Содержание статьи
1 Для чего нужно умягчать жесткую воду?
2 Современные методы умягчения воды
2.2 Умягчение воды методом ионного обмена
2.3 Умягчение воды обратным осмосом
3 Области применения систем умягчения воды
4 Видео по монтажу умягчителя воды
1 Для чего нужно умягчать жесткую воду?
Жесткая вода – проблема, с которой сталкиваются жители практически на всей территории нашей страны. Уровень жесткости может различаться в зависимости от глубины скважины, региона и способов фильтрации городской водопроводной системы.
Наиболее актуально решать проблему жесткой воды, когда она добывается из артезианских скважин. Растворенные в воде соли магния и кальция в сумме определяют уровень жесткости. Количество ионов магния и кальция измеряют в миллиграмм- эквивалентах на литр. Различают постоянную и временную жесткость воды.
Временная жесткость образуется гидрокарбонатами магния и кальция и может быть полностью устранена кипячением в течение длительного времени (не менее часа). В этом случае на стенках чайника (или другой емкости, в которой осуществляется кипячение) образуется накипь – белый осадок нерастворимых карбонатов. При этом происходит выделение углекислого газа.
Рис. 1 - Последствия использования жесткой воды
Постоянная жесткость определяется содержанием хлоридов и сульфатов магния и кальция и при кипячении не меняется.
Питьевая вода с повышенной жесткостью горькая на вкус и крайне негативно влияет на здоровье человека, в частности, на пищеварительные органы, приводит к мочекаменным болезням. Допустимая жесткость для питьевой воды, согласно нормативам ВОЗ, должна быть в пределах 1,0 – 2,0 мг-экв/л.
Вода с повышенной жесткостью, используемая в пищевой промышленности, сильно снижает качество продуктов, делая их вредными. В этом случае в процессе хранения будет наблюдаться выпадение солевого осадка. Регламентируемая жесткость воды при производстве пищевых продуктов составляет 0,1-0,2 мг-экв/л.
В быту переизбыток солей оказывает негативное влияние на бытовую технику – вредные примеси откладываются в виде белого осадка на нагревательных элементах. Осаждение тем интенсивнее, чем выше температура нагревания. А поскольку слой накипи отличается пористой структурой, происходит падение теплообмена, что влечет за собой повышение нагрузки на нагреватель. Использование жесткой воды при стирке требует большего расхода, так как вступая в реакцию с ПАВ, содержащимися в моющих средствах, соли жесткости образуют мыльные шлаки. При этом эффективность отбеливания сильно снижается, а краски на ткани теряют свою яркость.
Жесткая вода, используемая для купания, может привести к раздражению кожи, вредит волосам, так как остается на них несмываемой кальциевой пленкой.
Применение жесткой воды в бойлерах и паровых котлах приводит к образованию накипи на стенках емкостей, снижая степень теплоотдачи (например, толщина слоя накипи в 1,5 мм снизит эффективность на 15%, а толщина в 10 мм – уже на 50%). Расход топлива (или электроэнергии) в этом случае возрастает, что приводит к износу труб и стенок котлов.
В энергетической отрасли в случае даже кратковременного попадания в систему жесткой воды, происходит порча трубопроводов и теплообменного оборудования. Солевые отложения значительно снижают коэффициент теплопередачи.
Умягчение воды – это меры, предпринимаемые по удалению из нее солей кальция и магния. В настоящее время применяют несколько методов умягчения, наиболее популярны следующие:
- термический (кипячение),
- ионный обмен,
- обратный осмос.
2 Современные методы умягчения воды
2.1 Умягчение воды кипячением
Кипячение (термический метод умягчения) – процесс нагревания воды, в результате которого устраняется временная жесткость, т.е. удаляются гидрокарбонаты кальция и магния, осаждающиеся в виде белой накипи. Таким образом, вода становится более мягкой.
Соли жесткости имеют свойство терять растворимость с ростом температуры. То есть, чем температура нагревания выше, тем быстрее образуются отложения. Чем дольше продолжается процесс кипячения, тем больше солей выпадет в осадок, и тем мягче будет полученная вода.
При использовании кипячения с целью понизить жесткость воды, учитываются несколько моментов.
Необходимо определить оптимальное положение крышки на емкости. Желательно, чтобы выделяющийся в процессе углекислый газ как можно быстрее улетучивался, поэтому рекомендуется не полностью закрывать крышку емкости, где происходит кипячение. При плотно закрытой крышке свободное улетучивание углекислого газа затруднено, и следовательно выпадение солей жесткости в осадок происходит медленнее. Если же емкость полностью открыта, вода быстро испаряется, и общее количество солей растет, ухудшая тем самым вкус воды.
Следующий момент, чем больше содержится в воде солей магния и кальция, тем быстрее в процессе нагревания будет образовываться накипь. Таким образом, необходимо знать уровень жесткости очищаемой воды. Например, если жесткость воды менее 4 мг-экв/л, то умягчать ее кипячением не имеет смысла. Реакция термического осаждения в этом случае будет слишком медленной, и испарится большое количество воды. Это в свою очередь негативно повлияет на вкус воды, так как концентрация солей будет неоптимальной.
Еще один параметр влияющий на время, необходимое, чтобы выпали в осадок все соли жесткости, это площадь поверхности, на которой будет происходить осаждение, т.е. площадь стенок и дна, контактирующих с водой. Чем площадь больше, тем эффективнее будет идти процесс, и тем меньше времени он займет. Причем, эффективность будет расти также с увеличение слоя накипи на поверхности емкости.
В бытовых, домашних условиях результат этого метода можно проверить либо просто на вкус, либо с помощью специального устройства.
С целью определения точного времени, необходимого на термическое умягчение воды, применяют прибор TDS-метр, или солемер. Устройство измеряет общее количество солей в воде (в том числе учитываются соли жесткости). Таким образом, если в процессе кипячения произошло выпадение осадка, то прибор покажет меньшее количество содержания солей. Вместе с тем, можно также определить, когда термическое воздействие уже не убирает временную жесткость, а наоборот повышает общее количество солей из-за испаряющейся воды.
Рекомендуется использовать солемер с температурным компенсатором, тогда показания прибора по содержанию солей будут корректны при разных температурах нагреваемой воды.
2.2 Умягчение воды методом ионного обмена
Метод ионного обмена для умягчения воды – наиболее эффективен и широко применяется в промышленных масштабах, поскольку позволяет фильтровать значительное количество воды за короткие сроки. Основные показания для применения метода ионного обмена:
- содержание минеральных солей составляет 100-200 мг/л,
- высокий уровень жесткости.
Суть ионного обмена основана на свойстве ионообменных веществ или ионитов заменять положительные или отрицательные ионы в воде на соответствующее число ионов ионита. Бывает анионный и катионный обмен, а иониты соответственно могут быть анионами и катионами.
Иониты представляют собой неорганические либо высокомолекулярные органические соединения, труднорастворимые в воде, в составе которых присутствует подвижный катион или анион. Катионы поглощают положительные ионы солей, а анионы – отрицательные. Количество содержащихся в ионите противоинов определяет его емкость (чем значение емкости больше, тем выше эффективность умягчения).
Рис. 2 - Технологическая схема установки умягчения воды
В промышленности в качестве ионитов используют синтетические ионообменные смолы, а также сульфированные угли.
Процесс умягчения воды в установке с последовательным катионированием и анионированием: вода, проходя через гранулы катионитового фильтра избавляется от ионов магния и кальция, после чего поступает в анионитовый фильтр и освобождается от анионов. Затем с помощью дегазатора из воды удаляются диоксид углерода и кислород. Далее очищенная вода направляется потребителям.
Поскольку реакции ионного обмена обратимы, возможно осуществлять регенерацию отработанной смолы путем обработки соответствующими кислотными или щелочными растворами.
Преимущества технологии ионного обмена:
- максимально высокий уровень очистки и умягчения воды по сравнению с любыми другими методами,
- универсальность – может применяться как для подготовки питьевой воды в небольших масштабах, так и для очистки сточных вод в промышленных условиях,
- снижает концентрацию не только солей магния и кальция, но и других элементов, отрицательно влияющих на качество воды и имеющих способность к ионному обмену,
- легкость использования, так как фильтрующая установка не включает в себя сложные устройства, и эксплуатация сводится к простой регулярной замене картриджей, содержащих ионообменную смолу.
К недостаткам можно отнести следующие факторы:
- использованные реагенты требуют утилизации,
- регулярные расходы на регенерацию ионообменной смолы (для средних показателей жесткости воды, это необходимо осуществлять каждые три месяца) и замену после полной выработки,
- маленькая скорость умягчения воды, так как ионообменный материал отличается низким показателем гидрофильности, и медленно обменивается ионами.
Тем не менее, все вышеперечисленные минусы практически сводятся к минимуму, благодаря современным разработкам фильтров, которые позволяют снижать расходование реагентов, а использование катализаторов значительно ускоряет процесс умягчения.
Конструкционно ионообменные фильтры на сегодняшний день производятся двух типов:
- стационарные фильтры относительно компактных размеров, укомплектованные сменным картриджем,
- крупногабаритные ионообменные колонны, включаемые в водопроводную схему, и обладающие автоматизированной регенерацией наполнителя.
Ионообменные колонны состоят из следующих комплектующих:
- герметичная рабочая емкость, наполненная ионообменной смолой, в виде баллона или бака.
- клапан для управления подачей воды, оснащенный электронным процессором,
- резервуар для восстанавливающего реагента.
Фильтрующие установки для применения в бытовых нуждах и в промышленных областях одинаковы по устройству и принципу работы и отличаются только габаритами рабочей емкости, а также составом применяемых реагентов.
2.3 Умягчение воды обратным осмосом
Системы обратного осмоса используются с 70-х годов прошлого века и имеют довольно широкий спектр применения: для очистки воды, получения питьевой воды из морской, для водоподготовки в медицинских и промышленных целях.
Данный метод является одним из наиболее перспективным и развивающимся. С его помощью можно решить множество задач по улучшению качества воды:
- устранение солей жесткости, т.е. умягчение воды,
- снижение избыточной концентрации железа,
- устранение мелких механических примесей,
- устранение органических соединений и микроорганизмов,
- устранение хлора и нефтепродуктов,
- улучшение запаха, цвета и вкуса воды.
Обратный осмос представляет собой процесс очистки, когда вода под давлением протекает сквозь полупроницаемую мембрану. За счет свойств мембраны происходит разделение исходной жидкости на чистую воду и загрязненный раствор.
Рис. 3 - Технология умягчения обратным осмосом
Фильтры обратного осмоса способны удалить из воды частицы размером от 0,001 до 0,0001 мкм, в том числе молекулы солей магния и кальция. Используемые в фильтрах обратноосмотические мембраны имеют высокую чувствительность к загрязнениям. С целью повышения эффективности работы и продления срока эксплуатации перед системой ставят фильтры грубой очистки, задерживающие большие по размеру частицы вредных примесей.
Принцип работы системы обратного осмоса основан на продавливании водных молекул через мембрану из раствора с высокой концентрацией в менее концентрированный под действием давления. Все вещества, имеющие размер молекул больше, чем молекула воды, задерживаются в мембране. Так как мембрана периодически забивается, обратноосмотические установки оснащаются дренажными системами с обратной промывкой. Кроме того, с целью предотвращения появления ила и бактерий мембрана пропитывается специальным реагентом.
Работа обратноосмотического фильтра осуществляется таким образом: вода поступает в установку и медленно проходит через мембрану, одновременно в системе постепенно увеличивается давление, вследствие чего протекание воды сквозь мембрану останавливается. Затем, в результате резкого перепада давления, вода проталкивается в противоположном направлении.
По производительности и назначению различают несколько видов систем обратного осмоса:
- Бытовые системы «под мойку», способные давать до 200 л чистой воды в сутки, эффективны в квартирах, на дачах и в загородных домах – там, где требуется небольшой объем воды.
- Коммерческие системы, используемые для получения чистой и мягкой воды в различного рода учреждениях социального значения (школы, поликлиники и т.п.), а также в пунктах общественного питания (рестораны, кафе). Такие системы в сутки позволяют получить до 1100 л очищенной воды.
Рис. 4 - Пример коммерческой системы обратного осмоса Вагнер производительностью 250 л/ч
- Промышленные системы – применяются с целью получения деминерализованной воды и имеют производительность в диапазоне от 100 л/час до 100 м3/час и даже более. Промышленные установки нужны там, где наблюдаются высокие объемы водопотребления (производственные предприятия различных областей, для подготовки воды в небольших населенных пунктах, на крупных объектах промышленности).
3 Области применения систем умягчения воды
3.1 Умягчение воды в квартире
Проблема устранения жесткой воды в квартире актуальна практически для каждого жителя мегаполиса. Задачи, которые необходимо решать – препятствие образованию накипи, улучшение качественных характеристик воды.
Существует несколько видов фильтров, умягчающих воду, дающих на выходе объем, способный закрыть потребности одной семьи. К таким относятся проточные умягчители и приборы, устанавливаемые под мойку.
Проточные фильтры имеют ряд достоинств: они умягчают всю воду, которая поступает в квартиру, причем, для обработки полного объема воды можно использовать только один фильтр. Также они характеризуются долгим сроком эксплуатации и быстрой скоростью фильтрации, не требуют сложного обслуживания. Но проточные фильтры обладают также и ограничениями. Они будут эффективно умягчать воду, если показатель жесткости составляет не более 4 мг-экв/л.
Наиболее популярны электромагнитные проточные фильтры для умягчения. Принцип работы основан на использовании электрического процессора, создающего посредством сильных магнитов пронизывающие воду электромагнитные волны. Под действием последних кристаллы солей магния и кальция деформируются, и становятся неспособными образовывать соединения и выпадать в осадок (создавать накипь). Еще одним достоинством проточного электромагнитного умягчителя является то, что он также устраняет накипь, уже имеющуюся на внутренней поверхности водопроводных труб.
Умягчитель воды, устанавливаемый под мойку позволяет получить качественную питьевую воду. Чаще всего их рекомендуют устанавливать на кухню. Основные элементы входящие в состав фильтра под мойку:
- предварительные фильтры,
- модуль обратного осмоса,
- фильтрующие модули,
- емкость для накапливания очищенной воды,
- повышающий насос.
Рис. 5 - Схема очистки воды в квартире с использованием умягчающего картриджа для Big Blue 10"
Принцип действия умягчителей под мойку заключается в следующем: в фильтрующем модуле с полипропиленовым картриджем вода проходит первую ступень механической очистки, где устраняются вещества с частицами размером до 5 мкм. Эта мера защищает обратноосмотическую мембрану от крупных частиц, способных ее повредить. После этого вода переходит в угольный фильтр, задерживающий ряд вредных примесей с размером частиц до 1 мкм, таких как, продукты нефтепереработки, свинец, ртуть и т.п. Затем вода под давлением направляется в емкость с обратноосмотической мембраной, где происходит тонкая очистка воды, и вода пригодного качества поступает в накопительный бак, а оттуда – в водопроводный кран.
3.2 Умягчение в частных домах
Как следует из описанного выше, на сегодняшний день существует довольно много методов решения проблемы жесткой воды, и оборудования для решения этой задачи представлено в широком ассортименте.
В загородных домах вода чаще всего поступает из частной скважины или колодца. Для выбора наиболее подходящего фильтрующего устройства, прежде всего необходимо сделать лабораторный анализ скважинной воды.
Исходя из состава подбирается оптимальный метод и соответствующая умягчающая установка. Кроме того, нужно учитывать желаемый объем чистой воды на выходе.
Для загородных домов самыми популярными являются полифосфатный метод и ионный обмен. Суть работы полифосфатных умягчителей заключается в химической реакции между полифосфатом натрия и солями жесткости, результатом которой является не растворяемая пленка полифосфатов магния и кальция, препятствующая осадкоосаждению. Полифосфатные фильтры недороги, обладают компактными размерами и просты в эксплуатации, бывают различной производительности. Но важным моментом является то, что они предназначены для подготовки технической воды, а не питьевой, т.е. их оптимально использовать в хозяйственных нуждах – для стирки, уборки, полива растений и т.п.
Для подготовки питьевой воды лучше выбрать умягчитель основанный на ионном обмене, принцип работы которого описан выше.
3.3 Умягчение в котельных
Главные неприятности, которые вызывает жесткая вода в работе котельных, это известковые отложения, налет, коррозия – факторы, ведущие к снижению теплообмена, увеличению нагрузки, вследствие чего оборудование перегревается, снижается КПД. Кроме того, перечисленные проблемы влияют на безопасность эксплуатации котлов.
Для котельных установок есть несколько эффективных методов борьбы с жесткой водой. Они приведены ниже:
- Обратный осмос с использованием мембраны, задерживающей вредные примеси. Как уже было описано выше, это хороший метод для снижения жесткости, но имеет ряд недостатков. Мембрана чувствительна к повреждениям и при сильной загрязненности исходной воды быстро засоряется, приходя в негодность.
- Ионный обмен – наиболее популярная и эффективная технология. Проста в эксплуатации. Принцип работы также описан выше.
Рис. 6 - Двухступенчатое умягчение воды для водоподготовки котельных (степень очистки до 0,01 мг-экв/л.)
- Электродиализ – комплексное применение нескольких мембран во взаимодействии с электрополем. Недостатком данного метода является то, что помимо солей жесткости, устраняются и полезные вещества. Поэтому устройства, работающие по этому методу, лучше применять только для отопительных целей.
- Реагентное умягчение – понижение жесткости посредством химических веществ (как правило, применяют гашеную известь или соду). Реагент, взаимодействуя с солями жесткости, преобразует их в нерастворимое состояние, провоцируя выпадение осадка. Метод обладает эффективностью, но требует тщательного предварительного анализа воды, точной дозировки реагентов, а кроме того, необходимо постоянно отфильтровывать выпавший осадок. Реагентное умягчение подходит для подготовки технической воды.
Компания "Вагнер" с 2006 года занимается разработкой, производством и внедрением различных технологий умягчения воды: умягчителей, промышленных и бытовых систем обратного осмоса, систем электродеоинизации. Вы всегда можете обратиться в нашу компанию по телефону или электронной почте и наши специалисты обязательно Вам помогут.
