Умягчение воды ионообменными смолами

Одной из актуальных проблем воды является ее жесткость, обусловленная присутствием в воде значительного количества углекислых и сернокислых солей кальция, магния и железа – солей жесткости. Вода, содержащая более 7 мг-экв/л солей жесткости, считается жесткой.

Для некоторых областей применения воды жесткость не играет никакой роли. Например, при поливке газонов, тушении пожаров. Но, к сожалению, жесткость воды - это проблема не только воды для питья и приготовления пищи, но и воды, используемой в быту для стирки, мытья посуды и т. д. А для современной бытовой техники (стиральные, посудомоечные машины и т. д. ), автономных систем горячего водоснабжения и отопления, новейших образцов сантехники – жесткость воды – катастрофа. Поэтому борьба с ней крайне актуальна. Соли жесткости при нагревании выпадают в осадок, известный каждому как накипь, которая вызывает преждевременный выход из строя сантехники, бытовой техники, нагревательных котлов и труб.

Сегодня проблему жесткой воды решают умягчением ее следующими методами обработки: магнитное и электромагнитное воздействие, отбавление всевозможных “антинакипинов”. Принцип действия этих методов – связать соли жесткости и не давать им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи. Но наиболее эффективным и экономически оправданным методом удаления из воды солей жесткости является применение ионообменных смол в автоматических фильтрах-умягчителях. В основе работы таких фильтров лежит ионообменный процесс, при котором растворенные “жесткие” соли заменяются на “мягкие”, не образующие твердых отложений.

Целью нашей работы является определение степени жесткости воды с. Батырево, изучение способов умягчения воды и определение эффективности установки умягчения воды на основе ионообменных смол.

Состав воды. Жесткость. Зачем ее устранять.

Вода – весьма распространенное на Земле вещество. Почти ¾ поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха. Одной из важнейших характеристик природной воды является ее жесткость.

Жесткость воды – совокупность свойств воды, обусловленных наличием в нем катионитов кальция и магния. Сумма их концентраций выражается в моль/л или моль/кг называется общей жесткостью воды. Она складывается из карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости воды. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния ( устраняется кипячением ), вторая _ наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Различают воду мягкую (общая жесткость до 2ммоль/л ), средняя жесткость (2-10ммоль/л ) и жесткую (больше 10ммоль/л ).

Кругооборот воды в природе осадки выпадая на землю в виде дождя, снега, проходя через Грунд растворяют минералы. Источником могут служить, так же, микробиологические процессы, протекающие в почве на площади водосбора, сточные воды предприятия.

Жесткость воды – нежелательное явление. На стенках паровых котлов жесткая вода образует накипь, обладающую плохой теплопроводностью, вследствие чего увеличивается расход топлива. Кроме того, накипь способствует разъединению (коррозии) стенок котлов, что может повлечь за собой аварию. Трубки радиаторов от жесткой воды могут зарасти накипью, отчего радиатор перестает действовать.

Использование жесткой воды приводит к образованию накипи в котлах и отопительных приборах, повышает расход мыла и т. д. В жесткой воде плохо разваривается мясо, овощи. Плохо заваривается чай и т. д. Очень жесткая вода непригодна для питья.

Потери от жесткости воды в быту – это перерасход на 30-50% моющих средств при стирке белья и купании, плохие потребительские свойства воды: при заваривании кофе или чая в такой воде может выпасть бурый осадок, при кипячении на поверхности образуется пленка, вода приобретает характерный привкус; в жесткой воде хуже разваривается мясо, потому что соли жесткости с белками мяса образуют нерастворимые соединения, что, в свою очередь приводит к снижению усвояемости белков. Необходимо отдельно остановиться на влиянии жесткости воды на результат умывания и купания. Соли жесткости образуют с моющими веществами (мыло, шампунь, стиральный порошок) так называемые “мыльные шлаки” в виде пены, которая, высыхая, образует микроскопическую корку на коже и волосах, нанося существенный вред их здоровью. В результате появляется сухость волос, шелушение, зуд, перхоть. Одним из предвестников такого нежелательного воздействия является характерный “скрип” вымытой кожи и волос. А восстанавливать жировую пленку приходится косметическими кремами и масками. И наоборот, ощущение “мылкости” после мытья мягкой водой – это признак сохранения на коже защитной жировой пленки. Косметологи всего мира рекомендуют умываться мягкой (например, талой или дождевой) водой.

Способы устранения жесткости воды

Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т. п. При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерии. Кроме того, для обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды требуется не более 0. 7г хлора на 1т воды.

Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные примеси удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена.

Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлением, само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.

Чем глубже скважина тем больше жесткость воды. Существует два основных способа решения данной проблемы:

1. Замещение ионов кальция и магния а ионы натрия посредством ионообменных установок водоподготовки.

2. Преобразование растворенных солей кальция и магния в мелколлоидные структуры до поступления к водонагревательным элементам и теплообменниками.

Первый способ.

Вода от скважины поступает по трубопроводу в колонну заполненную гранулами ионообменной смолы. Проходя через гранулы ионообменной смолы вода отдает ей ионы кальция и магния насыщаясь ионами натрия, с чем и поступает к потребителям. По мере работы ресурс ионообменной смолы уменьшается. Для его восстановления требуется периодичная обработка ионообменной смолы раствором поваренной соли.

Функция слежения за ионообменным ресурсом смолы выполняет электронный блок управления располагаемый «на голове» колонны. В блоке управления под действием электрического тока происходит переключение каналов обеспечивающих смену режимов: фильтрование (жесткой воды ) , промывки смолы от задержанной грязи, регенерация смолы раствором соли, промывка смолы от соли. Запас раствора соли находится в отдельном баке рядом с колонной. Промывная вода и раствор соли по окончанию циклов промывки отводится в канализацию. В зависимости от производительности установки расход воды на промывку колеблется от 300л до 1000л. Для приготовления соляного раствора используется таблетированная соль расфасованная в мешки. Насос в скважине или напор в водонапорной башне должны обеспечивать промывку ионообменной смолы.

Второй способ.

Вода от скважины проходит по трубопроводу к потребителям на который намотаны провода от низкочастотного генератора. Провода на трубопроводе образуют катушки индуктивности создающие в водопроводной трубе переменное электромагнитное поле заданной частоты. Полярные молекулы воды, ориентируясь по силовым линиям поля, отпускают ионы металлов, способствуя коагуляции солей. В результате на нагревательных элементах не происходит отложение солей.

Ионообменные смолы

Ионообменные смолы (ионообменные полимеры)- синтетические органические иониты. Твердые, нерастворимые органические набухающие в растворах электролитов и органических растворителях сшитые полимеры, способные к электролитической диссоциации.

Ионообменные смолы нашли широкое применение во всем мире в устройствах по водоочистке с конца 20века. Это мелкие шарики из полимерных материалов, насыщенных ионами, способные изымать из воды различные ионы, взамен отдавая свои, их для удобства назвали «ионообменными смолами», хотя правильное научное название их – «иониты». По структуре иониты подразделяются на гелевые, способные к ионообмену только в набухшем состоянии, макропористые и промежуточной структуры. Если иониты обменивают анионы – это аниониты, если катионы – катиониты.

Аниониты классифицируются как сильноосновные ( обмен анионов происходит при любых значениях pH), слабоосновные ( обмен анионов из кислот – pH 1 ), смешанной активности.

Катиониты бывают сильнокислотные, способные к ионообмену при любых значениях pH, и слабокислотные – ионообмен при pH больше 1.

Основным показателями ионитов является влажность, которая химически связана в смоле, весовая и объемная (определяющиеся стандартными методами ) и рабочая ионообменная ( зависящая от и размеров слоя смолы, от свойств растворов) емкости. Метод ионообменных смол с наибольшим успехом применяется для решения таких проблем с водой, как удаление растворенного железа из воды и умягчение жесткой воды

Современные синтетические - ионообменные смолы чрезвычайно надежны и долговечны, благодаря чему обеспечивается высокая производительность фильтров. Срок службы смолы достигает 6-8 лет в зависимости от исходного качества воды. Соли жесткости создают большие проблемы в энергетике. Откладываясь на поверхности нагрева водонагревательных установок, несколько раз уменьшают теплопроводность, ведут к перегреву и выводу из строя котловых труб.

Фильтр для очистки воды серии ФИП на основе ионообменной смолы установлен в котельной нашей школы. Я решила изучить механизм умягчения воды с помощью ионообменных смол и сравнить эффективность их работы с другими методами.

Классификация ионитов

По химической природе каркаса неорганические органические минерально-органические

По структуре гелевые макропористые

По природе обмениваемых ионов катиониты аниониты

Назначение, устройство, принцип работы установки «Фильтр для очистки воды серии ФИП- 0,21-0,6-1,5»

1. Назначение

Установка ФИП предназначена для очистки воды от взвешенных частиц, привкусов, запахов, цветности, органических соединений, свободного активного хлора, железа, для глубокого умягчения подпиточной воды тепловых сетей до нормативной жесткости. Извлечение загрязнений из воды в зависимости от их химической природы осуществляется, во-первых, в результате их сорбции поверхностью частиц сорбента, и, во-вторых, вследствие задержания взвешенных частиц и образования осадка в толще фильтрующего слоя. Фильтр применяется при следующих условиях:

- давление воды, поступающей на фильтр – не менее 2,5 и не более 6,0 кг/см3;

- температура воздуха в помещении 5-350С, влажность воздуха – не более 70%.

Технические характеристики фильтра ФИП- 0,21-0,6-1,5:

Производительность – до 1500л/ч;

Размеры фильтра, диаметр – высота – 210-1450мм;

Объем сорбента – 35л.

2. Устройства

Представляют собой установку, стоящая из регулирующей арматуры корпуса, внутри расположены: нижнее распределительное устройство ( колпачок с отверстием), резервуар катионита.

3. Принцип работы установки.

Процесс удаления солей кальция и магния – умягчения. Умягчение обусловлено реакцией обмена ионов кальция и магния, находящиеся в сырой воде, обуславливающих жесткость, на ионы натрия, находящихся в катионите ( ионообменный материал). Ионы обмена материала представляет собой высокомолекулярное соединение трехмерной гелевой и макропористой структурой, содержащий функциональные группы кислотного характера способные к реакциями катионного обмена. Основной характеристики умягчающих свойств катионита является величина его рабочей обменной емкости Ераб, выражается количеством грамм - эквивалентов катионов, поглощаемых одним кубическим метром катионитом (г-экв/м³). Чем выше обменная способность катионита, тем выше продолжительность работы умягчителя

Работа умягчителя заключается последовательно повторения четырех технологических операций: взрыхления, регенерация, отмывка катионита и умягчение обрабатываемой воды.

1) Взрыхление /обратная промывка/ приводит катионит во взвешенное состояние и предназначено для устранения местных уплотнений в слое катионита, обеспечивая полный контакт регенерационного раствора с зернами катионита. Кроме того, при обратной промывке удаляются загрязнения внесенные обрабатываемой водой, а также разрушение в процессе эксплуатации зерна катионита. Взрыхление производится 15-20 минут. При взрыхлении необходимо постоянно наблюдать за выносом мелких частиц, для этого каждые 2-3 мин отбирается проба воды.

2) Регенерация катионита / восстановление ионообменной способности катионита/

После замены всех обменных катионов натрия катионами кальция и магния , катинит истощается, т. е. теряет способность умягчать воду для восстановления превоначальной величины рабочей обменной емкости необходимо удержанные катионитом катионы удалить из него и заменить обменным путем катионом натрия. Этот процесс называется умягчением. Сущность этого метода заключается в том, что в резервуар катионита в определенном количестве подается раствор соли 6-8% концентрации. Для этого из солевого раствора раствор подается в фильтр и фильтр оставляется на «контакт с солью» не менее чем на 2 часа. Химические процессы, протекающие при регенерации, выражаются следующим уравнением:

СаК2+2NaCl=2NaK+CaCl2

MgK2+2NaCl=2NaK+MgCl2

3) Отмывка

Предназначена для удаления продуктов регенерации – хлористых солей жесткости ( CaCl2,MgCl2)

4) Умягчение

Умягчение происходит путем обмена ионов кальция и магния, находящихся в сырой воде и обуславливающих ее жесткость, на ионы натрия, находящихся в катионите. При умягчении воды протекают следующие реакции:

Ca(HCO3)2+2NaK=CaK2+2NaHCO3

Mg(HCO3)2+2NaK=MgK2+2NaHCO3

CaSO4+2NaK=CaK2+Na2SO4

MgSO4+2NaK=MgK2+Na2SO4

CaCl2+2NaK=CaK2+2NaCl

MgO4+2NaK=MgK2+2NaCl

Символ Кат обозначает катионит.

Во время работы фильтра через каждые 2-3 часа производится анализ умягченной воды.

Жесткость умягченной воды Жу. в. не более 100 мкг-экв/л. При достижении жесткости воды в фильтре более 100 мкг-экв/л, то фильтр необходимо отключить на регенерацию.

Средние показатели анализа воды шахтных колодцев и артскважины села Батырева.

(По данным Батыревской санэпидемстанции)

Определяемые Стандарты Шахтные колодца артскважина

Показатели

Окисляемость 5,0мг/л 2,2мг/л 1,8мг/л

РН показатель 6-9 7,8 7,5

Аммиак 2,0 0,05 1,2

Общая минерализация 1000мг/л 1730мг/л 1910мг/л

Нитраты 45,0мг/л 164мг/л 1,2мг/л

Жёсткость 7,0мг-экв/л 20,6мг-экв/л 4,8мг/л

Хлориды 350,0мг/л 130мг/л 106мг/л

Сульфаты 500,0мг/л 290,6мг/л 1356,5мг/л

Железо 0,3мг/л 0,3мг/л 0,2мг/л

Медь 1мг/л 0,02мг/л 0,05мг/л

Цинк 5,0мг/л <0мг/л <0,1мг/л

Соли магния 1,95мг/л 6,95мг/л

Свинец 0,03мг/л <0,01мг/л <0,01мг/л

Соли кальция - 8,00мг/л 5,65мг/л

Методика определения жесткости воды

Определение жесткости воды

Суммарная концентрация в воде соединений кальция и магния, выраженная в мг-экв/кг или мкг-экв/кг, называется общей жесткостью воды.

1. Ход анализа

В колбу емкостью 250мл отмеривают 100 мл исследуемой воды, добавляют 5 мл аммиачно-буферного раствора и 5-7 капель индикатора хромтемносинего. Титруют при непрерывном помешивании 0. 1 н раствором трилона Б (при анализе исходной воды) и 0. 01 н раствором трилона Б (при анализе умягченной воды) до периода окраски розового цвета в сине- сиреневый:

Жесткость сырой воды = 0. 1 н *А*1000/100=Вмг-экв/л

Жесткость умягченной воды=0. 01 н *Б*1000\100=Вмг-экв/л

. Где: А – кол-во 0. 1 н раствора трилона Б, израсходованного на титрование;

Б – кол-во 0. 01 н раствора трилона Б, израсходованного на титрование.

2. Приготовление реактивов

2. 1. Приготовление аммиачно-буферного раствора

20г. хлористого аммония (NH4Cl) растворяют в 100мл водного раствора 25% раствора аммиака и объем до 1 литра доводят дистиллированной водой или 250мл нашатырного спирта 1 и 20г. Хлористого аммония доводят до 1л дистиллированной водой.

2. 2. Приготовление 0. 1 н раствора трилона Б.

Навеску 18. 6 трилона Б растворяют в 1л дистиллированной воды или 100мл

2. 3. Приготовление 0. 01 н раствора трилона Б

Навеску 1. 86 трилона Б растворяют в 1л дистиллированной воды или100мл

1. н раствора трилона Б доводят до 1 литра дистиллированной водой.

2. 4. Приготовление раствора индикатора хромтемно-синего.

0. 5г навески хромтемно-синего растворяют в 20мл аммиачно-буферного раствора и объем доводят до 100мл этиловым спиртом.

Результаты работы фильтра на основе ионообменной смолы

Жесткость сырой воды артскважины, расположенной на территории школы: 4-5мг-экв/л.

Жесткость умягченной воды: 0,3-0,5мг-экв/л.

Норма жесткости воды для парового котла: 0,7мг-экв/л.

Выводы:

Я выяснила, что наша Батыревская вода является жесткой: жесткость воды шахтных колодцев превышает нормы САНПиНа в 2-3 раза, а для водонагревательных установок – в 10 раз, вода артскважин является более мягкой, но также требует умягчения при использовании в водонагревательных установках.

Наиболее эффективным и экономически оправданным методом удаления из воды солей жесткости является применение ионообменных смол в автоматических фильтрах-умягчителях. В основе работы таких фильтров лежит ионообменный процесс, при котором растворенные “жесткие” соли заменяются на “мягкие”, не образующие твердых отложений.

Фильтр для очистки воды серии ФИП, установленный в котельной нашей школы, доказал свою эффективность, снижая концентрацию ионов жесткости более чем в 10 раз. Пропусканием воды через бытовые водоочистительные приборы ( «Родничок», «Аквалон» и др. ), жесткость воды снижается лишь на 30%.

Рекомендуется использовать в быту для водонагревательных установок индивидуальные фильтры – умягчители на основе ионообменных смол.