Как происходит процесс умягчения воды

10 марта 2020

Пожалуй, самый сложный процесс водоподготовки в бытовой сфере это умягчение воды. Ведь жёсткость не отфильтровать и не адсорбировать. Её нужно либо замещать, либо нейтрализовать... Однако, о методах умягчения воды в этой статье мы не будем повествовать. Их не так много, для этого будет отдельная тема. Сейчас же давайте поговорим об основном и самом главном процессе умягчения воды, на котором основаны все умягчители воды - ионном обмене!

Процесс умягчения воды подразумевает участие молекулы Ca(HCO3)2, которая проходит сквозь слой смолы, содержащий ионы натрия (Na+). В результате происходит замещение двумя ионами натрия, двухионной молекулы кальция (Са++), которая содержится в воде.

Формула ионного обмена

Формула в данном случае будет иметь следующий вид: Ca(HCO3)2 + 2Na+, где:

2Na+ - две молекулы натрия, переходящие из смолы в воду;
Са2+ - одна молекула двухионного кальция, переходящая из воды в смолу.

После такого замещения, вместо одной молекулы Ca(HCO3)2 образуется две молекулы NaHCO3. Молекулярный вес новообразовавшегося состава – 168 мг., что на 7 мг. тяжелее изначально имеющейся в воде молекулы Ca(HCO3)2, вес которой 161 мг.

Также это приводит к повышению щелочности воды примерно на 4,4%.

Во время восстановления, происходит промывка смолы 8-12 процентным раствором NaCl (пищевая соль) либо KCl (сильвинид). Когда раствор пищевой соли проходит через слои смолы происходит ионный обмен. Ионы Са2+, содержащиеся в смоле выталкиваются ионами Na+. Свободные ионы Са2+ связываются с двумя анионами Cl, в результате образуется молекула CaCl2, которая смывается в канализационный сток.

Особенность умягчения воды катионами натрия заключается в том, что этот процесс не приводит к изменению общей концентрации бикарбонатных ионов. Просто гидрокарбонаты кальция и магния, замещаются гидрокарбонатами натрия. При этом повышается содержание соли в воде, но в незначительной степени. Причиной здесь служит процесс замещения одного иона магния либо кальция, двумя ионами натрия, общая атомная масса которых несколько больше.

Реакция катионозамещения натрием

Реакции представлены следующей формулой:

Ca(HCO3)2 -> осадок CaCO3 + углекислый газ CO2 + молекула воды H2O

Процесс I-го типа:

Mg(HCO3) -> MgCO3 + углекислый газ CO2 + молекула воды H2O

Процесс II-го типа:

MgCO3 + H2O -> осадок Mg(OH)2 + углекислый газ CO2

Также разложению могут способствовать лимонная, уксусная, молочная и тому подобные органические кислоты.

NaНСО3 + Н+ --> углекислый газ СО2 + молекулы воды Н2О + ионы натрия Na+

Обычно после натриевых катионитовых фильтров у воды повышается щелочность (рН>7), а после водородных катионитовых фильтров – кислотность (рН<7).

Чтобы снизить остаточную щелочность воды достаточно использовать метод водродно-натриевого катионирования.

Смолы, умягчители воды

Purolite с100е в форме Na+ - сильнокислотная катинообенная смола, представленная в виде гранул. Она разработана специально для очистки воды, различных напитков и пищевых продуктов. Часто используется в приготовлении еды.
Lewatit S1567 в форме Na+ - сильнокислотная гелеобразная катинообенная смола, в основе которой имеются сополимеры стирола-дивинилбензола.
Dowex HCR-S в форме Na+ - сильнокислотная гелеобразная катинообенная смола, в основе которой имеются сополимеры стирола-дивинилбензола.
Катилакс soft— отечественная катионообменная смола для умягчения воды питьевого назначения. Сильнокислотная гелеобразная катинообенная смола в Na+ форме, в основе которой имеются сополимеры стирола-дивинилбензола.

Условия использования смол-смягчителей для воды

отсутствие в воде сероводорода и трехвалентного железа, а также кислорода (в случае удаления железа смолой);
цветность воды – > 30 градусов;
количество содержания извести в воде – > 8 мг/л;
перманганатная окисляемость воды – > 5 мгО2/л;
наличие коллоидного и органического железа влияет на снижение емкости смолы;
предельно допустимая концентрация хлора - 0,1 мг/л.

Три технологии обработки питьевой воды

Система Швебебетт – прохождение процесса регенерации сверху-вниз, а сервиса - снизу-вверх.
Противоточная – прохождение регенерации в направлении снизу-вверх, сервиса – сверху-вниз.
Прямоточная – прохождение сервиса и регенерации через слой в одном направлении (сверху-вниз).

Интересные факты об умягчении воды:

норма жесткости питьевой воды – 3-4 мг*экв/л.;
оценка воды может проходить по удельной электропроводимости либо по удельному сопротивлению;
очень мягкая вода из крана при выходе мутнеет. Чтобы она стала бесцветной, её необходимо настоять на воздухе небольшой промежуток времени;
общая щелочность воды определяется исходя из общего состава содержащихся в ней карбонатов, боратов, гидрокарбонатов, гидрооксидов, фосфатов и силикатов;
мягкая вода становится агрессивной при взаимодействии со свободным углекислым газом СО2;
ионообменные смолы рассчитаны на 700 циклов регенерации;
кислотность воды определяется степенью содержащихся в ней ионов водорода;
водородный показатель и щелочность воды повышаются за счет уровня гидрокарбоната кальция;
карбонатную жесткость воды можно снизить путем известкования;
уровень взвешенных веществ в котловой воде не должен превышать 1гр/л, оптимально, чтобы этот показатель составлял 450-700 мг/л.;
смола может удалять не только ионы железа, но также нитраты, нитриты, марганец, органику и тяжелые металлы.