Степень удаления жесткости

С помощью катионного обмена можно получить воду различной степени умягчения. Неполное удаление жесткости на катионите называется «проскоком жесткости». Под этим имеется в виду, количество ионов кальция и магния, определяющих жесткость, которые остались в воде после ее прохождения через слой катионита. Для домашних условий показатели общей жесткости для умягченной воды должны быть не более 17,1 мг/л (0,36 мг-экв/л) или 1 грейнана галлон (таблица 5-1). Общая жесткость представляет собой сумму концентраций ионов кальция и магния. Существует быстрый и простой способ, с помощью которого можно проверить умягчена ли вода до нужной степени. Для этого под струю умягченной воды нужно поставить кусок мягкого желтого мыла. Если на мыле будут образовываться и удерживаться мыльные пузыри, воду можно считать умягченной качественно. Для коммерческих масштабов - прачечных или бойлерных - степень умягчения воды рассматривается не только с точки зрения экономичности процесса, но и его безопасности для работы оборудования. Общий допустимый «проскок жесткости» для котельных должен быть не выше 10 мг/л.

Степень возможного умягчения воды зависит от концентрации и состава катионов в исходной воде и количества соли, используемой для регенерации одного литра катионита. В таблице 5-2 приводятся сравнительные данные между соотношением общего содержания катионов к дозируемому количеству соли и ожидаемому уровню «проскока жесткости» (23). Для повышения эффективности умягчения и снижения вероятности проскока жесткости можно использовать последовательно два умягчителя. Второй, так называемый кондиционирующий умягчитель, может содержать меньший, по сравнению с первым, слой смолы, который и будет удалять остаточные следы жесткости.

Таблица 5-2

Средние показатели «проскока жесткости» для типичного однокорпусного прямоточного* умягчителя. Общее содержание катионов как мг/л СаСO₃. Дозирование соли

Общее содержание катионов (мг/л)	200	400	800	1200	1600
NaCI фунт/ куб. фут	NaCI г/л	Средние показатели «проскока жесткости» мг/л
4	50	6	10	27	50	75
6	75	3	5	12	20	33
9	112	<1	1	2	6	12
15	190	<0.1	0.1	0.2	2	2

Вышеуказанные данные получены в результате лабораторных исследований одностадийного умягчения.

Двойная противоточная система дает более низкий проскок жесткости. Во время регенерации солевой раствор проходит вначале сквозь второй умягчитель, а затем сквозь первый, в связи с чем, достигается высочайшая степень регенерации смолы второго умягчителя и снижение до минимума остаточной жесткости. Например, двухстадийная система умягчения может снижать жесткость с 2000 мг/л до 1 мг/л при использовании соли для регенерации первой стадии в количестве 15 фунтов на кубический фут смолы (190 г/л) (25).

Еще одним фактором, влияющим на проскок жесткости, является глубина слоя катионита. Оптимальным считается слой смолы 61 см. Однако для воды с крайне высокой жесткостью для получения хороших результатов рекомендовано использовать слой толщиной 91 см.

«Упакованный слой» и мелкозернистые смолы для умягчения

Для соблюдения условий экономии воды в некоторых штатах бытовые и коммерческие умягчители сконструированы таким образом, чтобы максимально уменьшить количество воды, расходуемое на один цикл регенерации. Такие умягчители характеризуются следующими чертами:

Полностью упакованный слой (в корпусе) катионита.

• Мелкозернистая смола.

• Небольшой диаметр корпуса для достижения лучшего распределения потоков воды и солевого раствора.

• Небольшая высота слоя 38-46 см, вместо обычного 61 см.

• Противоточная регенерация.

Эти характеристики умягчителя, а также использование контроллера для управления процессом регенерации позволяют значительно повысить эффективность процесса регенерации. Отсутствие зоны «свежей воды» позволяет удлинить стадии промывки и, таким образом, провести процесс регенерации малой системы умягчения с помощью всего 34 литров воды. В больших системах для регенерации двух кубических футов (56,6 л) смолы можно использовать до 151 литра воды. Использование систем умягчения с упакованным слоем смолы позволяет сэкономить от 30 до 75% воды по сравнению с традиционными умягчителями. Единственным условием нормального функционирования умягчителей с упакованным слоем является использование префильтрации даже для муниципальных систем водоснабжения, что позволяет предотвратить попадание грязи, осадков и мутности в слой катионита. Небольшие системы умягчения с упакованным слоем позволяют удалять 4 и более грейнов жесткости на 1 фунт соли при достаточно низком уровне проскока жесткости и при исходной жесткости 30 грейнов на галлон воды (10,8 мг-экв/л).

В таблице 5-3 представлены данные по эффективности систем умягчения с упакованным слоем при использовании стандартного и мелкозернистого катионита. Из таблицы видно, что использование мелкозернистых катионитов повышает эффективность системы на 8-9%, уровень соли при этом - 2.3 - 6.8 кг.

Мелкозернистые смолы обладают большей суммарной контактной поверхностью, за счет чего повышается их емкость в расчете на единицу объема и соответственно скорость процессов умягчения и регенерации. Наличие большего количества «точек обмена» приводит к тому, что требуется значительно меньшее количество воды и солевого раствора для их нахождения.

Хотя мелкозернистые смолы создают большее падение давления, чем обыч-
ные смолы, его влиянием на общее давление в умягчителе можно пренебречь. За падение давления в бытовых системах умягчения в основном ответственны дизайн управляющих клапанов и распределительных систем, а не ионообменный слой сам по себе. Все бытовые ионообменные системы умягчения воды высокого класса сертифицированы в системе S-100 стандарта.

Таблица 5-3

Сравнение эффективности при процессах умягчения ионообменных смол различной зернистости 20-50 и 30-70 (26)

	«А» 30-70	«В» 20-50
Концентрация NaCI г/л	Емкость в кг	Емкость в кг	% преимущество «А» над «В»
32	9.6	9.3	+3.3
48	14.9	14.3	+4.0
80	23.9	22.2	+8.0
120	29.8	27.8	+7.8
160	31.5	29.0	+8.6
240	34.0	31.3	+9.0
400	39.2	35.6	+ 10.0

«А» и «В» - смолы стирольного типа со степенью сшивки 8%.

Условия: глубина слоя - 61 см, расширение слоя 2-3%, прямоток, регенерация- противоток -1.9 л/мин

Эффективность работы систем умягчения

Для достижения наибольшей эффективности системы выполняйте такие рекомендации:

• Используйте только соль высокого качества без загрязнений с высоким содержанием хлорида натрия.

• Для поддержания активного состояния слоя смолы регулярно проводите регенерацию, избыток регенерации не повредит.

• Изолируйте взвешенные вещества от слоя смолы и всегда, когда необходимо, проводите префильтрацию исходной воды. Часто для этих целей вполне подходят фильтры со сменными картриджами.

• Строго соблюдайте требования, предъявляемые производителем к промывке после регенерации. Применение в коммерческих системах сокращенных моделей работы системы и укороченных сточных линий может мешать эффективной работе системы и приводить к образованию нежелательных каналов внутри слоя смолы.

• При необходимости должны использоваться специальные очистители для смолы, которые помогут предотвратить слипание гранул смолы или образование металлического слоя на их поверхности, что, в свою очередь, может препятствовать ее (смолы) нормальному функционированию.

• Остерегайтесь химических соединений, добавляемых в источники муниципального водоснабжения. Избыток алюминия, например, может покрывать гранулы смолы, препятствуя их нормальной работе и приводя к 50% снижению эффективности системы. Существуют специальные очистители, легко очищающие гранулы смолы от алюминия и восстанавливающие до 80% и более эффективность умягчителя.

• Длительное воздействие окисляющих агентов, таких как перекись водорода, хлор или озон приводит к нарушению физического единства гранул ионообменной смолы. Использование гранулированных активированных углей перед умягчителем позволяет значительно снизить уровень хлора в воде и продлить жизнь ионообменной смоле.

• Если уровень окисляющих агентов в источниках водоснабжения нельзя снизить до приемлемого уровня, в качестве умягчителя следует использовать дивинилбензольные смолы со степенью сшивки 10% (27).