Способы умягчения воды

Для улучшения качества воды проводят специальные мероприятия для уменьшения ее жесткости (умягчение воды).

Термоумягчение. Метод основан на кипячении воды, поскольку при нагревании растворимые гидрокарбонаты переходят в плохо растворимые карбонаты и выпадают в осадок (накинь):

Гидрокарбонаты магния образуют при кипячении гидроксокарбонаты:

Поэтому в составе накипи появляются гидроксокарбонаты магния Mg₂(0H)₂C0₃.

Химическая обработка воды (реагентный способ). В качестве химических реагентов для умягчения воды используются реагенты, которые в результате химического взаимодействия с растворенными солями кальция и магния дают плохо растворимые осадки. Такими реагентами являются гашеная известь Са (ОН)₂, негашеная известь СаО, сода Na₂C0₃, фосфаты натрия (например, Na₃P0₄) и др.

Использование дешевой извести требует точного расчета, для того чтобы внести в воду такое количество Са (ОН)₂, которое соответствует протеканию реакции перехода кислой соли в среднюю:

и не приведет к увеличению концентрации ионов Са²⁺ при передозировке реагента.

Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na₃P0₄, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения:

Ионообменный метод. Наиболее совершенным способом умягчения воды является ее обработка с помощью ионообменных сорбентов (ионообменных смол, ионитов). Ионообменные сорбенты представляют собой гранулированные структуры, содержащие нерастворимый в воде молекулярный каркас (органический или неорганический полимер П), к которому химически «прикреплены» активные функциональные группы. Эти группы способны диссоциировать на ионы, один из которых остается связанным с каркасом, а другой переходит в раствор. Система находится в динамическом равновесии, а потому может «обменивать» первоначально имевшийся ион на другой, содержащийся в растворе.

Когда подвижным является катион, сорбент называется катионитом (активная функциональная группа П—S0₃—Н). В случае подвижного аниона — анионитом (активная функциональная группа П—N (CH₃)—ОН).

При пропускании жесткой воды через колонку, наполненную катионитом, происходит обмен ионов Ме⁺ (Na⁺, К) и Ме²⁺ (Са²⁺, Mg²"), содержащихся в обрабатываемой воде, на катионы водорода Н⁺ катионита:

При этом равновесие реакции смещено вправо, поскольку в исходном состоянии катионит насыщен катионами водорода. После достижения равновесия колонку отключают от потока и промывают небольшим количеством раствора кислоты. Равновесие смещается влево, и катионит восстанавливается в своей активной форме.

Если прошедшую через катионообменную колонку воду пропустить через анионообменную колонку, то она очистится и от анионов кислот, превратившись в очень чистую — деионированную — воду:

Такая вода используется в особо ответственных случаях (полупроводниковое производство, атомная промышленность и др.). Жесткость воды снижается при одноступенчатом катионировании до 0,05—ОД °Ж, при двухступенчатом — до 0,01°Ж.

Важнейшая количественная характеристика ионита — адсорбционная (обменная) емкость', количество миллимоль-эквивалентов ионов, которые может связать 1 г ионита.

Основными недостатками этого способа является относительно высокая стоимость ионитов и необходимость специального оборудования (колонки, арматура, насосы).

Обратный осмос. Это процесс, в котором под действием давления растворитель (при водоочистке — вода) проходит через полупроницаемую мембрану (как правило, полиамидную, пропускающую воду, но задерживающую ионы растворенных в ней солей) из более концентрированного в менее концентрированный раствор, т. е. в обратном для осмоса направлении (явление осмоса будет подробно рассмотрено в подпараграфе 14.2.3). Вместе с солями жесткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9%. Этот метод нашел наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды, а также в опреснительных установках. В качестве недостатка данного метода следует отметить необходимость иметь давление подаваемой на обратноосмотическую мембрану воды не менее чем 2 атм для питьевой и 24 атм для морской соленой.

Электродиализ. Метод основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит в аппарате, заполненном большим количеством специальных мембран.

В аппарате используются два вида мембран: проницаемые для катионов — катионитовые (катионообменные) мембраны и проницаемые для анионов — анионитовые (анионообменные) мембраны. Они заключены.

Рис. 7.1. Схема электродиализа соленой воды между двумя электродами. При достаточно высоком внешнем электрическом потенциале электрический ток переносит катионы из исходного раствора в поток концентрата через катионообменную мембрану, находящуюся со стороны катода. Анионы движутся в противоположном направлении и переносятся в поток концентрата через анионообменную мембрану. В то же время катионы в потоке концентрата задерживаются анионообменной мембраной со стороны катода, а анионы — катионообменной мембраной с противоположной стороны^[1][2]

Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жесткости. Например, таким образом можно опреснять соленую воду (рис. 7.1).

Полностью очистить воду от солей жесткости можно дистилляцией.

• [1] Горячий Н. В. Электромсмбранныс процессы: учеб, пособие. М.: РХТУ им. Д. И. Мен
• [2] делеева, 2007.1ШЬ: http://www.membrane.msk.ru/books/7id_b" 14&1с1_Ьр=418