И шламы, и накипи могут вызвать резкое сокращение производительности оборудования.
Исследование влияния умягченной воды
на энергосбережение
В ходе одного из недавних университетских исследований было произведено сравнение энергопотребления электрических и газовых водонагревателей с использованием жесткой воды и с использованием умягченной воды.
Газовые нагреватели, которые работали на жесткой воде, потребляли на 29,57% больше энергии (выраженной в БТЕ), чем газовые нагреватели, которые работали на умягченной воде.
Электронагреватели, которые работали на жесткой воде, потребляли на 21,68% больше энергии (в БТЕ), чем электронагреватели, которые работали на умягченной воде.
Для образования накипи совсем необязательно нагревать воду до высоких температур. Любое повышение температуры может вызвать появление известковой накипи.
Хотя в этом случае и не происходит никакой химической реакции, которая бы вызывала отложение сульфата кальция при нагревании воды, этот минерал жесткости довольно необычен, поскольку он хуже растворяется в горячей воде, чем в холодной.
Жесткая вода также может причинять неприятности промышленности. А во многих случаях из воды должна быть удалена не только жесткость, но и все минеральное содержимое. Минеральные отложения могут вызывать серьезные трудности в работе бойлеров, систем кондиционирования воздуха, систем охлаждения бензиновых и дизельных агрегатов.
Вода — это отличный растворитель. В уроке №1 мы рассмотрели, как различные загрязнители попадают в воду.
Когда влага при выпадении осадков проходит через атмосферу, она захватывает некоторое количество углекислого газа (СO2). Она также захватывает этот газ в почве от разлагающейся растительности. Поскольку углекислый газ — это продукт горения и разложения, он присутствует практически во всех источниках водоснабжения.
При растворении углекислого газа в воде, некоторое его количество образует слабую кислоту, называемую угольной кислотой.
Эта кислота отвечает за растворение известняковых или карбонатных отложений в земле. Она также вызывает определенные виды коррозии в водо- и паропроводах. Углекислый газ усиливает естественное растворяющее действие
воды, делая ее еще более эффективным растворителем минералов жесткости.
Минералы жесткости — кальций и магний встречаются в изобилии. Хотя их не находят в их элементной форме, они встречаются в соединениях с другими элементами в самых разнообразных формах. Среди наиболее распространенных кальциевых минералов — мел, известняк и мрамор. Эти вещества состоят, в основном, из карбоната кальция (СаСO3) или смеси карбонатов кальция и магния и других примесей. Гипс — это сульфат кальция (CaSO4). В этом соединении кальций связан с серой и кислородом.
Соль Эпсома (английская соль) — это сульфат магния (MgSO4).
В воде находят ионы следующих кальциевых и магниевых соединений:
карбонат кальция
бикарбонат кальция
сульфат кальция
хлорид кальция
карбонат магния
бикарбонат магния
сульфат магния
хлорид магния
Количество этих химических соединений в воде зависит от двух факторов:
1. Виды минералов, присутствующих в земле.
2. Их растворимость в воде, которая в свою очередь связана с концентрацией углекислого газа (СO2).
По шкале растворимости хлорид кальция, хлорид магния и сульфат магния являются чрезвычайно растворимыми. Их находят в воде почти в неограниченном количестве. Немного хуже растворяется сульфат кальция. На другом конце шкалы растворимости находятся карбонаты кальция и магния, которые очень
незначительно растворяются в чистой воде. Содержание этих двух последних соединений в воде редко превышает два и пять грейнов на галлон соответственно (34,2 и 85,5 мг/л). Из-за их низкой растворимости они редко встречаются в естественных водных источниках.
Хотя «нерастворимые» карбонаты и встречаются редко, их часто находят в жесткой воде в их чрезвычайно растворимой форме, в виде бикарбонатов кальция и магния. Когда вода, содержащая углекислый газ, контактирует с карбонатами кальция и магния в земле, происходит химическая реакция. «Нерастворимые» карбонатные формы магния и кальция преобразуются в хорошо растворимые бикарбонаты, являющиеся главными составляющими жесткости воды. Интересно заметить, что эти карбонатные формы существуют только в растворах. Если воду нагреть, бикарбонаты могут высвобождать углекислый газ и возвращаться в свою карбонатную или «нерастворимую» форму. По этой причине бикарбонатную жесткость часто называют временной жесткостью.
Жесткость, вызванная присутствием растворимых хлоридов и сульфатов кальция и магния, классифицируется как «постоянная», поскольку эти соединения невозможно удалить простым нагреванием.
Когда данные соединения растворяются в воде, высвобождаются их ионы.
Анализ воды — возможные комбинации
Представьте на минуту, что мы проводим анализ общего минерального содержания среднестатистической воды. Как мы увидим дальше, он составляет 9 грейнов минералов на галлон (153,9 мг/л). Это может быть артезианская вода, которую Чикаго, Детройт, Кливленд или любой другой американский город получает из Великих Озер.
Если построить диаграмму содержания минералов в воде, она будет выглядеть следующим образом.
Диаграмма концентрации минералов в воде
с общим содержанием минералов 9 грейнов
ПРИМЕЧАНИЕ. Анализ на содержание натрия непосредственно при анализе воды обычно не проводится. Его концентрация вычисляется как разница между суммой анионов и суммарной жесткостью.
Пояснение
Левый столбец графика представляет катионы или положительные ионы различных минералов в растворе.
Правый столбец представляет анионы или отрицательные ионы.
Необходимо помнить, что во всех соединениях сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов. То же касается и случая с анализом воды, поскольку в отчете об анализе просто значится сумма концентраций различных соединений.
В нашем примере положительные ионы распределены следующим образом:
5.0 gpg (85,5 мг/л) кальция, 2,5 gpg (42,75 мг/л) магния, 1,5 gpg (25,65 мг/л) натрия. В сумме — 9,0 gpg (153,9 мг/л). Компенсирующие отрицательные ионы:
7.0 gpg (119,7 мг/л) бикарбонатов, 1,0 gpg (17,1 мг/л) сульфатов и 1,0 gpg (17,1
мг/л) хлоридов.
Химик, который делает анализ этой 9-грейновой воды, может составить отчет о растворенных минералах так:
ВОЗМОЖНЫЕ КОМБИНАЦИИ
Эти возможные комбинации, показанные выше, являются одним из способов описания растворенных минералов в воде.
Конечно, все перечисленные соединения при растворении в воде распадутся на ионы. Поэтому в воде буду находиться ионы, а не полные соединения. Однако если бы химику понадобилось приготовить водный раствор с такими же химическими характеристиками, как проанализированный образец, он мог бы просто отвесить указанное количество соединений и растворить их в воде.
При расчете возможных комбинаций ионы объединяют в соответствии с повышением их растворимости. Поскольку соединения кальция обычно менее растворимы, чем другие соединения, кальций идет первым в списке катионов. За ним идет магний. Последний в списке — натрий или калий.
Подобным образом анионы размещаются в следующем порядке: гидроксиды, карбонаты, бикарбонаты, сульфаты, хлориды и нитраты.
Обратите внимание, что все соединения минералов жесткости, перечисленные выше, выражены в грейнах на галлон в эквиваленте карбоната кальция (СаСОэ).
Для того чтобы производить такие вычисления, концентрация ионов должна быть выражена так, чтобы их можно было складывать или вычитать непосредственно. Это как в случает с переводом дробей 1/3 и 1/4 в 4/12 и 3/12, когда эти дроби участвуют в сложении или вычитании.
Карбонат кальция имеет молекулярную массу около 100 (точнее, 100,089) и эквивалентный вес 50 (50,045). Возможно, это стало причиной того, что он был выбран в качестве базового соединения, поскольку это значительно упрощает вычисления.
Если говорится, что в воде содержатся невидимые минералы жесткости в количестве 10 грейнов на галлон (171 мг/л) в эквиваленте СаСO3, эта жесткость может быть вызвана карбонатами, бикарбонатами, сульфатами или хлоридами кальция или магния, а также любой комбинацией этих соединений. В любом случае, совокупная концентрация является химическим эквивалентом 10 грейнов на галлон карбоната кальция, и тогда все необходимые вычисления производятся довольно легко.
Жесткость в эквиваленте СаСO3 может быть определена, если известны данные химического анализа воды. Концентрация всех примесей, придающих воде жесткость, делится на эквивалентный вес соединения и умножается на эквивалентный вес СаСОэ. Вот несколько таких эквивалентных весов.
Формула определения эквивалентного веса любого соединения относительно карбоната кальция:
равно концентрации минерала в эквиваленте СаСO3.
Например:
Следы элементов или соединений обычно в таких вычислениях во внимание не принимаются. Железо, например, не будет учитываться, если только его содержание не будет очень высоким.
В нашем примере в первую очередь объединяют кальций и бикарбонаты. Затем остаток бикарбонатов объединяется с магнием. Баланс пока не достигнут, поэтому оставшийся магний комбинируют с частью присутствующих сульфатов. Остаток сульфатов и все хлориды выражаются в виде натриевых соединений.
(Сложение 5 грейнов Са++ в эквиваленте СаСO3 и 5 грейнов НСО3- в эквиваленте СаСO3 дает 5 (а не 10) грейнов Са(НСОэ)2 в эквиваленте СаСO3).
Таблица эквивалентных весов
| КАТИОНЫ |
|
| Алюминий |
8.994 |
| Аммоний |
18.0386 |
| Кальций |
20.040 |
| Водород |
1.00797 |
| Железо (II) |
27.924 |
| Железо (III) |
18.614 |
| Магний |
12.156 |
| Калий |
39.102 |
| Натрий |
22.9898 |
| АНИОНЫ |
|
| Гидроксид |
17.007 |
| Карбонат |
30.005 |
| Бикарбонат |
61.017 |
| Сульфат |
48.031 |
| Хлорид |
35.453 |
| Нитрат |
62.005 |
| Фосфат |
31.657 |
| Фторид |
18.998 |
| Сульфид |
16.032 |
| СОЕДИНЕНИЯ |
|
| Сульфат алюминия |
57.025 |
| Карбонат кальция |
50.045 |
| Бикарбонат кальция |
81.057 |
| Сульфат кальция |
68.071 |
| Хлорид кальция |
55.493 |
| Гидроксид кальция |
37.047 |
| Карбонат магния |
42.161 |
| Бикарбонат магния |
73.173 |
| Хлорид магния |
47.609 |
| Сульфат магния |
60.187 |
| Бикарбонат натрия |
84.007 |
| Карбонат натрия |
52.995 |
| Хлорид натрия |
58.443 |
| Сульфат натрия |
71.021 |
Как жесткая вода вызывает образование
мыльных хлопьев
Если вода жесткостью 7,5 грейна на галлон (128,25 мг/л) используется для стирки, положительные ионы кальция и магния реагируют с мылом и образуют нерастворимые мыльные хлопья. Изобразим это с помощью блоков:
Эти нерастворимые хлопья и вызывают образование полос на ванне, а также придают одежде недостиранный и выцветший вид.
Если такая вода поступает в дом или на производство и здесь нагревается или кипятится, бикарбонат-ионы преобразуются в карбонат-ионы, которые затем соединяются с кальцием и магнием и образуют накипь на стенках резервуара или в водопроводе.
Ученые, работающие над проблемой удаления минералов жесткости из воды, направили свое внимание на первопричину этой проблемы с целью найти ее решение.
Они предположили, что если в качестве замены для ионов кальция и магния в воду добавить ионы, которые не вызывают жесткости, воду можно сделать полностью мягкой и пригодной для употребления. Результатом их работы стал процесс ионного обмена, используемый для умягчения жесткой воды.
Принцип ионного обмена
Идея ионного обмена не нова. Ученые знают о нем уже достаточно давно. Однако только в начале этого века этот принцип стали применять на практике. Одной из сфер, в которой он используется очень эффективно, это водоподготовка с целью удаления из воды минералов жесткости и некоторых других загрязнителей.
Оборудование для умягчения воды известных производителей, которое присутствует сегодня на рынке, использует принцип ионного обмена. В оборудовании, в котором используется данный принцип, имеется постоянный слой умягчающего материала в виде зернышек или гранул, через который течет вода.
Когда вода протекает через слой ионообменного материала, из нее удаляются минералы жесткости. Вода при этом делается мягкой и более приемлемой для домашнего использования.
Слой. Когда говорят о гранулах или частицах ионообменного материала в умягчителе, их называют слоем.
Ионообменный материал (обычно зернышки или гранулы смолы) состоит из незамещаемых нерастворимых анионов, электрическая нейтральность которых обеспечивается с помощью замещаемых катионов натрия. Жесткая вода, загрязненная ионами кальция и магния, поступает в ионообменную колонну или слой. По мере ее протекания через этот слой катионы магния и кальция из воды притягиваются к анионам ионообменника. Ионообменник имеет большее химическое сродство с ионами кальция и магния, чем с ионами натрия. Поэтому ионы кальция и магния поглощаются, а химически эквивалентное количество
ионов натрия высвобождается в воду. Таким образом, вода, содержащая ионы бикарбоната кальция на входе ионообменного слоя, на выходе из него будет содержать ионы бикарбоната натрия. То есть, безвредные ионы натрия заменили проблемные ионы жесткости.
В процессе умягчения воды ионный обмен между материалом в ионообменной колонне и минералами в воде происходит буквально миллиард раз. В уроке №3 с помощью блоков мы проиллюстрировали некоторые основные химические взаимоотношения.
Бикарбонаты изображались следующим образом:
Или более сжато:
Кальций изображается так:
Бикарбонат кальция так:
Умягчение воды
Ниже изображен химический обмен, происходящий, когда бикарбонат кальция в растворе проходит через ионообменный материал в умягчителе.
После того, как огромное количество ионов жесткости оказалось присоединенным к умягчительному материалу посредством взаимного притяжения положительных и отрицательных зарядов, а большинство ионов натрия было высвобождено, устройство больше не способно умягчать воду. Оно становится
временно неработоспособным.
На практике, после этого в материале умягчителя еще остается небольшое количество ионов натрия. Если все оставить как есть, входящие ионы бикарбоната кальция через устройство пройдут нетронутыми.
Для упрощения схемы мы изобразили только один из ионов жесткости. На самом деле в воде из большинства источников содержится несколько различных ионов жесткости. Процесс их удаления из воды будет таким же.
1. Ионы кальция в воде поступают в ионообменную колонну, в которой вода проходит через слой умягчающего материала.
2. Умягчающий материал состоит из постоянных, незамещаемых анионов. К ним химически присоединены мобильные, замещаемые катионы натрия.
3. Поскольку анионы умягчающего материала имеют большее сродство с ионами кальция, чем с ионами натрия, он (умягчающий материал) притягивает их. При этом ионы кальция «выбивают» ионы натрия из ионообменного материала. По мере продолжения этого процесса ионообменный или умягчающий материал
насыщается ионами кальция. Обратите внимание, что на каждый ион кальция, поглощенный умягчителем, приходится два высвобожденных иона натрия.
4. Вода, которая на входе в умягчитель содержит ионы кальция, на выходе будет иметь эквивалентное количество ионов натрия.
5. После того, как через умягчитель пройдет определенное количество воды, ионы кальция заменять почти все ионы натрия в умягчителе. Считается, что ресурс умягчителя выработан, и он требует регенерации.
6. Теперь в устройство необходимо обратным потоком подать рассол (концентрированный раствор хлорида натрия). Примечание: для перезарядки умягчителя необходим концентрированный раствор регенерирующего вещества, чтобы удалить накопленные ионы кальция из умягчающего материала.
7. Умягчающая смола перезаряжена ионами натрия.
8. Ионы кальция и излишки рассола вымываются. По завершении процесса умягчитель снова заряжен ионами натрия и готов к умягчению воды.
Перезарядка или регенерация
Теперь необходима перезарядка или регенерация. Для этого запускается процесс обратного ионного обмена, в ходе которого ионообменное вещество подвергается воздействию концентрированного раствора исходного вида катионов. Для того чтобы преодолеть сродство вещества ионообменника с ионами
жесткости, необходимо использовать относительно крепкий раствор ионов натрия. В основном, для этого используется концентрированный раствор хлорида натрия. Уравновешивающие силы вытягивают натрий из концентрированного раствора и заменяют и уравновешивают их соответствующей концентрацией
ионов жесткости, которые находились на ионообменной смоле. Во всех примерах ионного обмена происходит замещение или равновесный обмен ионами.
Ионы кальция в процессе умягчения не разрушаются. Они попросту заменяются в воде на химически эквивалентное количество ионов натрия. Такой же равновесный обмен происходит с любыми другими минералами жесткости при их удалении из воды.
Бытовые умягчители
Большинство производителей выпускают умягчители воды двух основных типов — автоматические и модели с регенерацией по объему. Эти термины определены в «Рекомендованных отраслевых стандартах для умягчителей воды» (S-100), опубликованных Ассоциацией по качеству воды.
Автоматические умягчители, как правило, оборудованы таймером, который автоматически запускает каждый шаг процесса регенерации. Регенерация устройства обычно выполняется ночью, когда потребление воды минимально.
В моделях с регенерацией по объему все операции, включая шунтирование (жесткой или умягченной воды, в зависимости от конструкции) и возврат в эксплуатацию запускаются и выполняются автоматически в зависимости от потребления умягченной воды. При этом запасы соли должны быть достаточны
для многократной регенерации.
Соль для регенерации может загружаться в умягчитель несколькими способами в зависимости от типа оборудования. В некоторых умягчителях соль загружается прямо в устройство через отверстие в верхней части корпуса в определенное время в процессе регенерации.
В других устройствах рассол может храниться в отдельном закрытом резервуаре. При необходимости рассол принудительно подается в умягчитель под давлением пресной воды. Самым распространенным методом подачи рассола в современных умягчителях является следующий: рассол хранится в безнапорном
контейнере и втягивается в умягчитель всасыванием с целью подачи нужного количества рассола в емкость со смолой.
Умягчители воды классифицируются по производительности, измеряемой в грейнах. Производительность — это способность устройства удалить установленное количество грейнов жесткости из поступающей воды. Производительность умягчителя зависит от количества ионообменного материала в нем, количества соли для регенерации, а также конструкционных особенностей, таких как скорость регенерационного потока.
Ионообменный процесс, как мы его рассматривали до этого момента, должен отвечать потребностям в подготовке полностью умягченной воды для домашнего потребления.
Промышленности, в свою очередь, часто нужна вода, полностью свободная от минеральных загрязнителей. По этой причине, процесс водоподготовки продолжается дальше, по сравнению с водоподготовкой для бытовых целей.
Деионизация
Процесс, в ходе которого из воды удаляются все растворенные соли, называется деионизацией или деминерализацией. Для осуществления деионизации необходимо, чтобы вода протекала через два ионообменных вещества с целью удаления всех солей.
Деионизация. Термины деминерализация и деионизация используются специалистами по водоподготовке в некоторой степени взаимозаменяемо. В то время как термин деминерализация в целом более распространен, более уместный является термин деионизация.
При прохождении воды через первый ионообменник удаляются ионы кальция и магния, как при обычном процессе умягчения. В отличие от бытового оборудования, приборы для деионизации также удаляют все прочие положительные ионы металлов и заменяют их на ионы водорода, а не натрия.
Поскольку ионы металлов, содержащиеся в воде, присоединяются к ионообменному материалу, он высвобождает свои ионы водорода на химически эквивалентной основе. Ион натрия (Na+) вытесняет из ионообменника один ион водорода (Н+); ион кальция (Са++) вытесняет два иона водорода; ион трехвалентного железа (Fe+++) вытесняет три иона водорода и т.д. (Вспомните, что в бытовых умягчителях также высвобождаются два иона натрия на каждый притягиваемый ион кальция или магния).
Такой обмен ионов водорода на ионы металлов на эквивалентной основе является химической необходимостью, которая позволяет ионообменному материалу поддерживать равновесие электрических зарядов.
Теперь из-за относительно высокой концентрации ионов водорода, раствор становится очень кислым.
На этом этапе процесс деионизации закончен только наполовину. Положительные ионы металлов удалены, но теперь вода содержит положительные ионы водорода и анионы, которые первоначально содержались в неподготовленной воде.
Частично подготовленная вода теперь проходит через второй блок, на этот раз содержащий нионообменный материал. Он обычно состоит из замещаемых анионов гидроксила и постоянных незамещаемых катионов.
Отрицательные ионы в растворе (анионы) поглощаются анионообменным материалом. Вместо них высвобождаются анионы гидроксила.
На выходе этой двухсоставной системы получается вода, не содержащая ионов. В ней все еще имеются положительные ионы водорода и отрицательные ионы гидроксила, высвобожденные в процессе второго обмена.
Что получается из этих двух ионов? Магия химии их соединяет (положительные и отрицательные) и вырабатывает молекулы воды (НОН или Н2O), которые совсем не отличаются от воды, в которой они образовались.
Результатом этого двухступенчатого ионообменного процесса является вода, не содержащая минералов.
Оборудование, используемое в процессе деионизации, может быть нескольких типов. Имеются многослойные и однослойные устройства. Многослойные устройства оборудованы парами баков — один для катионного обмена, второй — для анионного. Однослойные устройства объединяют катионный и анионный
ионообменники в одном баке.
Деионизированная вода используется в промышленности по-разному. Химическое производство, фармацевтика, гальваническое производство, микроэлектроника, производство компьютерных чипов, турбины для электростанций и производство кожаных изделий — это только некоторые из отраслей,
в которых используется деионизированная вода.
Производство деминерализированной воды путем многократной дистилляции не так эффективно. Практика подтвердила, что оно чрезвычайно сложное и требует сложного и дорогостоящего оборудования.
Умягчение воды известью
и кальцинированной содой
Умягчение воды известью и кальцинированной содой предусматривает добавление гашеной извести [Ca(OH)2] в жесткую воду для удаления карбонатной жесткости путем осаждения и последующей фильтрации осадка. Некарбонатная жесткость, в свою очередь, уменьшается путем добавления кальцинированной соды (Na2CO3) для формирования нерастворимого осадка, который также удаляется фильтрацией.
Данный метод иногда используется коммунальными водоканалами для уменьшения содержания в воде кальция и магния. Это достаточно эффективный метод уменьшения жесткости, однако он не позволяет полностью удалить все минералы.
Часто если неподготовленная вода в городе имеет жесткость от 35 до 40 грейнов на галлон (599-684 мг/л), местный водоканал может использовать процесс умягчения воды известью и кальцинированной содой, что позволит уменьшить жесткость до 5-10 грейнов на галлон (86-171 мг/л).
Этот метод особенно эффективен, если вода содержит бикарбонатную (временную) жесткость. Там, где кальций и магний содержится в форме хлоридов или сульфатов, такая обработка заметно менее эффективна.
Гашеная известь используется для удаления бикарбоната кальция из воды. Ионы гашеной извести реагируют с бикарбонатом кальция и производят малорастворимый карбонат кальция. Этот осадок обычно удаляется отстаиванием и последующей фильтрацией.
ПРИМЕЧАНИЕ. Стрелка вниз обозначает образование нерастворимого соединения.
Для удаления магния используется дополнительное количество извести. В этом случае происходит такая реакция:
На данном этапе происходит замена магния кальцием. Если после этого в воду подать кальцинированную соду, кальций осядет в виде карбоната кальция:
Вообще, вариантов под данным заголовком может быть много. Однако, их обсуждение не столь важно для нашего курса.
Умягчение воды известью и кальцинированной содой становится чрезвычайно дорогостоящим, если жесткость необходимо снизить до уровня менее 5 грейнов (85,5 мг/л). На местном уровне попытки полного удаления жесткости предпринимаются редко, поскольку менее 50% воды в населенном пункте используется для бытового потребления. Использование кальцинированной соды для уменьшения некарбонатной жесткости повышает уровень содержания натрия в сточных водах в тех же пропорциях, как и при ионообменном умягчении.
Для индивидуальных бытовых потребностей умягчение воды известью и кальцинированной содой является непрактичным. С одной стороны, имеются трудности в подаче извести и кальцинированной соды в домашних условиях. Кроме того, требуется строгий контроль процесса отстаивания и фильтрации.
Еще одним сдерживающим фактором для домашнего использования данного процесса является размеры необходимого оборудования и большое количество вырабатываемого известкового шлама.
Неполный перечень видов коммерческих и промышленных предприятий, использующих умягченную воду для различных операций
Адгезивные материалы: производство
Автомобильная промышленность
Алюминий: производство
Атомные электростанции
Больницы
Взрывчатые вещества: производство
Водоканалы: коммунальные и частные
Военно-морской флот: корабли, авиабазы, лагеря, госпитали и т.д.
Неполный перечень видов коммерческих и промышленных предприятий, использующих умягченную воду для различных операций (продолжение)
Вооружение и боеприпасы: производство
Газовое оборудование: электростанции, насосные станции и т.д.
Гидрирование
Гипсовые изделия: производство
Гостиницы s
Дезинфицирующие средства: производство
Деревообрабатывающее производство
Джемы, желе и пектин: производство
Джут: производство Дома престарелых и инвалидов
Железнодорожный транспорт: электрический, дизельный
Железо: шахты, заводы, литейное производство и т.д.
Здания: общественные, частные, офисы и т.д.
Инсектициды: производство
Инструментальное производство
Ионный обмен
Карьеры
Клей: производство
Клиники и врачебные кабинеты
Ковроткацкие фабрики
Кожа: кожевенные фабрики и производители изделий из кожи
Дубильные заводы
Корабли
Косметика: производство
Лаборатории разные
Лакокрасочные заводы
Лед: производство
Локомотивостроительные заводы
Неполный перечень видов коммерческих и промышленных предприятий, использующих умягченную воду для различных операций (продолжение)
Льноперерабатывающие фабрики
Машиностроительные заводы и механические мастерские
Мерсеризация
Молокозаводы
Мотели
Муниципальные предприятия: водоканалы, энергогенерирующие предприятия и т.д.
Мыловаренные заводы
Насосные станции
Нефтяные скважины: бурение, заводнение, поддержание пластового давления и т.д.
Никель: рафинирование и производство
Общественное питание
Одеяла: производство
Оптическое оборудование: производство
Очистные сооружения
Парикмахерские и салоны красоты
Пищевая промышленность
Плавательные бассейны
Прачечные
Пряжа: производство
Разливочные предприятия
Рентгеновское оборудование: производство
Рестораны
Рыболовецкие предприятия
Синтетические моющие средства: производство
Спиртзаводы
Сталелитейные заводы
Неполный перечень видов коммерческих и промышленных предприятий, использующих умягченную воду для различных операций (продолжение)
Станции техобслуживания
Стекольная промышленность
Стиральные машины: производство
Текстильная промышленность
Трикотажные фабрики
Трубопроводный транспорт
Уран: рафинирование
Учреждения
Фармацевтическая промышленность
Фильтрационные станции
Фотографическое оборудование: производство
Химические заводы всех видов
Хлопок: фабрики, отбеливание, прядильное оборудование и т.д.
Холодильные установки
Целлюлозно-бумажные фабрики
Часы: производство
Чернила: производство
Электростанции
Электрохимические заводы
Эмалирование
