Методи усунення жорсткості води
Для позбавлення від тимчасової жорсткості необхідно просто закип'ятити воду. При кип'ятінні води гідрокарбонати розкладаються з утворенням осаду середнього або основного карбонату:
Ca (HCO 3) 2 = СаСО 3 ↓ + СО 2 ↑ + Н 2 О,
Mg (HCO 3) 2 = М g 2 (ОН) 2 СО 3 ↓ +3 СО 2 ↑ + Н 2 О,
і жорсткість води знижується. Тому гідрокарбонатну жорсткість називають тимчасовою.
З іонами заліза реакція протікає складніше через те, що FeCO 3 нестійке у воді речовина. У присутності кисню кінцевим продуктом ланцюжка реакцій виявляється Fe (OH) 3, що представляє собою темно-рудий осад. Тому, чим більше у воді заліза, тим сильніше забарвлення у накипу, яка осідає на стінках і дні судини при кип'ятінні.
Умягчить жорстку воду можна і обробкою води різними хімічними речовинами. Так, тимчасову (карбонатну) жорсткість можна усунути додаванням гашеного вапна:
Са 2 + +2 НСО - 3 + Са 2 + + 2ОН - = 2СаСО 3 ↓ + 2Н 2 О
Mg 2 + +2 НСО - 3 + Са 2 + + 4ОН - = Mg (ОН) 2 ↓ +2 СаСО 3 ↓ + 2Н 2 О.
При одночасному додавання вапна й соди можна позбутися від карбонатної і некарбонатних жорсткості (вапняно-содовий спосіб).Карбонатна твердість при цьому усувається вапном (див. вище), а некарбонатних - содою:
Са 2 + + СО 2 - 3 = СаСО 3 ↓
Mg 2 + + СО 2 - 3 = Mg СО 3
і далі
Mg СО 3 + Са 2 + + 2ОН - = Mg (ОН) 2 ↓ + СаСО 3 ↓
Взагалі, з постійною жорсткістю боротися важче. Кип'ятіння води в даному випадку не призводить до зниження її жорсткості.
Для боротьби з постійною жорсткістю води використовують такий метод, як виморожування льоду. Необхідно просто поступово заморожувати воду. Коли залишиться приблизно 10% рідини від первинної кількості, необхідно злити НЕ завмерла воду, а лід перетворити назад у воду. Усі солі, які утворюють жорсткість, залишаються в не завмерла воді.
Ще один спосіб боротьби з постійною жорсткістю - перегонка, тобто випаровування води з наступною її конденсацією. Так як солі відносяться до нелетких сполук, то вони залишаються, а вода випаровується.
Також, щоб позбутися від постійної жорсткості, можна, наприклад, до води додати соду:
Сас l 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2 NaCl.
Також відомі методи обробки води (магнітне і електромагнітний вплив, додавання поліфосфатів або інших "антинакипинів"), що дозволяють на час "зв'язати" солі жорсткості, не даючи їм протягом якогось часу випасти у вигляді накипу. Проте ці методи не нейтралізують солі жорсткості хімічно і тому знайшли обмежене застосування у підготовці технічної води. Єдиним же економічно виправданим методом видалення з води солей жорсткості є застосування іонообмінних смол. Пропускаючи воду через шар спеціального реагенту - іонообмінної смоли (іоніти), іони кальцію, магнію або заліза переходять до складу смоли, а зі смоли в розчин переходять іони Н + або Na +, і вода умягчается, її жорсткість знижується.
Але такі методи, як заморожування і перегонка, придатні лише для пом'якшення невеликої кількості води. Промисловість має справу з тоннами. Тому для усунення жорсткості в даному випадку приймається сучасний метод усунення - катіонний. Цей спосіб заснований на застосуванні спеціальних реагентів - катіонітів, які завантажуються у фільтри і при пропусканні через них води, замінюють катіони кальцію і магнію на катіон натрію. Катіоніти - синтетичні іонообмінні смоли і алюмосилікати.
Їх склад умовно можна виразити загальною формулою Na 2 R. Якщо пропускати воду через катіоніти, то іони Nа + будуть обмінюватися на іони Са 2 + і Mg 2 +.
Схематично ці процеси можна виразити рівнянням:
Ca 2 + + Na 2 R = 2Na + + CaR
Таким чином, іони кальцію і магнію переходять з розчину в катіоніт, а іони натрію - з катіоніту в розчин, жорсткість при цьому усувається.
Катіоніти зазвичай регенерують - витримують в розчині Na Cl, за участю якого відбувається зворотний процес:
CaR + 2Na + = Na 2 R + Ca 2 +
Регенерований катіоніт знову може бути використаний для пом'якшення нових порцій жорсткої води.
З наслідком жорсткості води - накипом, з точки зору хімії, можна боротися дуже просто. Потрібно на сіль слабкої кислоти впливати кислотою сильнішою. Остання і займає місце вугільної, яка, будучи нестійкою, розкладається на воду і вуглекислий газ. До складу накипу можуть входити і силікати, і сульфати, фосфати. Але якщо зруйнувати карбонатний "скелет", то і ці сполуки не втримаються на поверхні.
Як засіб для видалення накипу застосовуються також адипінова кислота і малеїновий ангідрид, які додаються у воду. Ці речовини слабкіше сульфамінової кислоти, тому для зняття накипу необхідно так само кип'ятіння.
Ефективним способом боротьби з високою жорсткістю вважається застосування автоматичних фільтрів-пом’якшувачів. В основі їхньої роботи лежить іонообмінний процес, при якому розчинені у воді "жорсткі" солі замінюються на "м'які", які не утворюють твердих відкладень.
Періодичність регенерації визначається кількістю води, яке може пройти через пом'якшувач до його повного виснаження, і розраховується з урахуванням багатьох факторів, таких як параметри смоли, якість води, величини його витрат і т.д. Сигнал на початок регенерації в керуючий блок подається спеціальним витратоміром. Безпосередньо відновлення властивостей іонообмінної смоли здійснюється при подачі у фільтр водного розчину високоочищеної кухонної солі (NaCl) за рахунок зворотного заміщення накопичених в смолі іонів кальцію і магнію на іони натрію. Потім всі забруднення вимиваються з фільтру в дренаж.
У залежності від розмірів пом'якшувача цикл регенерації / промивки може тривати до 2-3 годин. Під час регенерації розбір води проводити не рекомендується, так як на вихід буде надходити непом’якшенана вода. Саме з цієї причини більшість одиночних систем (що складаються з одного фільтра з одним блоком управління) запрограмовані таким чином, щоб регенерація проводилася тільки в нічний час.
Сучасні синтетичні смоли надзвичайно надійні і довговічні, дозволяють працювати на високих швидкостях потоків, завдяки чому знаходять застосування в системах з високою продуктивністю. Термін служби смоли може досягати 6 - 8 років залежно від якості вихідної води (і, як наслідок, від кількості фільтроциклу).
В даний час, завдяки великій різноманітності смол, фільтри-пом'якшувачі крім свого основного призначення можуть бути використані також для видалення з води заліза та марганцю, важких металів, органічних сполук, а також селективного видалення нітратів, нітритів, сульфідів і т.п.
Значення жорсткості води
Як ми вже говорили, жорсткість води визначається вмістом у воді розчинених солей кальцію і магнію, які при нагріванні випадають в осад, утворюючи наліт, всім добре відомий як накип. Порівняно нешкідливий накип на стінках чайника може стати причиною передчасного виходу з ладу сантехніки, посудомийних і пральних машин (недарма дорогі моделі побутової техніки забезпечені вбудованими пом'якшувачами).
Накип може стати причиною передчасного виходу з ладу сантехніки, посудомийних і пральних машин
На побутовому ж рівні жорсткість проявляє себе значним (на 30-50%) перевитратою миючих засобів при пранні білизни та вмивання, а також погіршенням споживчих властивостей води. При кип'ятінні досить жорсткої води на її поверхні утворюється плівка, а сама вода набуває характерний присмак. При заварюванні чаю або кави в такій воді може випадати бурий осад, втрачається смакові якості напою. У жорсткій воді з працею розварюються харчові продукти, а зварені в ній овочі несмачні. До того ж встановлено, що в жорсткій воді гірше розварюється м'ясо. Пов'язано це з тим, що солі жорсткості вступають в реакцію з тваринними білками, утворюючи нерозчинні з'єднання. Це призводить до зниження засвоюваності білків.
З точки зору застосування води для питних потреб, її прийнятність за ступенем жорсткості може істотно варіюватися залежно від місцевих умов. Поріг смаку для іона кальцію в діапазоні 2-6 мг-екв / л, в залежності від відповідного аніона, а поріг смаку для магнію і того нижче. У деяких випадках для споживачів прийнятна вода з жорсткістю вище 10 мг-екв / л. Висока жорсткість погіршує органолептичні властивості води, надаючи їй гіркуватий смак.
Всесвітня Організація Охорони Здоров'я не пропонує будь-якої рекомендованої величини жорсткості за показаннями впливу на здоров'я. У матеріалах ВООЗ йдеться про те, що хоча ряд досліджень і виявив статистично зворотну залежність між жорсткістю питної води і серцево-судинними захворюваннями, наявні дані не достатні для висновку про причинному характер зв'язку з цим. Аналогічним чином, однозначно не доведено, що м'яка вода надає негативний ефект на баланс мінеральних речовин в організмі людини.
Разом з тим, в залежності від рН та лужності, вода з жорсткістю вище 4 мг-екв / л може викликати в розподільній системі відкладення шлаків і накипу (карбонату кальцію), особливо при нагріванні. Саме тому нормами Котлонагляду вводяться дуже суворі вимоги до величини жорсткості води, використовуваної для живлення котлів (0.05-0.1 мг-екв / л).
На жаль, далеко не всім відомо також про несприятливий вплив жорсткості на здоров'я людини при умовно.
Пов'язано це з тим, що при взаємодії солей жорсткості з миючими речовинами (мило, пральні порошки, шампуні) може відбуватися утворення нерозчинних "мильних шлаків" у вигляді піни. Така піна після висихання залишається у вигляді нальоту на сантехніці, білизна, людській шкірі, на волоссі (неприємне відчуття "жорсткого" волосся добре відоме багатьом). При цьому руйнується природна жирова плівка, якою завжди вкриті здорове волосся і нормальна шкіра, забиваються пори, з'являються сухість, лущення, лупа. Першим тривожним ознакою такого негативного впливу є характерний "скрип" чисто вимитої шкіри або волосся. Виявляється, що викликає у деяких людей роздратування почуття "милкості" після користування м'якою водою, є ознакою того, що захисна жирова плівка на шкірі ціла і неушкоджена. Саме вона-то і ковзає. В іншому випадку, доводиться користуватися лосьйонами, зм'якшуючим і зволожуючими кремами, необхідні для відновлення захисту. Недарма косметологи рекомендують використовувати для вмивання дуже м'яку дощову або талу воду.
Як вже говорилося, «мильні шлаки» у вигляді піни, висихаючи, залишається на сантехніці, білизні і т. д. У результаті, тканина стає грубою і нееластичною; вона перестає пропускати повітря і вологу. Псується і зовнішній вигляд виробу: тканина набуває сіро-жовтий відтінок, блякнуть фарби малюнка. Осіли на тканини "вапняні мила" позбавляють її міцності.
Разом з тим, необхідно згадати і про інший бік медалі. М'яка вода з жорсткістю менше 2 мг-екв / л має низьку буферну ємність (лужність) і може, в залежності від рівня рН і ряду інших факторів, надавати підвищений корозійний вплив на водопровідні труби. Тому, у ряді застосувань (особливо в теплотехніці) іноді доводиться проводити спеціальну обробку води з метою досягнення оптимального співвідношення між жорсткістю води та її корозійною активністю