chemistry11b
Just another WordPress.com site
Методы устранения жёсткости воды
1) Для избавления от временной жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:
и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной.
С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO3 неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)3, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.
2) Умягчить жёсткую воду можно и обработкой воды различными химическими веществами. Так, временную (карбонатную) жёсткость можно устранить добавлением гашеной извести:
Са 2+ +2НСО – 3 + Са 2+ + 2ОН – = 2СаСО3↓+ 2Н2О
При одновременном добавление извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жёсткости (известково-содовый способ). Карбонатная жёсткость при этом устраняется известью (см. выше), а некарбонатная – содой:
3) Вообще, с постоянной жёсткостью бороться труднее. Кипячение воды в данном случае не приводит к снижению её жёсткости.
Для борьбы с постоянной жёсткостью воды используют такой метод, как вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лёд превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жёсткость, остаются в не замершей воде.
4) Ещё один способ борьбы с постоянной жёсткостью – перегонка, т.е. испарение воды с последующей её конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, то они остаются, а вода испаряется.
Также, чтобы избавиться от постоянной жёсткости, можно, например, к воде добавить соду:
5) Также известны методы обработки воды (магнитное и электромагнитное воздействие, добавление полифосфатов или других “антинакипинов”), позволяющие на время “связать” соли жёсткости, не давая им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи. Однако эти методы не нейтрализуют соли жёсткости химически и поэтому нашли ограниченное применение в водоподготовке технической воды. Единственным же экономически оправданным методом удаления из воды солей жёсткости является применение ионообменных смол. Пропуская воду через слой специального реагента – ионообменной смолы (ионита), ионы кальция, магния или железа переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят ионы Н + или Na + , и вода умягчается, её жёсткость снижается.
6) Но такие методы, как замораживание и перегонка, пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность имеет дело с тоннами. Поэтому для устранения жёсткости в данном случае принимается современный метод устранения – катионный. Этот способ основан на применении специальных реагентов – катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия. Катиониты – синтетические ионообменные смолы и алюмосиликаты.
Их состав условно можно выразить общей формулой Na2R. Если пропускать воду через катиониты, то ионы Nа + будут обмениваться на ионы Са 2+ и Mg 2+ .
Схематически эти процессы можно выразить уравнением:
Ca 2+ + Na2R = 2Na + + CaR
Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, а ионы натрия – из катионита в раствор, жёсткость при этом устраняется.
Катиониты обычно регенерируют – выдерживают в растворе NaCl, при участии которого происходит обратный процесс:
CaR + 2Na + = Na2R+ Ca 2+
Регенерированный катионит снова может быть использован для умягчения новых порций жесткой воды.
7) С последствием жёсткости воды – накипью, с точки зрения химии, можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.
8) Эффективным способом борьбы с высокой жёсткостью считается применение автоматических фильтров-умягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде “жёсткие” соли заменяются на “мягкие”, которые не образуют твердых отложений.
Источник
Жесткость воды и способы ее устранения
Что интересного вы узнаете из содержания этой статьи:
1. Что такое жесткая вода?
Жесткая вода – это вода, в которой превышена норма концентрации солей кальция и магния. В данном случае анализируются как физические, так и химические свойства жидкости. Попадают соли чаще всего из подземных вод, где вымываются из горных пород при прохождении потока. Жесткая вода образуется преимущественно в скважинах. Именно этот источник наиболее подвержен наполнению сульфатами и гидрокарбонатами. В наземных водоёмах также может быть жесткая вода. Но концентрация солей меняется в зависимости от природных факторов: время года, дожди, солнце, снег. В водопроводной воде также могут быть примеси солей. Вероятность такого загрязнения возможна при неполном изначальном очищении или непригодностью трубопровода. Наличие солей жесткости в воде можно определить по нескольким параметрам. В первую очередь – это накипь на нагревательных элементах. Во-вторых, наличие налета на сантехнике. И в- третьих сухость после водных процедур. В любом случае, жесткая вода оказывает негативное влияние в первую очередь на оборудование. В эту категорию входят трубы, сантехника, стиральные и посудомоечные машины, чайники. При выявлении наличия солей кальция и магния проводится специальный химический анализ.
Рис. 1 Что такое жесткая вода
2. Какие виды жесткой воды существуют?
Обычно, воду характеризуют просто: жесткая. Но у этой жесткости есть свои различия. В 2014 году в России введен новый ГОСТ по классификации воды. Теперь при измерении жесткость пишут в градусах. Один градус равен половине миллимоля на литр, ГОСТ 31865-2012. Распределение также проходит по видам жесткости воды. Она бывает общая, временная и постоянная. У каждой из них своя концентрация определенного сегмента солей жесткости и свой метод умягчения.
2.1 Общая жесткость воды.
Общая жесткость воды зависит от общего количества содержания ионов солей жесткости, а именно кальция и магния. По сути это сумма временной и постоянной жесткости. Чтобы определить концентрацию веществ надо взять анализ воды. Для разного назначения применения свои нормы концентрации солей жесткости. Так, в воде, предназначенной для питья, максимальная общая жесткость составит 7 градусов. Минимальный порог 1,5 градуса. По европейским законам жесткость воды не должна превышать 3,5 градуса. Превышение нормативов недопустимо. Для технической воды регламент немного другой.
2.2 Временная жесткость (Карбонатная).
Временную жесткость выявляют путем определения концентрации карбонатов и гидрокарбонатов. Карбонатную жесткость устранить очень легко, для этого воду всего лишь кипятят. В ходе термической обработки соединение солей разрушаются и становятся нерастворимыми, выпадая в осадок. Тем самым объясняется появление накипи на бытовых приборах. При этом временная жесткость не даёт возможность к резкому изменению кислотно-щелочного баланса воды.
2.3 Постоянная жесткость (Некарбонатная).
Постоянная жесткость отличается от временной тем, что удалить её простым кипячением не получится. Под некарбонатной жесткостью подразумевается количественное присутствие солей кальция и магния. Также сюда входят кислоты. В основном идёт подсчет концентрации хлоридов и сульфатов. Как уже говорилось, термическая обработка не повлияет на состав воды. Наличие нерастворимых соединений не расщепляются не образуют накипь.
3. Ущерб жесткой воды на предприятии, в частном доме.
Использование жесткой воды, как для хозяйственных нужд, так и для промышленного производства не рекомендуется. Какое негативное последствие может оказать такая вода в бытовом плане? Во-первых, её влияние на здоровье человека. Большая концентрация солей кальция и магния плохо переносится организмом, оседая в сосудах. Особенно это касается тех, у кого проблемы с пищеварительной системой. Негативное влияние на сердечно- сосудистую систему до сих пор научно не доказано. Всемирная Организация Здравоохранения опубликовала материалы, в которых нет фактов о развитии проблем с сердцем именно после употребления жесткой воды. И в докладах ВОЗ не указан конкретный диапазон концентрации солей жесткости в воде, опасного для здоровья. Во-вторых, для сантехнических изделий дело обстоит иначе. В большинстве случаев сантехника в домах установлена старого образца, которая не выдерживает наличия большой концентрации солей и забивается. Даже если трубы поменяны не так давно, при использовании жесткой воды они подлежат разрушению. Бытовые приборы с нагревательным элементом, чайники, стиральные и посудомоечные машины, при работе с жесткой водой выходят из строя. Внутри механизма накапливается накипь, в случае с чайником это видно визуально на диске или спирали. Накипь имеет свойство удерживать тепло, вследствие на нагрев тратиться больше энергии. При продолжительном использовании жесткой воды техника перестаёт работать и подлежит замене, что также несет финансовые затраты. Да и проводить гигиенические процедуры в жёсткой воде не очень приятно. Сухость кожи и возможность аллергической реакции. Поэтому для комфортного использования воды необходимо не только отсутствие в ней вредных примесей, но и её умягчение.
Рис. 2 Накипь солей жесткости на сантехнике и бытовых приборах
В промышленном секторе не так остро стоит вопрос о влиянии жесткой воды на организм. Гораздо важнее влияние солей жесткости на оборудование. В сфере, где используются паровые котлы, для нагрева этот вопрос наиболее актуален. Для такого сектора необходима вода без содержания солей жесткости, в противном случае в процессе этапов работы произойдет выход оборудования из строя. При постоянном нагреве жесткой воды будет образовываться накипь и оседать на стенках и нагревательных элементах, что неминуемо ведет к увеличенному расходу средств и замене оборудования. В пищевой промышленности также необходимо использовать только чистую воду. В этом сегменте вода используется практически на всех этапах производства и необходима для обработки продукции. Наличие повышенной концентрации солей кальция и магния неминуемо ведут к определенным затратам. В первую очередь это повышенные расходы на электроэнергию, так как накипь очень плохой проводник тепла. Во вторую очередь это может быть полная или частичная замена оборудования и трубопровода. Трубы тоже подвергаются разрушительному воздействию, подвергаясь коррозии. Если ситуация не такая катастрофичная, то можно обойтись очисткой оборудования, по возможности. Если дело касается ёмкостей, то их отмывают механически. В этом случае останавливают производство. И опять же всё сводится к дополнительным расходам. Для очищения необходимо много химических средств. Поэтому чтобы не доводить до крайних ситуаций, вода, перед использованием, проходит фильтрацию, для избавления от солей жесткости.
4. Способы жесткой воды и как ее устранить?
Способов для умягчения воды немало, как для домашнего использования, так и для больших производств. Некоторые варианты могут быть универсальными. Но опять же, всё начинается с химического анализа воды по ГОСТу 31954-2012. Самый простой метод, используемый дома – это термический или по-простому кипячение. При этом необходимо кипятить воду при температуре 100 градусов. Произойдёт химическая реакция и соли кальция и магния распадутся, выпадут в осадок. Но много воды так не нагреешь, просто неудобно. И ёмкость, используемая для нагрева, будет покрыта накипью.
Более профессиональный метод – система обратного осмоса. Такой способ актуален и для быта, и для промышленности. Мембранная фильтрация позволяет добиться абсолютно чистой воды, дистиллированной. Способ позволяет очищать как временную, так и постоянную жесткую воду.
Ну и куда же без химических веществ. Один из способов – реагентный. Суть в добавлении реагентов в воду для создания химической реакции и очищения, с последующей фильтрацией. Метод, конечно, быстрый, но необходим точный расчет химических средств. Что проблематично сделать в домашних условиях.
Еще один из методов – электродиализ. Способ основан на воздействии электрического поля на воду. Наиболее универсальный способ, который часто применяется дома и в промышленном секторе — катионирование. В этом случае применяются ионообменные установки для ионозамещения солей жесткости на безопасные вещества.
В принципе, любой метод можно подогнать для бытового использования либо промышленного. Всё зависит от масштабности установки и количества фильтрующих элементов. Если для промышленности в одной системе могут стоять несколько одинаковых или разных фильтров, то дома часто используются картриджные фильтры, которые подлежат замене.
5. Какие бывают фильтры от жесткой воды?
Для установки станции водоподготовки в домашних условиях или промышленных используется разный набор фильтрующих элементов. Всё зависит от изначальной жесткости воды, тем более со временем у неё есть свойство меняться. Фильтры могут быть установлены от механических до ультрафиолетовых. Реагентные и безреагентные. Но в основном, используются ионные фильтры, полифосфатные, мембранные и на основе смолы.
5.1 Ионообменные.
Ионообменные установки представляют собой корпус с контроллером и ёмкостью для раствора. Главная часть системы – колба или картридж с ионной смолой. Процесс, применяемый в этой конструкции, ионообменный. Вода, насыщенная солями кальция и магния, поступает в установку, где расположена колба. При этом происходит разделение ионов в смоле. Они притягивают к себе соли жесткости, а вместо них в воду попадает натрий. Таким образом, происходит ионозамещение. Со временем смола насыщается примесями и её необходимо регенерировать. В домашних условиях удобнее устанавливать картридж, который не требует регенерации, а просто подлежит замене. На промышленных предприятиях к системе присоединяется специальный бак, где находится концентрированный солевой раствор. Фильтрующий элемент промывается этим концентратом. В итоге происходит отделение примесей от смолы, и она снова насыщается ионами. Раствор утилизируется, фильтр готов к работе. Частота промывки фильтра зависит от нескольких факторов. Во-первых, это конечно концентрация солей в изначальной воде. Чем их больше, чем вода жёстче, тем чаще регенерируют фильтр. Во-вторых, производительность системы. Если фильтрация постоянная и больших объёмов, то и промывка происходит чаще. Для каждой профессиональной системы добавлен контроллер, который следит за степенью наполнения примесями фильтра. А также количеством подаваемого раствора на регенерацию. Утилизируемый концентрат также подлежит обработке. Дело в том, что при промывке образуется агрессивный солёный раствор с добавлением солей жёсткости. Просто смыть в канализацию нельзя по экологическим нормам. Поэтому на производстве установлены дополнительные фильтры сточных вод. Такой способ умягчения воды очень популярен как в быту, так и на производстве. Отсутствие агрессивных реагентов и неприхотливость к первоначальному источнику делает систему ионозамещения очень гибкой и удобной. Из минусов эксперты выделяют стоимость системы и расходы на регенерирующий раствор. В промышленности сюда входит установка дополнительной системы фильтрации.
Рис. 3 Схема очистки воды ионным способом
5.2 Полифосфатные.
Полифосфатный фильтр – это фильтр, наполненный натриевой солью. Преимущество устанавливается для оборудования. Чтобы прибор получал только умягченную воду. При попадании воды в колбу происходит растворение солей. Соль впитывается кальцием и магнием. В итоге на стенках приборов образуется специальная пленка, которая не даёт осесть накипи. Преимущество данного фильтра в его низкой стоимости и простоте использования. Однако, фильтрующий элемент быстро расходуется и подлежит частой замене. Так же из их недостатков выделяют растворение защитной плёнки в горячей воде. При фильтрации и последующих этапах температура воды не должна превышать 55 градусов. Чаще такие фильтры устанавливают в быту, монтируя сразу в трубу или шланг, перед прибором. Для получения питьевой воды такой фильтр не подойдет. При растворении и смешивании солей, в ходе химической реакции, могут образовываться новые соединения. Так же не рекомендуется устанавливать для фильтрации стоковых вод. При установке полифосфатного фильтра стоковые воды, наполненные различными примесями, вступают в реакцию в полифосфатом.
 |  |
Рис. 4 Полифосфатные фильтры
5.3 Обратный осмос.
Обратный осмос относится к мембранному типу фильтрации. Главный элемент – мембрана. Катушка, состоящая из множества мелких пор, которые пропускают только молекулы воды. Водный поток подаётся под давлением через фильтр. При этом ячейки мембраны настолько малы, что пропускают только воду. Соли кальция и магния остаются в порах. Промывка осуществляется путём напора воды на фильтрующий элемент. Такой фильтр способен выдавать ультрачистую умягченную воду. Устанавливают мембраны как по одной, так и несколько, в зависимости от нагрузки системы. Для домашнего использования подойдет один фильтр, даже при максимальном использовании. Преимущество мембраны в её уникальной способности очищать любой объём воды и неприхотливость в промывке. Также при умягчении не используются реагенты, что позволяет применять систему фильтрации как в промышленности, так и в домашних условиях. Недостатки в её чувствительности. Мембрана имеет свойство быстро засоряться, если не установлен предварительный фильтр. Как правило, это обычный механический фильтр для предварительной очистки. Замене фильтр подлежит не так уж и часто. Конечно, многое зависит от частоты его использования. Для быта система более упрощенная и существует просто замена элемента. В промышленных масштабах, где зачастую установлено несколько мембран, устанавливают автоматическую промывку фильтра по необходимости.
 |  |
5.4 Комплексная очистка (с универсальной смолой).
Комплексная очистка представляет собой систему, способную заменить несколько фильтров на один. Используемое вещество – универсальная синтетическая смола. Её состав — это смесь из синтетических и природных компонентов ионообменных и сорбционных. Такой фильтр может использоваться для любых целей. Не только умягчает воду, но и удаляет остальные примеси. Принцип действия такой же, как и при ионозамещении, но здесь фильтрующим элементов выступает не ионная смола, а универсальная. Фильтр, при заполнении, так же регенерируют раствором. Уникальность его в многофункциональности и возможности замены нескольких систем фильтрации на одну.
6. Советы от экспертов по выбору фильтра от жесткой воды
Для выбора фильтра в первую очередь обязательно делается анализ воды. И неважно какой источник будет изначальным хоть водопроводная вода, хоть скважинная, хоть из озера. После получения результатов определяемся с нагрузкой на систему и сфере её применения. Если необходима питьевая вода, то лучшим вариантом станет система фильтрации обратного осмоса либо ионная установка. В обоих случаях умягчённая вода будет пригодна для употребления в пищу. При выборе фильтра основными критериями являются его производительность, габариты, стоимость, затраты на установку и расходные материалы. Конечно, самый дешевый фильтр не даёт гарантии качественной очистки. Но и самый дорогой может потребовать дополнительных затрат при эксплуатации. У каждого фильтрующего элемента есть плюсы и минусы. Из представленных вариантов самым дешевым и менее функциональным является полифосфатный фильтр. Его преимущество в простоте и низкой цене. Но невозможность работать в горячей воде и частое пополнение загрузки скорее минус, чем плюс. Ионный и мембранный метод примерно на одном уровне по стоимости и качеству очищения. Для домашнего использования ионные системы немного модернизированы по габаритам и лишены регенерации фильтра. Такое изменение необходимо, так как промывочный концентрат после регенерации необходимо снова очищать перед утилизацией. Для промышленности система осталась в изначальном варианте. Обратный осмос также разделен на домашнее и промышленно использование. Но в данном случае сама система в обоих вариантах одинаковая, различия только по внешним данным. При выборе фильтра особенное внимание необходимо уделить производителю. Неизвестные фирмы не смогут дать долгой гарантии работы фильтрующего элемента просто из-за отсутствия опыта работы. Крупные поставщики, которые уже давно на рынке, могут представить все необходимые документы по тестированию элементов, их работе и соответствие нормам. К тому же у таких производителей более долгая гарантия и уверенность в своём продукте.
Ниже представленно видео по сборке умягчителя воды
Источник
