Понятие жесткости воды. Способы умягчения воды

Жесткость воды - различают временную, постоянную и общую жесткость. Временная (устранимая) жесткость обусловлена наличием в воде бикарбонатов кальция и магния. Эти соли сравнительно легко удаляются из воды при кипячении, так как при этом они переходят в нерастворимые углекислые соли и выпадают в виде плотного осадка

(Са, Mg) (НСО₃)→ (Са, Mg)CО₃ + Н₂О + СО₂

Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и магния. Эти соли при кипячении не удаляются из воды.

Сумма временной и постоянной жесткости дает общую жесткость, измеряемую в миллиграмм-эквивалентах ионов кальция или магния, содержащихся в виде солей в 1 л воды. Жесткость воды равна единице, если в 1 л ее содержится 1 мг-экв ионов кальция, что соответствует 20,04 мг кальция или 12,16 кг магния.

По жесткости (в мг-экв •л^-1) природные воды подразделяют на очень мягкую (0—1,5), мягкую (1,5—3), среднюю (3—6), жесткую (6—10) и очень жесткую (более 10).

Умягчение воды состоит в полном или частичном удалении из нее солей кальция и магния. Если из воды удаляются также катионы и анионы, т. е. удаляются все содержащиеся в ней соли, этот процесс называют обессоливанием воды. Умягчение и обессоливание воды являются основными процессами подготовки воды.

Способы умягчения подразделяются на физические, химические и физико-химические.

Физические способы предусматривают термическую обработку воды, или кипячение, дистилляцию и вымораживание. Химические способы умягчения воды заключаются в обработке ее растворами химических соединений. Наибольшее промышленное приме­нение получили известково-содовый и фосфатный способы умягчения.

Известково-содовый способ заключается в обработке воды сначала известковым молоком, а затем содой, при этом кальциевые соли превращаются в нерастворимый карбонат кальция, магниевые соли в гидроокись и карбонат магния:

Са(НС0₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2Н₂О + 2СаС0₃

Mg(HC0₃) + 2Са(ОН)₃ = Mg(OH)₂ + 2Н₂О + СаС0₃

СаС1₂ + Na₂C0₃ = 2NaCl + СаС0₃

MgS0₄ + 2Na₂C0₃ = Na₂S0₄ + MgC0₃

Известково-содовый способ является наиболее распространенным и дешевым, но при этом достигается лишь сравнительно грубое умягчение воды (примерно до 0,3 мг*экв/л).

Фосфатный способ состоит в обработке воды фосфатом натрия:

3Са(НС0₃)₂ + 2Na₃P0₄ = 6NaHC0₃ + Ca₃(P0₄)₂

3СаС1₂ + 2Na₃P0₄ = 6NaCl + Са₃(Р0₄)₂

Растворимость фосфатов кальция и магния в воде ничтожно мала, это определяет высокую эффективность фосфатного способа (содержание солей снижается примерно до 0,03 мг*экв/л).

Фосфатный способ достаточно дорогой способ умягчения, поэтому применяется главным образом в комбинированных схемах, в которых основная масса солеи удаляется из воды известковым молоком или содой, а доумягчение осуществляется с помощью фос­фатов.

Из физико-химических способов наиболее широкое практическое применение находят ионообменные способы, основанные на свойстве некоторых труднорастворимых твердых веществ, так называемых ионитов, обменивать свои ионы на ионы солей, рас­творенных в воде.

Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижные катионы натрия или водорода и соответственно называются Na-катионитами и Н-катионитами. Аниониты содержат подвижную гидро- ксильную группу (ОН-анионита- ми).

В качестве Na-катионитов применяются алюмосиликаты: глауконит, цеолит, пермутит и др.; в качестве Н-катионитов применяются сульфированный угольидругие вещества; к ОН-анионитам относятся искусственные смолы сложного состава, например карбамидные.

Процессы очистки воды способом ионного обмена можно представить следующим образом.

Катионный обмен с использованием алюмосиликата состава Na₂0 • А1₂0₃ • 2Si0₂ • Н₂0 протекает по уравнению:

Na₂0[Kaт] + СаС1₂ = СаО[Кат] + 2МаС1

где [Кат] — неучаствующая в обмене часть молекулы (Na₂0 • А1₂0₃ • 2Si0₂ • Н₂0).

В случае применения Н-катионита процесс протекает следующим образом:

Н₂[Кат] + CaS0₄ = Са[Кат] + H₂S0₄

Н₂[Кат] +Са(НС0₃)₂ = Са[Кат] + 2Н₂0 + 2С0₂=

С течением времени катиониты истощаются, их регенерируют промывкой раствором NaCl или кислотой.

Анионный обмен можно представить в виде

2[A h ]ОH + H₂S0₄ = [A h ]₂S0₄ + 2Н₂0

Для регенерации анионита его промывают щелочью:

[Ah]₂S0₄ + 2NaOH = Na₂S0₄ + 2[Ан]ОН

К преимуществам ионитового способа по сравнению с известково-содовым относятся компактность и простота аппаратурного оформления, более глубокое умягчение воды (до 0,035 + +0,07 мг-экв-л^-1), простота обслуживания и контроля и самое основное дешевизна.