Умягчение воды - Water softening

Идеальное изображение процесса смягчения воды, включающего замену ионов кальция в воде ионами натрия, отданными катионообменной смолой .

Умягчения воды является удаление кальция , магния и некоторых других металлов катионов в жесткой воде . Полученная в результате мягкая вода требует меньше мыла для тех же усилий по очистке, поскольку мыло не тратится впустую, связываясь с ионами кальция. Мягкая вода также продлевает срок службы сантехники за счет уменьшения или устранения накипи на трубах и фитингах. Умягчение воды обычно достигается с помощью умягчителей извести или ионообменных смол, но все чаще достигается с помощью мембран для нанофильтрации или обратного осмоса .

Обоснование

Наличие определенных металлических ионов , таких как кальций и магний , главным образом, как бикарбонаты , хлориды и сульфаты в воде вызывает различные проблемы.

Жесткая вода приводит к образованию накипи , которая может загрязнять водопровод и способствовать гальванической коррозии . В промышленных установках для умягчения воды в сточных водах процесса регенерации может образовываться накипь, которая может мешать работе канализационных систем.

Ощущение скользкости, связанное с стиркой в ​​мягкой воде, вызвано более слабым притяжением мыла к ионам воды, когда вода лишена минеральных веществ. Поверхность человеческой кожи имеет легкий заряд, который мыло имеет тенденцию связываться, и для его удаления требуется больше усилий и больше воды. Жесткая вода содержит ионы кальция или магния, которые при взаимодействии с мылом образуют нерастворимые соли , оставляя на поверхностях ванны и душа слой нерастворимых стеаратов , обычно называемый мыльной пеной .

Накипь в трубе из ПВХ

Методы

Наиболее распространенные средства для удаления жесткости воды - это ионообменная смола или обратный осмос . Другие подходы включают методы осаждения и связывание путем добавления хелатирующих агентов.

Метод ионообменной смолы

Обычные устройства для смягчения воды, предназначенные для домашнего использования, зависят от ионообменной смолы, в которой «ионы жесткости» - в основном Ca 2+ и Mg 2+ - обмениваются на ионы натрия . Согласно стандарту 44 NSF / ANSI , ионообменные устройства снижают жесткость, заменяя магний и кальций (Mg 2+ и Ca 2+ ) ионами натрия или калия (Na + и K + ) ».

Ионообменные смолы в форме шариков являются функциональным компонентом бытовых водоумягчающих устройств.

Ионообменные смолы - это органические полимеры, содержащие анионные функциональные группы, с которыми двухвалентные катионы (Ca 2+ ) связываются сильнее, чем одновалентные катионы (Na + ). Неорганические материалы, называемые цеолитами, также обладают ионообменными свойствами. Эти минералы широко используются в стиральных порошках . Также доступны смолы для удаления карбонатных, бикарбонатных и сульфатных ионов, которые абсорбируются, и гидроксид-ионов, которые высвобождаются из смолы.

Когда все доступные ионы Na + заменены ионами кальция или магния, смолу необходимо повторно зарядить, элюируя ионы Ca 2+ и Mg 2+ с использованием раствора хлорида натрия или гидроксида натрия , в зависимости от типа используемой смолы. Для анионных смол для регенерации обычно используется раствор гидроксида натрия ( щелочи ) или гидроксида калия. Сточные воды, элюированные из ионообменной колонки, содержащие нежелательные соли кальция и магния, обычно сбрасываются в канализационную систему.

Пополнение баланса обычно включает следующие шаги:

Обратная промывка

Вода направляется через смолу в направлении, противоположном нормальному потоку, и выходящая вода направляется в канализацию для утилизации. Этот 10-минутный процесс вымывает твердые частицы и расширяет слой смолы.

Розыгрыш рассола

Вода направляется через струйный насос , который забирает соленую воду из солевого бака, прежде чем вода и рассол пройдут через слой смолы в нормальном направлении, если прямоток , или в обратном направлении, если противоток . Результат этого типичного 30-минутного процесса сбрасывается через сливной шланг.

Смывать

Забор рассола прекращается, но вода продолжает течь от входа к выходу, постепенно вымывая рассол из слоя смолы. Промывочная вода течет медленно в течение нескольких минут, затем с большей скоростью в течение часа. В какой-то момент резервуар для рассола наполняется свежей водой.

Умягчение извести

Смягчение извести - это процесс, при котором известь добавляется в жесткую воду, чтобы сделать ее мягче. Он имеет несколько преимуществ по сравнению с методом ионного обмена, но в основном подходит для коммерческих применений в очистке.

Хелатирующие агенты

Хелаторы используются в химическом анализе в качестве смягчителей воды и входят в состав многих коммерческих продуктов, таких как шампуни и пищевые консерванты . Лимонная кислота используется для смягчения воды в мыле, средствах личной гигиены и стиральных порошках . Обычно используемым синтетическим хелатирующим агентом является этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), которая может существовать в виде тетранатриевой или динатриевой соли. Из-за опасений по поводу токсичности для окружающей среды и водной среды, связанных с широким использованием ЭДТА в бытовых продуктах и ​​продуктах личной гигиены, более распространенными находят такие альтернативы, как фитат натрия / фитиновая кислота , диацетат тетранатрия глутамата и дисукцинат тринатрия этилендиамина.

Стиральная содовый метод

В этом методе вода обрабатывается расчетным количеством промывочной соды (Na 2 CO 3 ), которая превращает хлориды и сульфаты кальция и магния в их соответствующие карбонаты, которые осаждаются.

CaCl 2 + Na 2 CO 3 -> CaCO 3 + 2NaCl
MgSO 4 + Na 2 CO 3 -> MgCO 3 + Na 2 SO 4

Дистилляционная и дождевая вода

Поскольку Ca 2+ и Mg 2+ существуют в виде нелетучих солей, их можно удалить дистилляцией воды. В большинстве случаев перегонка обходится слишком дорого. Дождевая вода мягкая, потому что она подвергается естественной дистилляции во время цикла испарения, конденсации и выпадения осадков.

Обратный осмос

Обратный осмос использует приложенный градиент давления через полупроницаемую мембрану для преодоления осмотического давления и удаления молекул воды из раствора с помощью ионов жесткости. Мембрана имеет достаточно большие поры, чтобы пропускать молекулы воды; ионы жесткости, такие как Ca 2+ и Mg 2+ , не проходят через поры. В результате получается мягкая вода без ионов жесткости без добавления каких-либо других ионов. Мембраны - это фильтр для воды, требующий регулярной очистки или замены.

Дистилляция и обратный осмос - два наиболее широко используемых нехимических метода умягчения воды.

Нехимические устройства

Некоторые производители заявляют, что производимые ими электрические устройства могут влиять на взаимодействие минералов с водой, так что минералы не связываются с поверхностями. Поскольку эти системы не работают за счет обмена ионами, как это делают традиционные умягчители воды, одно из преимуществ, заявленных для пользователя, заключается в устранении необходимости добавлять соль в систему. Такие системы не удаляют минералы из самой воды. Скорее, они могут только изменить эффекты ниже по течению, которые в противном случае имели бы минеральные воды. Эти системы не подпадают под термин «умягчение воды», а скорее «кондиционирование воды».

Подобные утверждения относительно магнитной обработки воды не считаются действительными. Например, при научных испытаниях такого магнитного устройства не было обнаружено уменьшения образования накипи.

Альтернативы ионообменным умягчителям воды

Удаление или замена минералов в жесткой воде называется умягчением воды. Альтернативная очистка воды называется водоподготовкой, при которой минералы остаются в воде, но изменяются таким образом, чтобы не образовывать накипь. Хотя в Соединенных Штатах есть стандарты для измерения содержания минералов в воде, в них нет стандартов для измерения способности воды к образованию накипи. Вместо этого исследователи используют немецкий протокол DVGW-W512.

Дождевая вода содержит растворенный диоксид углерода, взятый из атмосферы. Часть растворенного диоксида углерода реагирует с водой с образованием угольной кислоты , которая остается в растворе. Минералы, содержащие кальций и магний, образуют растворимые бикарбонаты при воздействии угольной кислоты. Вода, содержащая эти минералы, известна как «жесткая вода».

Когда жесткая вода нагревается в водопроводной системе, диоксид углерода выходит из раствора, а бикарбонаты превращаются в карбонаты, которые гораздо менее растворимы. Карбонаты связываются с поверхностями водопровода, обеспечивая затравочные кристаллы для дальнейшего роста кристаллов, которые накапливаются в виде твердой накипи.

Устройства для физической очистки воды (PWT) заставляют микроскопические кристаллы минералов образовываться и оставаться во взвешенном состоянии, когда они текут с водой, а также действуют как зародыши для дальнейшего роста кристаллов. Когда вода нагревается, минералы кристаллизуются на этих семенах, а не в водопроводной системе. Растворенные минералы превращаются в нерастворимые твердые частицы во взвешенном состоянии, проходя через систему, не связываясь с поверхностями водопровода.

Ассоциация WateReuse спонсировала исследование альтернатив ионообменных умягчителей воды. Работа была выполнена Университетом штата Аризона и HDR Engineering . Они протестировали четыре новые технологии, и все они привели к уменьшению масштабирования, как показано в таблице:

Кондиционирование жесткой воды из Темпе, Аризона
Уход Нормализованное образование накипи
Нет лечения 1,00
Электромагнитная очистка воды 0,57
Осадки, вызванные электричеством 0,50
Емкостная деионизация 0,17
Ионный обмен 0,06
Кристаллизация с помощью шаблона 0,04

Кристаллизация с помощью шаблона

Холодная вода проходит через резервуар, содержащий крошечные полимерные шарики, поверхность которых обнажает затравочные кристаллы для растворенных минералов. Кристаллы растут на этих семенах и отламываются, будучи еще микроскопическими. Поскольку эти крошечные частицы проходят через водонагреватель, дальнейший рост кристаллов происходит на частицах, а не на водонагревателе. Этот процесс называется кристаллизацией с помощью матрицы (TAC) или кристаллизацией с помощью зародышеобразования (NAC). Полимерные шарики представляют собой полифосфаты размером от 0,5 до 2,0 мкм.

Воздействие на здоровье

CDC рекомендует ограничить ежедневное общее потребление натрия до 2300 мг в день, хотя средний американец потребляет 3500 мг в сутки. Поскольку количество натрия в питьевой воде - даже после умягчения - не составляет значительного процента от ежедневного потребления натрия человеком, EPA считает, что содержание натрия в питьевой воде вряд ли может вызвать неблагоприятные последствия для здоровья.

Для тех, кто придерживается диеты с ограничением натрия, использование системы обратного осмоса для питьевой воды и воды для приготовления пищи удалит натрий и любые другие примеси, которые могут присутствовать. Хлорид калия также можно использовать в качестве регенератора вместо хлорида натрия, хотя он более дорогостоящий. Однако у людей с нарушенной функцией почек повышенный уровень калия или гиперкалиемия могут привести к таким осложнениям, как сердечная аритмия .

Высокая жесткость воды в доме также может быть связана с развитием экземы в раннем возрасте.

Воздействие на окружающую среду

Умягченная вода (измеряемая как индекс остаточного карбоната натрия ), в которой кальций и магний частично заменены натрием, не подходит для орошения, так как имеет тенденцию вызывать образование щелочных почв . В этом случае вместо традиционного умягчения воды часто используются нехимические устройства.

Смотрите также

Рекомендации