Удаление избыточной жёсткости

Жесткость

Жесткостью называют совокупность свойств воды, обусловленных наличием в воде растворимых солей кальция и магния.

Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na+, К +) таким свойством не обладают. Вклад других двухвалентных катионов в жесткость воды, как правило, не значителен.

Виды жесткости

Различают следующие виды жесткости:

Общая жесткость определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты (Н2СО3) и выпадением в осадок карбоната (СаСО3) кальция и гидроксида магния (Mg(OH)2).

Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

Анионы, наиболее часто встречающиеся в природной воде:

Единицы измерения.

В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м3).

Кроме этого в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO3.

Соотношение этих единиц жесткости представлено в следующей таблице:

Примечание:

Один немецкий градус соответствует 10 мг/дм3 СаО или 17.86 мг/дм3 СаСО3 в воде.

Один французский градус соответствует 10 мг/дм3 СаСО3 в воде.

Один американский градус соответствует 1 мг/дм3 СаСО3 в воде.

Происхождение жесткости

Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости.

Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg2+) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах - десятков граммов на один литр воды.

В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3).

Влияние жесткости на качество воды.

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л).

Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование "мыльных шлаков" в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жестких" волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие хитрости для восстановление той защиты кожи, которой нас и так снабдила матушка Природа.

Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.

Умягчение воды

Устранение жесткости воды – умягчение, в современной водоочистке, как правило, достигается одним из следующих способов:

- ионный обмен;

- обратный осмос;

При ионном обмене происходит замена ионов кальция и магния на ионы натрия (реже водорода). Общее солесодержание при этом не уменьшается, а даже увеличивается, так как ионы кальция и магния двухзарядные и, следовательно, вместо одного иона «жесткости» в воду переходит два одновалентных иона натрия. При этом могут меняться вкусовые свойства воды.

При использовании обратного осмоса снижается общее солесодержание. Из воды удаляются практически все ионы – и катионы и анионы. Исключение составляют лишь некоторые ионы, например, нитрат-ион. Его содержание уменьшается обычно лишь на 50%.

Кроме методов изменяющих химический состав раствора в процессе умягчения, существуют способы «маскировки» жесткости воды. Они основаны на добавлении в воду веществ, предотвращающих выпадение осадка солей жесткости – накипи. Для технической воды чаще всего используется полифосфат натрия (всем известный «Калгон»). Он связывает ионы кальция и не дает образовываться осадку.

В случае питьевой воды иногда для «квази-умягчения» воду подкисляют введением ионов водорода (Н+). В кислой среде не происходит выпадения осадка солей жесткости и клиент воспринимает такую воду как умягченную. Причем такой способ позволяет получить больший ресурс модуля, по сравнению с возможностями «истинного» умягчения.

Этот способ всем хорош, кроме того, что излишнее закисление воды – до рН=5, может неблагоприятно влиять на здоровье людей с нарушением кислотности желудка. Все-таки, питьевая вода должна иметь рН не меньше 6.

Удаление избыточной жесткости.

В водоочистителях АКВАФОР кувшинного типа реализованы одновременно оба метода борьбы с жесткостью воды. В универсальных модулях В100-5 используется смесь ионообменных смол в натриевой и водородной форме, подобранная таким способом, чтобы наряду с небольшим подкислением воды происходило частичное удаление ионов кальция.

Кроме того, смесь смол в модуле обладает буферными свойствами. Т.е., если изначально рН воды высокий (>7, вода щелочная), то происходит большее подкисление, если низкий (<7), то подкисление происходит в меньшей степени.

То же самое происходит и с жесткостью воды. В случае высокой жесткости удаление ионов кальция происходит в большей степени, а в случае невысокой жесткости «активность» ионного обмена снижается.

Таким образом, происходит удаление лишь избыточной жесткости воды. Однако следует принимать во внимание, что процесс умягчения воды зависит не только от концентрации ионов кальция, но и от его «окружения», т.е. от общего состава воды (анионный фон, наличие комплексообразователей, рН и т.д.)

К вопросу о емкости ионообменного (умягчающего) картриджа

«Аквафор В510»-04.

1. По Российским стандартам жесткость воды измеряется в мэкв/л («милли-эквивалент на литр»).

1. 1 мэкв/л по CaCO₃ соответствует 20 мг/л Ca­­²⁺.

1. Обменная емкость лучших ионообменных смол, используемых в водоочистителях – 2 мэкв/мл.

1. Умножая объем смолы в картридже V (мл) на обменную емкость смолы 2 мэкв/мл, получаем обменную емкость всего картриджа.

Например:

объем модуля В510-04 – 630 мл, обменная емкость картриджа – 630 х 2 = 1260 мэкв.

1. Деля обменную емкость картриджа на жесткость воды, выраженную в мэкв/л, получаем количество воды, умягчаемое картриджем до регенерации.

Например:

жесткость воды – 3 мэкв/л, количество умягченной воды – 1260 : 3 = 420 литров.