Умягчение воды. Промышленная водоподготовка


Умягчение воды сводится к уменьшению концентрации в ней кальциевых и магниевых солей. Умягчение воды необходимо производить для питания котельных установок, причем жесткость воды для котлов среднего и низкого давления должна быть не более 0,3 мг-экв/л.

Умягчать воду требуется также для таких производств, как текстильное, бумажное, химическое, где вода должна иметь жесткость не более 0,7 -1,0 мг-экв/л.

Умягчение воды для хозяйственно-питьевых целей также целесообразно, особенно в случае, если она превышает 7мг-экв/л.

Умягчение воды может проводиться различными методами, их можно разделить на следующие группы:

Термический метод умягчения воды

При нагревании воды до кипения происходит превращение гидрокарбонатов кальция и магния в карбонаты по следующим схемам:

Са (HCO3)2 = CaCO3↓+ СО2 + Н2О;

Mg(HCO3)2 = МgСО3 + СО2 + Н2О.

Эти обратимые процессы можно почти целиком сместить вправо за счет кипячения воды, так как при высоких температурах растворимость двуокиси углерода понижается.

Однако полностью устранить карбонатную жесткость нельзя, так как углекислый кальций хотя и незначительно (около 9,95 мг/л при 15 °С), но растворим в воде. Растворимость MgCO3 достаточно высока (110 мг/л), поэтому при длительном кипячении он гидролизуется с образованием малорастворимой (8 мг/л) гидроокиси магния:

MgCO3 + H2O ═ Mg (OH)2↓ + CO2.

Этот метод может применяться для умягчения воды, содержащей преимущественно карбонатную жесткость и идущей для питания котлов низкого и среднего давления.

Недостатки : снижается только временная (карбонатная) жесткость; требуются большие энергозатраты — в промышленности этот способ водоподготовки используют лишь при наличии дешевых источников тепла (на ТЭЦ, например).

Реагентное умягчение воды

умягчение воды

Из реагентных методов наиболее распространен содово-известковый способ умягчения . Сущность его сводится к получению вместо растворенных в воде солей Са и Mg нерастворимых солей СаСО3 и Mg(OH)2, выпадающих в осадок.

Оба реагента — соду Na2CO3 и известь Са(ОН)2 — вводят в умягчаемую воду одновременно или поочередно.

Соли карбонатной, временной жесткости удаляют известью, не карбонатной, постоянной жесткости — содой.

Химические реакции при удалении карбонатной жесткости протекают следующим образом:

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3 + 2Н2О

Гидрат окиси магния Mg(OH)2 коагулирует и выпадает в осадок. Для устранения некарбонатной жесткости в умягчаемую воду вводят Na2CO3.

Химические реакции при удалении некарбонатной жесткости следующие:

Na2CO3 + CaSO4 = CaCO3 + Na2SO4;

Na2CO3 + СаСl2 = СаСО3 + 2NaCl.

В результате реакции получается углекислый кальций, который выпадает в осадок. Реагенты, применяемые при обработке воды, вводят в воду в следующих местах:

а) хлор (при предварительном хлорировании) — во всасывающие трубопроводы насосной станции первого подъема или в водоводы, подающие воду на станцию очистки;

б) коагулянт — в трубопровод перед смесителем или в смеситель;

в) известь для подщелачивания при коагулировании — одновременно с коагулянтом;

г) активированный уголь для удаления запахов и привкусов в воде до 5 мг/л — перед фильтрами. При больших дозах уголь следует вводить на насосной станции первого подъема или одновременно с коагулянтом в смеситель водоочистной станции, но не ранее чем через 10 мин после введения хлора;

д) хлор и аммиак для обеззараживания воды вводят до очистных сооружений и в фильтрованную воду. При наличии в воде фенолов аммиак следует вводить как при предварительном, так и при окончательном хлорировании.

К специальным видам очистки и обработки воды относятся опреснение, обессоливание, обезжелезивание, удаление из воды растворенных газов и стабилизация.

Данный способ обычно используется только в некоторых отраслях промышленности для предварительной очистки технической воды. В обычном бытовом использовании технология неприменима.

Умягчение воды бариевыми солями.

Этот метод схож с известково-содовым, но имеет то преимущество, что образующиеся при реакции продукты нерастворимы в воде. Содержание солей, обусловливающих жесткость воды, при этом методе понижается, и умягчение идет гораздо полнее. Кроме того, нерастворимость ВаСО3 не требует строгих дозировок, процесс может протекать автоматически.

Реакции, протекающие при умягчении бариевыми соединениями, можно представить схемами:

1) CaSO4 + Ba (ОН)2 ® Са (ОН)2 + ВаSО4↓;

2) MgSO4 + Ba (OH)2 ® Mg (ОН)2↓ + BaS04↓;

3) Са (НСО3)2 + Ba (OH)2 ® CaCO3↓ + ВаСО3↓ + 2Н2О;

4) Mg (НС03)2 + 2Ва (OH)2 ® 2BaCO3↓ + Mg (OH)2↓ + 2Н2О;

5) ВаСО3 + CaSO4 ® BaSO4↓ + CaCO3↓;

6) Ca (OH)2 + Ca (HCO3)2 ® 2CaCO3↓ + 2H2O.

При умягчении бариевыми солями реакции приводят не к замене одной соли другой, а к полному удалению их из воды; в этом заключается преимущество умягчения бариевыми солями. К недостаткам этого метода относятся высокая стоимость бариевых солей и медленное течение реакции с карбонатом бария ВаСО3.

Реагентная водоподготовка применяется только на больших станциях водоподготовки, поскольку связан с рядом специфических проблем: утилизация твердого осадка, специально оборудованные хранилища для реагентов, необходимость точной дозировки химикатов и их правильной подачи в исходную воду.

Ионообменное умягчение воды

умягчение воды

Вещества, способные к сорбционному обмену ионов с раствором электролита, называются ионитами.

Иониты – это твердые зернистые вещества, набухающие в воде, но не растворимые в ней. По составу основного скелета, который связывает воедино ионогенные группы, ионообменные сорбенты делятся на:

  • минеральные
  • органические.

Применяемые при очистке воды иониты бывают естественного и искусственного происхождения. Примером первых могут быть глаукониты, гумусовые угли, а примером вторых – сульфированные угли, синтетические ионообменные смолы.

Ионообменные смолы – это сетчатые, трехмерные полимеры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие ионогенные группы, т. е. группы, способные к обмену ионов. Число и длина мостиков, соединяющих линейные цепи полимера, определяют «густоту» сетки, которая оказывает сильное влияние на свойства ионитов.

Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Вещества, обменивающие катионы, называются катионитами, а обменивающие анионы – анионитами.

Катиониты диссоциируют на небольшие, подвижные и способные к ионному обмену катионы (например, Н+) и высокомолекулярный анион (Rm-1), а аниониты дают мелкие, легко перемещающиеся анионы (например, ОН) и высокомолекулярный катион (Rn+).

Условно их диссоциацию можно представить в следующем виде:

НmR = mH+ + Rm; R(OH)n = Rn+ + nOH,

где m и n– число подвижных ионов в катионите и анионите.

Из катионообменных смол наибольшее распространение получили смолы, образованные поликонденсацией фенолов и формальдегида, а также полимеры – продукты сополимеризации стирола с диеновыми углеводородами.

Из смоляных анионитов чаще применяются аминоформальдегидные аниониты и полистирольные аниониты, продукты присоединения от основных групп к сополимерам полистирола.

Все иониты могут иметь одинаковые или различные ионогенные группы. Катиониты со смешанными функциональными группами встречаются в следующем сочетании:

  1. сульфокислые и оксифенольные;
  2. сульфокислые и карбоксильные;
  3. остатки фосфорной кислоты и оксифенольные;
  4. мышьяковокислые и оксифенольные;
  5. карбоксильные и оксифенольные.

По степени диссоциации иониты подразделяют на:

  1. сильнокислотные
  2. слабокислотные;
  3. сильноосновные
  4. слабоосновные.

Сильнокислотные катиониты вступают в реакцию с солями, растворенными в воде в нейтральных и кислых средах.

Слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные или оксифенольные группы, обменивают свой протон в нейтральных растворах лишь на катиониты солей слабых кислот, причем полнота обмена возрастает с повышением рН среды.

Сильные аниониты вступают в реакцию с растворами солей в нейтральной и даже слабощелочной среде.

Слабоосновные аниониты вступают в реакцию обмена лишь в кислых средах, причем полнота обмена гидроксильной группы анионита на анион растворенного электролита возрастает с повышением кислотности среды. На силу ионогенных групп оказывают большое влияние непосредственно связанные с ними другие функциональные группы.

Следовательно, большинство катионитов представляют собой по­лимерные полифункциональные кислоты, в состав которых входят группы – СООН, –SO3H, –ОН, –SH, SiOOH и др.

Аниониты являются высокомолекулярными соединениями, содержащими огромное количество основных групп, таких как –NH2, –NH3OH, –NHR, –NR2 и т. д. В состав одного и того же ионита могут входить ионогенные группы с различной степенью кислотности и щелочности.

Для целей фильтрования смолу стараются получить в виде сферических частиц путем суспензионной полимеризации или перемешивания расплавленной еще «несшитой» смолы в среде инертного растворителя с последующим охлаждением. Иониты (в таком неплотном виде) создают благоприятные условия для движения фильтруемой жидкости.

В основе процесса обмена лежит химическая реакция, протекающая на внешней и внутренней поверхности ионитов. Обмен ионами протекает в строго эквивалентных количествах.

Обменные реакции в растворе происходят практически мгновенно, но процессы ионообмена с ионитами, протекающие в гетерогенной среде, обладают вполне измеримой скоростью. Фактически наблюдаемая скорость определяется скоростью диффузии, наиболее медленной стадией ионообмена. При этом скорость ионообмена падает с увеличением размеров зерна ионита.

Обмен ионов в растворах протекает избирательно. С уменьшением абсолютной концентрации раствора многовалентные ионы адсорбируются лучше, чем одновалентные, а при высоких концентрациях адсорбируется одновалентный ион. Например, при умягчении воды избирательно поглощаются ионы Са2+ и Mg2+, а ионы Na+ при этом практически не адсорбируются. При обработке концентрированным раствором NaCl ионы двухвалентных металлов вытесняются из катионита ионами натрия. Этим пользуются при регенерации катионитового фильтра.

Основной технологической характеристикой ионитов является их обменная емкость, которая определяется количеством ионов, извлеченных из воды 1 г воздушно-сухого ионита.

В практике очистки воды часто используют Н- и Na-катиониты. В зависимости от катиона этот процесс называют Н-катионирование и Na-катионирование.

При Н-катионировании повышается кислотность воды, а при Na-катионировании происходит увеличение щелочности фильтрата, если в исходной воде содержится карбонатная жесткость.

Следует заметить, что скорость обмена ионами при катионировании зависит от многих факторов, например от валентности ионов, их заряда, величины гидратации, эффективного радиуса иона. По скорости вхождения ионов в катионит их располагают в следующий убывающий ряд: Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Ba2+>NH4+>K+>Na+. Эту закономерность можно изменить, увеличивая концентрацию ионов в процессе регенерации катионитовых фильтров при обработке их концентрированным раствором хлористого натрия.

Катионитовый фильтр представляет собой стальной цилиндрический резервуар диаметром от 1 до 3 м, в котором на дренажном устройстве помещается слой катионита. Высота фильтрующего слоя составляет 2…4 м. Скорость фильтрования – от 4 до 25 м/ч. Фильтры рассчитаны на рабочее давление до 6 атм.

Работа катионитового фильтра происходит по следующим этапам:

  • фильтрование через подготовленный фильтр до насыщения обменной емкости катионита;
  • рыхление катионита восходящим потоком;
  • регенерация фильтра раствором NaCl (при Na-катионировании);
  • промывка загрузки от излишних количеств регенерирующего ве­щества.

Регенерация загрузки продолжается от полутора до двух часов.

Na-катионирование обеспечивает умягчение воды до 0,05 мг-экв/л. В практике применяют двухступенчатое Na-катионирование. На фильтрах первой ступени производится грубое умягчение воды, снижающее жесткость примерно на 75 %. Остающуюся жесткость удаляют повторным фильтрованием через фильтры второй ступени. Основная масса ионов кальция и магния задерживается фильтрами первой ступени, фильтры второй ступени несут незначительную нагрузку по жесткости и рабочий цикл их длится до 150¼200 ч. Остаточная жесткость воды после двухступенчатого Na-катионирования равна 0,01¼0,02 мг-экв/л. Подобный прием умяг­чения воды приводит к экономии соли на регенерации фильтров первой ступени. Для этой цели используются промывные воды от фильтров второй ступени. Кроме того, двухступенчатое Na-катионирование упрощает эксплуатацию установки тем, что удлиняет фильтроцикл и не требует постоянного ухода за фильтратом.

При катионировании происходят следующие процессы:

2NaR + Са (НСОз)2 ═ СаR2 + 2NaHCO3;

2NaR + Mg (HCO3)2 ═ MgR2 + 2NaHCO3;

2NaR + CaSO4 ═ CaR2 + Na2SO4;

2NaR + MgCl2 ═ MR2 + 2NaCl.

При фильтровании воды, содержащей некарбонатную жесткость, получают соли сильных кислот и сильных оснований. Эти соли не подвержены гидролизу даже при высоких температурах. Но при удалении карбонатной жесткости образуется гидрокарбонат натрия, который гидролизуется при высоких температурах с образованием сильной щелочи:

NaHCO3 + H2O ═ NaOH + Н2СО3.

Для снижения щелочности воды ее фильтруют последовательно через Na-, а затем Н-катиониты или разбивают поток на две части, одну из них пропускают через Na-катионит, а вторую – через Н-катионит, а затем фильтраты смешивают.

Недостатки ионообменного метода водоподготовки:

  • относительно большой расход реагентов, (особенно у параллельноточных натрий-катионитных фильтров);
  • увеличение эксплуатационных расходов пропорционально солесодержанию исходной воды и при необходимости уменьшить предел обессоливания обработанной воды;
  • в зависимости от качества исходной воды требуется предподготовка – иногда весьма сложная;
  • необходима обработка сточных вод и сложности с их сбросом.

Безреагентная водоподготовка

Ультразвуковые установки

— неплохо справляются с накипью, но для достижения эффективности требуется работа установки на большой мощности. Это означает высокий уровень звукового воздействия, что влечет за собой возможность повреждения защищаемого оборудования (в местах сварки швов и завальцовки), а также повышенную опасность для персонала.

Умягчение воды в аппаратах с постоянными магнитами.

В сравнении с другими распространенными методами (ионообменными, баромембранными) магнитную водоподготовку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплутационные расходы.

Согласно СНиП 11-35-76 “Котельные установки”, магнитную обработку воды для теплооборудования и водогрейных котлов целесообразно проводить, если содержание ионов железа Fe2+ и Fe3+ в воде не превышает 0,3 мг/л, кислорода — 3 мг/л, постоянная жесткость (CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2) — 50 мг/л, карбонатная жёсткость (Са(НСО3)2, Mg(НСО3)2) не выше 9 мг-экв/л, а температура нагрева воды не должна превышать 95 0С.

Для питания паровых котлов – стальных, допускающих внутрикотловую обработку воды, и чугунных секционных – использование магнитной технологии обработки воды возможно, если карбонатная жёсткость воды не превышает 10 мг-экв/л, содержание Fe2+ и Fe3+ в воде — 0,3 мг/л, при поступлении воды из водопровода или поверхностного источника.

Ряд производств устанавливает более жесткие регламентации к технологической воде, вплоть до глубокого умягчения (0,035-0,05 мг-экв/л): для водотрубных котлов (15-25 ати) — 0,15 мг-экв/л; жаротрубных котлов (5-15 ати) — 0,35 мг-экв/л; котлов высокого давления (50-100 ати) — 0,035 мг-экв/л.

Недостатки – необходимо один раз в 5–7 дней механически очищать полюсы магнита от отложений ферромагнитных частиц; свои свойства омагниченная вода сохраняет меньше суток (это явление потери магнитных свойств называется релаксацией, или эффектом «привыкания воды»).

Поэтому в системах, где вода находится в течение многих часов и дней (оборотные системы водоснабжения, циркуляционные контуры котлов и систем отопления и др.), необходимо предусматривать рециркуляционные системы, куда направлять не менее 10% находящейся в системе воды, и постоянно эту часть воды подмагничивать.

Электромагнитное умягчение воды

Основой устройства является электронный микропроцессорный блок, который генерирует выходной апериодический сигнал звуковой частоты (1–10 кГц). Сигнал подается на излучатели, навитые на трубопроводе с обрабатываемой жидкостью в определенном порядке, и создает пульсирующее динамическое электромагнитное поле.

Механизм воздействия на обрабатываемую воду имеет физический (безреагентный) характер. Кальций, гидрокарбонатные соли в водном растворе существуют в форме положительно и отрицательно заряженных ионов. Из этого вытекает возможность эффективного воздействия на них с помощью электромагнитного поля. Если на трубопровод с протекающей жидкостью навивается катушка и в ней наводится определенное динамическое электромагнитное поле, то происходит высвобождение ионов бикарбоната кальция, электростатически связанных с молекулами воды. Высвобожденные таким способом положительные и отрицательные ионы соединяются в результате взаимного притяжения, и в воде образуются арагонитовые кристаллы (высокодисперсная взвесь), не образующие накипи.

Так как побочным продуктом при образовании арагонитовых кристаллов является углекислый газ, то вода, обработанная таким способом, имеет свойства дождевой воды, т.е. способна растворять в трубопроводе существующие твердые карбонатные отложения.

Под действием электромагнитного поля возникает в воде и определенное количество перекиси водорода, которая при контакте со стальной поверхностью внутри трубопровода образует на ней химически стабильную пленку Fe304, которая предохраняет поверхность от коррозии. Перекись водорода оказывает также существенное антисептическое и антибактериальное действие — уничтожает около 99% водных бактерий. Образовавшиеся молекулы перекиси водорода, однако, имеют очень короткий жизненный цикл и быстро конвертируются в форму кислорода и водорода, поэтому обработанная таким способом питьевая вода не оказывает никаких вредных побочных эффектов на здоровье человека.

На сегодняшний день — это самый экологически чистый и экономически оправданый метод умягчения жесткой воды.

умягчитель воды Рапресол

Безреагентное умягчение воды. Умягчитель воды Рапресол

Умягчитель воды Рапресол

Безреагентное умягчение воды. Умягчитель воды Рапресол

Безреагентная водоподготовка с применением умягчителей воды Рапресол эффективно заменяет затратный метод химической водоподготовки, принося предприятию значительную экономию.

Снижаются расходы на эксплуатацию (реагенты, регенерация, утилизация, содержание персонала, и т.п.), что обеспечивает наибольший экономический эффект и быструю окупаемость прибора при очень высокой функциональной эффективности. Систему отличает простота монтажа и минимальные эксплуатационные расходы.

Технология электромагнитного умягчения воды — одна из рекомендованных энергосберегающих технологий (РД 34.20.145-92) и позволяет не только увеличить срок работы теплообменного оборудования между его вынужденными остановками для проведения очистки, но и достигнуть реальной экономии средств и энергоносителей.

Технико-экономические обоснования (ТЭО) и расчет сроков окупаемости приборов Рапресол:

Комбинированные методы водоподготовки

Установка умягчителя воды Рапресол перед установкой ионообменного умягчения позволяет существенное увеличить межрегенерационный срок эксплуатации фильтров и пропускную способность фильтров

  • прибор Рапресол перед ионообменной очисткой связывает ионы кальция в нерастворимое состояние;
  • качественно активируются (увеличивается емкость поглощения ионитов) и ускоряются в несколько раз ионообменные реакции;
  • концентрация растворенных ионов кальция в воде перед ионным обменом существенно снижается;
  • вследствие снижения концентрации бикарбонатов кальция за один фильтроцикл можно получить гораздо больше очищенной воды.

Достигнутый экономический эффект :

  • уменьшаются затраты воды на отмывку смолы в процессе регенерации, минимизируется влияние «проскоков» необработанной воды.
  • в 2-3 раза увеличиваются межремонтные сроки котлов и теплообменников (образующаяся от остаточной жесткости накипь будет рыхлой и легко удаляется обычными продувками через 500-1000 часов работы).
  • полностью исключаются реагентные промывки оборудования и загрязнение окружающей среды;
  • обеспечивается надежная противонакипная и противокоррозионная очистка и защита как теплоагрегата, так и всех трубопроводов;
  • укрепляются внутренняя поверхность оборудования и сетей;
  • повышается теплоотдача котла и теплопроводность трубных разводок;
  • экономится топливо;

Кроме того, в десятки раз снижаются расходы:

  • соли и других реагентов на регенерацию;
  • воды на взрыхление, регенерацию и отмывку фильтров;
  • электроэнергии, потребляемой насосами для перекачки реагентов.
  • снижается сброс промывных солесодержащих вод;