Умягчение воды с помощью катионитовых смол

В статье рассматривается широко используемый способ снижения жесткости воды (ее умягчения) с помощью метода катионирования – пропуска воды через катионитовый фильтр.

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

Расчет жесткости воды

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.

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 натрий-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.

Схемы Na-катионитового фильтра

Схема бытового Na-катионитового фильтра для загородного дома

Схема промышленного Na-катионитового фильтра

Требования к качеству воды, подаваемой на натрий-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.