Современные методы умягчения воды

Вода в естественном состоянии

В природе вода никогда не является химически чистым веществом: проходя сквозь толщу грунта и различных горных пород, каждая дождевая капля растворяет какое-то количество различных веществ. Соединяясь в ручьи и реки, потоки воды ежегодно вымывают из почвы и вносят в Мировой океан около 3265 миллионов тонн растворенных соединений. Общее количество минеральных солей, находящихся в составе морской, океанической и речной воды таково, что если бы их можно было оттуда извлечь на поверхность суши, толщина слоя составила бы 130 метров.

В состав обычной речной или ручьевой воды обязательно входит множество примесей. Это не только минеральные соли, но и органика, газы и даже микроорганизмы. Помимо того, вода, набираемая из природного источника, обычно содержит мелкие нерастворимые частицы песка, глины, фрагменты остатков растений. От всех этих включений при использовании воды для питья, хозяйственных и промышленных нужд необходимо избавляться.

Жесткость воды, ее виды и единицы измерения

От количества растворенных в воде солей магния и кальция напрямую зависит ее жесткость. Это один из наиболее значимых показателей качества воды, определяющий пригодность ее использования для питья и в других целях. Для измерения жесткости принята специальная единица - один миллиграмм-эквивалент на литр, сокращенно обозначаемая как мг-экв/л. При этом вода, жесткость которой равна 1 мг-экв, в одном литре содержит 20,04 миллиграмма солей кальция или 12,16 миллиграмма солей магния.

Различают следующие виды жесткости воды:

• карбонатную, или временную
• некарбонатную, или постоянную
• общую.

Карбонатная жесткость воды может быть умягчена обычным кипячением. При этом бикарбонаты магния и кальция, которые создают эту жесткость, выпадают в осадок в виде мелового порошка, оседающего на дно емкости.
Ca (HCO3) 2 = CaCO3 + H2O + CO2
Чтобы очистить воду, ее после кипячения необходимо просто профильтровать.

Для воды, имеющей только некарбонатную жесткость, обусловленную наличием сульфатов, хлоридов и других растворимых соединений, кипячение не подходит – эти соли будут выпадать в осадок только при достижении пересыщения раствора посредством выпаривания воды.

Общая жесткость воды определяется наличием всех без исключения солей магния и кальция.Она определяется концентрацией этих солей в одном литре:

• до 3 мг-экв/л – мягкая
• от 3 до 6 мг-экв/л – средней жесткости
• более 6 мг-экв/л – жесткая вода.

В каждом регионе вода имеет свою жесткость, в зависимости от горных пород, входящих в состав грунтов. В качестве примера можно сравнить жесткость воды в различных водных источниках:

• Ладожское озеро – жесткость воды составляет 0,6 мг-экв/л
• Нева - жесткость воды 0,7 мг-экв/л
• Амур - жесткость воды 2,9 мг-экв/л
• Дон - жесткость воды 7,0 мг-экв/л
• Днестр - жесткость воды 5,7 мг-экв/л
• Балтийское море – жесткость воды 13,9 мг-экв/л
• Черное море – жесткость 46 мг-экв/л
• Каспийское море – жесткость 74,0 мг-экв/л

Исследования жесткости включают также температурные и органолептические показатели воды (цвет, вкус, запах, степень прозрачности, наличие помутнения или осадка). Кроме того, учитываются изменения, происходящие при длительном хранении, концентрацию растворенного СО2, а также кислая и щелочная реакция (лакмусовая проба).

Методы умягчения

Качество воды и водоподготовка (приведение воды к стандартным показателям)

Качество водопроводной воды имеет, без преувеличения, жизненно важное значение для людей, которые ее используют. По данным Всемирной организации здравоохранения, около полумиллиарда человек в мире ежегодно заболевают из-за отсутствия доступа к чистой, пригодной для питья воде. Поэтому проблема водоподготовки в современном обществе стоит предельно остро, ведь от нее зависит в буквальном смысле жизнь и здоровье миллионов людей.

Прежде чем попасть в водопроводную систему, вода проходит несколько ступеней очистки, освобождаясь вначале от крупных, затем и мелких включений, микроскопических частиц ила и даже микроорганизмов. Если вода имеет слишком высокий показатель жесткости, ее обязательно умягчают, приводя содержание солей магния и кальция к нормативному показателю.

Снижение карбонатной жесткости

Карбонатная жесткость снижается путем добавления в воду гидроксида кальция Ca(OH)2. Количество добавки рассчитывается согласно данным химического анализа воды, показывающим содержание в ней бикарбонатов, и объема умягчаемой воды, чтобы в процессе реакции бикарбонаты без остатка превратились в карбонаты и выпали в осадок.
Ca (HCO3)2 + Ca (OH)2 = 2CaCO3↓+ 2H2O

Снижение некарбонатной жесткости

Некарбонатная жесткость снижается добавлением в воду обычной питьевой соды. В результате образуется карбонат кальция, т.е. обычный мел, и сульфат натрия, осаждаемый при понижении температуры.
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4
Прежде чем использовать такую воду, ее вначале отстаивают для полного выпадения осадка. В основном умягченная вода этого типа используется как техническая в промышленных целях.

Другие методы умягчения воды

Для электростанций, котельных и других промышленных объектов воду умягчают с помощью термохимического метода, включающего нагревание и добавление извести, соды, фосфатов и других реагентов. Нагрев обеспечивает скорость реакции, кроме того, умягчение протекает более эффективно. Выпавший в итоге осадок отфильтровывается обычным способом.

Все более распространенным становится сегодня использование ионообменных материалов (ионитов). Они изготавливаются в виде некрупных гранул, нерастворимых в воде, и чаще всего представляют собой синтетические смолы, обладающие свойством стимулировать ионообменные процессы с растворенными в воде веществами. В результате вода теряет способность образовывать накипь, так как солей, обуславливающих жесткость, в ней практически не остается. Иониты бвыают двух типов:

• катиониты, образующие положительно заряженные ионы
• анониты, образующие отрицательно заряженные ионы.

Благодаря ионитам сегодня удалось решать многие проблемы водоподготовки, даже такую сложную как опреснение морской воды. Ее последовательно пропускают через две ректификационные колонны: вначале с катионитами, затем с анионитами. Окончательная ступень водоподготовки – буферный фильтр. После такой обработки вода по своим показателям практически не уступает дистилляту, снижая жесткость до минимального уровня. Примечательно, что ионообменные свойства ионитов легко восстанавливаются промыванием катионитов – раствором кислоты, а анионитов – раствором щелочи.

Открытие ионитов и работы в направлении опреснения морской воды имеют огромнейшее значение для человечества, которое в ряде регионов уже сегодня страдает от нехватки воды.