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.