Умягчение воды

Процесс удаление ионов жесткости из воды называется умягчением. Умягчение воды — извлечение из воды ионов кальция Ca2+ и магния Mg2+, обуславливающих ее жесткость.

Показатель «жесткость воды» отображает количественное содержание в ней щелочноземельных металлов. В связи с тем, что основной вклад вносят кальций и магний, остальными ионами щелочноземельных металлов пренебрегают. Жесткость воды подразделяют на карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную). Временная – обусловлена гидрокарбонатами кальция и магния, постоянная – в основном хлоридами и сульфатами.

Соли жесткости являются причиной образования накипи на нагревательных элементах и внутренних поверхностях труб, увеличения потребления моющих средств, помутнения воды. Для человека, постоянное употребление воды с повышенной жесткостью приводит к снижению моторики желудка и накоплению солей в организме. Продолжительное использование жесткой воды чревато возникновением заболеваний суставов (артритов, полиартритов), образованием камней в почках и желчных путях.

Второй способ умягчения воды – реагентный. В этом случае в воду добавляют негашеную известь  и соду, в бытовых системах этот способ не применяется, и его мы рассматривать не будем.

Третий способ — самый распространённый и доступный, применяется как для промышленных, так и для частных систем водоподготовки. Метод основан на замене ионов кальция и магния на ионы натрия. В процессе очистки ионообменный ресурс загрузки исчерпывается и требуется её регенерация. Восстановление проводится 6-10 % раствором хлорида натрия (поваренной соли), в ходе регенерации ионы кальция и магния вновь замещаются на ионы натрия, и загрузка готова к дальнейшей работе. Периодичность регенераций определяется жесткостью исходной воды.

Весь процесс мы и рассматриваем здесь на аппаратурном, так сказать, уровне.

Четвертый – это мембранный способ очистки и умягчения воды – так называемый «обратный осмос». Это самый затратный способ, он дает высокую степень очистки. На нем пока останавливаться не будем, описание будет дано в соответствующем разделе.

Перейдем к подробному описанию третьего способа, основанном на ионообмене.

Описание:

Умягчитель воды состоит из стекловолоконного корпуса с внутренним полиэтиленовым усилением, автоматического клапана управления, дренажно-распределительной системы, ионообменной загрузки, гравийной подложки и солевого бака для регенерации.

Принцип действия:

Умягчение воды происходит по механизму ионного обмена, при этом ионы кальция и магния заменяются эквивалентным количеством ионов натрия. При исчерпании ресурса ионообменной смолы необходима её регенерация 8-10% раствором поваренной соли (NaCl). Для этого используется специальная таблетированная соль, не подвергающаяся слёживанию. В обязанности владельца входит засыпка соли и контроль ее уровня.

Фильтрующая загрузка:

Интересно, что загрузки подобного типа называют «смолой», на самом деле это однородный сухой состав. Каждая гранула представляет собой пористый шарик, диаметром около 1 мм, этот размер установлен экспериментально, он оптимален по скорости просачивания воды. Помимо монодисперсных, где все «шарики» одинакового размера, что позволяет обрабатывать воду быстро с малым сопротивлением и высокой степенью замены ионов, бывают смолы полидисперсные с различным размером гранул, например, ионообменные «миксы» для удаления широкого спектра загрязнений имеют в своем составе частицы разного размера. В выборе смолы отталкиваться следует от анализа входящей воды.

Самая распространенная загрузка колонны — Dowex HCR S/S (Италия)  — сильнокислотный гелиевый катионит в натриевой форме на основе сополимера стирола-дивинилбензола. Монодисперсные гранулы обладают химической и механической стабильностью и высокой осмотической стойкостью. Рабочая обменная емкость – выше, чем у большинства смол (с учетом старения) – принимается 1600-1900 мг-экв/л смолы. Неочищенная вода поступает сверху в колонну и под действием общего напора водопроводной сети проходит сквозь ионообменную смолу в самый низ колонны, затем она поступает в водосборную трубку и, также под напором водопроводной сети, поднимается по ней вверх к автоматическому клапану. При промывке и восстановлении ионообменной смолы, клапан переключает направление потока воды в колонне на «снизу вверх» и добавляет раствор поваренной соли, а промывочная вода сбрасывается в коллектор. Как видите, процесс умягчения и регенерации проходит без затрат электроэнергии. Но электроэнергия нужна для питания автоматического клапана, он питается от небольшого БП, похожего на зарядное устройство телефона.

Требования к исходной воде:

Жесткость общая – до 15 мг-экв/л, общее солесодержание  не более 1000 мг/л;

Отсутствие трехвалентного железа в воде;

Максимальное содержание растворенного железа в воде – не более 0,5 мг/л;

Окисляемость перманганатная – не более 3,0 мг О2/л;

Цветность –  не более 30 градусов;

Отсутствие взвесей, нефтепродуктов, сероводорода и сульфидов;

Содержание свободного активного хлора —  не более 1 мг/л.

Технические условия:

Давление воды на входе в фильтр: минимум – 2,5 атм, максимум – 6,0 атм. и  должно обеспечивать расход воды не менее требуемого при промывке (в среднем это 180 л. за полтора часа);

В помещение монтажа установки должны иметься входная и дренажная магистраль;

Наличие розетки электропитания 220 В;

Температура в помещении: от +5 до +35˚С, влажность – не более 70%, температура обрабатываемой воды от +2 до +45˚С.

Регенерация ионообменной смолы

Запас натрия в порах частиц смолы в процессе ионного обмена постепенно уменьшается, замещаясь кальцием, железом и т.д., тем самым снижается способность смолы забирать из воды растворенные вещества. Когда заканчивается натрий в смоле — прекращается и умягчение, вода проходит через толщу смолы, не изменяя своих свойств. Чтобы очистка воды от солей не прекращалась, рассчитывают так называемый фильтроцикл смолы. Работу умягчителя рассчитывают таким образом, чтобы сделать промывку смолы раствором поваренной соли до наступления ощутимого снижения качества очистки. Этот цикл называется в водоочистке фильтроциклом. Проще говоря, фильтроцикл — это количество полученной чистой воды между регенерациями. Есть формулы, но на практике достаточно общих рекомендаций, а по факту, точное значение емкости смолы определяется только наблюдением за работой умягчителя. Когда ионный обмен прекращается, владелец системы умягчения воды смотрит по счетчику, сколько воды прошло очистку и выставляет тайминг на автоматике клапана с небольшим запасом. Обычно фильтроцикл составляет от 10 дней до двух недель, реже нежелательно, поскольку в ионообменной смоле могут появиться бактерии. Весь объем смолы в бытовых системах умягчения меняют не чаще одного раза в 5 лет. Для этой работы желательно вызвать специалистов, потому что попутно подвергается ревизии автоматический клапан.

Регенерация ионообменной смолы производится путем промывки насыщенным  ~ 8% раствором поваренной соли NaCl. Раствор NaCl приготавливается и хранится до очередной регенерации в емкости, которую называют солевым баком, как правило, для приготовления солевого раствора используют специальную таблетированную поваренную соль. Затраты на регенерацию системы умягчения составляют заметную часть эксплуатационных расходов. Существуют системы, в которой используется обычная соль грубого помола, стоимость которой значительно ниже таблетированной. Станция солерастворения, использующая соль грубого помола, позволяет сократить затраты на регенерацию ионообменной смолы, они актуальны для кафе и столовых.

После умягчения, вода напрямую поступает в домашнюю водопроводную сеть, где могут работать сразу несколько потребителей: где-то открыт кран, где-то принимают душ, работает стиральная машина, и чтобы не было заметного сброса давления, следует правильно выбирать производительность системы. Это можно сделать по телефону, специалист задаст нужные вопросы (источник воды, результаты анализа воды, сколько человек живет вместе, сколько точек водопотребления) и даст нужный совет. Это обычная практика, разговор совершенно бесплатен, и совет по системе не будет содержать лишних «довесков», поскольку специалисты и продавцы дорожат репутацией.

Развитие направления ионообменных смол:

Есть смолы для глубокой очистки воды, которые работают на истощение. Их не регенерируют, а просто меняют смолу на новую. Существуют смолы для комплексной очистки воды. Комплексная многофункциональная загрузка представляет собой смесь нескольких фильтрующих материалов, подобранных в определенных пропорциях. Кратко опишем Eecomix производства компании Ecosoft. Комплексная очистка воды фильтрующей загрузкой «Экомикс» позволяет одновременно удалить из воды ионы железа, марганца, жесткости, снизить содержание аммония и органических веществ.

Я рассказал только о натриевых смолах, которые работают за счет регенерации солью NaCl, так как они наиболее применимы в бытовых условиях. Остальные смолы нужно регенерировать агрессивными веществами, поэтому их применяют на производствах. Иониты прекрасно удаляют растворенные вещества, однако, они легко загрязняются взвесями — особенно трехвалентным железом. Поэтому в воде, которая проходит очистку ионообменной смолой не должно быть взвешенных веществ, а если вода железиста, то не должно быть и кислорода, ведь железо окисляется и образует частицы гидроокиси, которая губительно влияет на смолу. Присутствие сероводорода не желательно и может негативно сказываться на работе некоторых ионообменных загрузок. Об этом говорится в инструкциях производителей, которые следует лично читать прежде, чем выбрать тот или иной продукт для своей системы водоочистки. Воду, которой предстоит очистка в умягчителе желательно предварительно осветлять с помощью магистральных фильтров с полипропиленовыми картриджами, либо на специальных загрузках с помощью обезжелезивателя.