Умягчение воды с помощью катионитовых смол

В статье рассматривается широко используемый способ снижения жесткости воды (ее умягчения) с помощью метода катионирования (пропуска воды через загрузку-катионит).

Умягчение воды – это комплекс мероприятий, направленный на снижение ее исходной жесткости.

Жесткостью воды называется суммарная концентрация в ней ионов кальция Са2+ и магния Mg2+, выраженная в мг-экв/л или г-экв/м3.

Повышенная жесткость в воде хозяйственно-питьевых водопроводов приводит к затруднению варки продуктов, интенсивному износу белья, образованию накипи при кипячении воды. При этом Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) рекомендует следующие концентрации кальция и магния в питьевой воде: кальций – 20-80 мг/л; магний – 10-30 мг/л, т.е. вода с жесткостью ~1,8 — 6,5 мг-экв/л будет полезна для человека. Жёсткая вода при умывании сушит кожу, а также в ней плохо образуется пена при использовании мыла.

Различают следующие виды жесткости воды:

  1. карбонатная жесткость: обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов Ca(HCO3)2,  Mg(HCO3)2   и карбонатов CaCO3,   MgCO3  кальция и магния.
  2. некарбонатная жесткость: обусловлена наличием в воде сульфатов  CaSO4,  MgSO4 и  хлоридов  CaCl2,  MgCl2 кальция и магния.
  3. общая жесткость

Общая жесткость может быть рассчитана по формуле: Жобщ = [Ca]/20 + [Mg}/12, мг-экв/л, где [Ca] -концентрация кальция в воде, мг/л, [Mg] — концентрация магния в воде.

В соответствии с СаНПиН, для питьевой воды жесткость не должна быть более 7 мг-экв/л.

При нагреве жесткой воды, соли кальция и магния, содержащиеся в ней, разлагаются на углекислый газ и нерастворимый осадок. Пример, разложение гидрокарбоната кальция:

Ca(HCO3)2↔ CaCO3↓ + CO2↑ + H2O

Этот осадок откладывается на ТЭН и внутренних поверхностях устройств, приводя их в негодность.

Образование накипи на тэне стиральной машины вследствие высокой жесткости воды

Катионитовое умягчение воды

При катионитовом умягчениии воды исходную воду фильтруют через слой катионита (катионитовый фильтр). При этом катионы Ca2+  и   Mg2+  из воды переходят в катионит, а в воду из катионита эквивалентно переходят катионы  Na+ или  H+, после чего вода становится мягкой.

В качестве катионита используются различные органические или минеральные материалы, естественного происхождения или приготовленные искусственно (что значительно чаще). Самый дешевый катионит — сульфированный уголь (сульфоуголь). Широко используются катиониты на основе искусственных смол — здесь существует огромный выбор. Экотар, Amberlite, Tulsion — среди популярных марок.

Катионитовый метод позволяет получить глубоко умягченную воду с жесткостью до 0,01 – 0,02 мг-экв/л

В процессе умягчения обменная (умягчающая) способность катионита постепенно истощается, и ее необходимо восстанавливать, т.е. регенерировать. Для этого через катионитовую загрузку пропускают раствор поваренной соли NaCl или кислоты (серной H2SO4 или соляной HCl).

При регенерации катионита поваренной солью получают Na-катионит, имеющий обменный катион натрия.

При регенерации катионита кислотой получают H-катионит, имеющий обменный катион водорода

Регенерация Na-катионитового фильтра раствором поваренной соли

Регенерация производится в три этапа:

  1. Взрыхление осуществляется обратным (восходящим) током воды с интенсивностью 4 – 5 л/с·м2 в течение 20 – 30 мин.

2. Сама регенерация

Ca [Кат]2 + 2 NaCl ↔ 2 Na [Кат] + CaCl2 . В данном случае CaCl2 — это продукт регенерации; нужно отмыть катионит от него!

3. Отмывка катионита от продуктов регенерации осуществляется пропуском отмывочной воды сверху вниз со скоростью 6 – 8 м/ч. Расход воды на отмывку ориентировочно составляет 4 – 6 м3 на 1 м3 катионита. Время отмывки – 30 – 60 мин.

Схема Na-катионитового фильтра

А) Схема бытового Na-катионитового фильтра для загородного дома

Бытовой Na-катионитовый фильтр. За основу взяты материалы с сайта http://ochistkavodi.ru/

Б) Схема промышленного Na-катионитового фильтра

1 – подвод исходной и отмывочной воды; 2, 11 – подвод и отвод регенерационного раствора; 3, 7 – гидравлическая выгрузка и загрузка фильтрующего материала; 4 – корпус; 5, 9 – верхний и нижний люки; 6, 14 – верхнее и нижнее распределительные устройства; 8 – слой ионита; 10 – отвод обработанной воды: 12, 15 – подвод и отвод воды на взрыхление; 13 – поддерживающая цементная подушка

Назначение и устройство натрий (na) катионитового фильтра
Промышленный Na-катионитовый фильтр. Фотография с сайта https://ruvoda.com/

Требования к качеству воды, подаваемой на Na-катионитовый фильтр

Вода, подаваемая на ионообменные установки, должна быть свободна от нерастворенных примесей (мутность не более 2 – 5 мг/л, по СНиП 2.04.01-84 — до 8 мг/л), иметь цветность не более 30 град. и небольшое содержание органических примесей.