АНАЛИЗ МЕТОДОВ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ В СТРУКТУРЕ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.224

Гусева К.А.

ФГБОУ ВО «КГЭУ» (г. Казань, Россия)

Научный руководитель: Власова А.Ю.

канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВО «КГЭУ» (г. Казань, Россия)

АНАЛИЗ МЕТОДОВ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ В СТРУКТУРЕ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА

Аннотация: в данной статье представлены результаты определения жесткости воды, используемой в жилищно-коммунальном хозяйстве, методы умягчения данной воды и их анализ. Нами была исследуема питьевая вода жилого дома города Казани.

Ключевые слова: питьевая вода, умягчение воды, термический метод умягчения воды, реагентный метод умягчения воды.

Под умягчением воды подразумевается процесс удаления из нее катионов кальция и магния. В соответствии с ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» жесткость воды не должна превышать 7 мг-экв/л. Умягчение воды осуществляют следующими методами:

термическим, основанным на нагревании питьевой воды, ее дистилляции; реагентным, при котором находящиеся в воде ионы Са ( II ) и М^ ( II ) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения; ионного обмена, основанного на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы № ( I ) или

Н ( I ) на ионы Са (II) и М^ ( II ), содержащиеся в воде диализа.

Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями. В соответствии с рекомендациями СНиП при умягчении подземных вод следует применять ионообменные методы; при умягчении поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды, - известковый или известково-содовый метод, а при глубоком умягчении воды - последующее катионирование. Основные характеристики и условия применения методов умягчения воды приведены в табл. 1.

Таблица 1. Методы умягчения воды

Показатель Термический Реагентный Ионообменный Диализ

Характеристика Воду нагревают до В воду добавляют Умягчаемая вода Исходная вода

процесса температуры выше известь, пропускается фильтруется через

100°С, при этом устраняющую через полупроницаемую

удаляется карбонатную и катионитовые мембрану

карбонатная и магниевую фильтры

некарбонатная жесткость, а также

жесткости (в виде соду, устраняющую

карбоната кальция, некарбонатную

гидроксида магния и жесткость

гипса)

Назначение Устранение Неглубокое Глубокое Глубокое

метода карбонатной умягчение при умягчение воды, умягчение воды

жесткости из воды, одновременном содержащей

употребляемой для осветлении воды от незначительное

питания котлов взвешенных количество

низкого и среднего веществ взвешенных

давления веществ

Расход воды на собственные нужды Не более 10% До 30% и более пропорционально жесткости исходной воды 10

Условия эффективного применения: мутность исходной воды, мг/л До 50 До 500 Не более 8 До 2,0

Жесткость воды, мг-экв/л Карбонатная жесткость с преобладанием Са(НС0з)2, некарбонатная жесткость в виде гипса 5.30 Не выше 15 До 10,0

Остаточная жесткость воды, мг-экв/л Карбонатная жесткость до 0,035, СаБ04 до 0,70 До 0,70 0,03.0,05 прн одноступенчатом и до 0,01 при двухступенчатом катионировании 0,01 и ниже

Температура воды,°С До 270 До 90 До 30 (глауконит), до 60 (сульфоугли) До 60

Термический метод умягчения воды

Термический метод умягчения воды целесообразно применять при использовании карбонатных вод, идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами умягчения воды. Он основан на смещении углекислотного равновесия при ее нагревании в сторону образования карбоната кальция, что описывается реакцией

Са (НС0з ) 2 -> СаСОз + СО2 + Н2 0.

Равновесие смещается за счет понижения растворимости оксида углерода (IV), вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить оксид углерода (IV) и тем самым значительно снизить карбонатную кальциевую жесткость. Однако, полностью устранить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция хотя и незначительно (13 мг/л при температуре 18°С), но все же растворим в воде. При наличии в воде гидрокарбоната магния процесс его осаждения происходит следующим образом: вначале образуется сравнительно хорошо растворимый (110 мг/л при температуре 18° С) карбонат магния Mg (НСО3 ) ^ MgC0з + С02 + Н2 0,который при продолжительном кипячении гидролизуется, в результате чего выпадает осадок малорастворимого (8,4 мг/л) гидроксида магния MgC0з +Н2 0 ^ Mg (0Н) 2 +СО2 .

Следовательно, при кипячении воды жесткость, обусловливаемая гидрокарбонатами кальция и магния, снижается. При кипячении воды снижается также жесткость, определяемая сульфатом кальция, растворимость которого падает до 0,65 г/л. На рис. 1 показан термоумягчитель конструкции Копьева, отличающийся относительной простотой устройства и надежностью работы. Предварительно подогретая в аппарате обрабатываемая вода поступает через эжектор на розетку пленочного подогревателя и разбрызгивается над вертикально размещенными трубами, и по ним стекает вниз навстречу горячему пару. Затем совместно с продувочной водой от котлов она по центрально подающей трубе через дырчатое днище поступает в осветлитель со взвешенным осадком. Выделяющиеся при этом из воды углекислота и кислород вместе с избытком пара сбрасываются в атмосферу. Образующиеся в процессе нагревания воды соли кальция и магния задерживаются во взвешенном слое. Пройдя через взвешенный слой, умягченная вода поступает в сборник и отводится за пределы аппарата. Время пребывания воды в термоумягчителе составляет 30-45 мин, скорость ее восходящего движения во взвешенном слое 7-

10 м/ч, а в отверстиях ложного дна 0,1.0,25 м/с.

Рис. 1. Термоумягчитель конструкции Копьева.

15 - сброс дренажной воды; 12 - центральная подающая труба; 13 - ложные перфорированные днища; 11 - взвешенный слой; 14 - сброс шлама; 9 - сборник умягченной воды; 1, 10 - подача исходной и отвод умягченной воды; 2 -продувка котлов; 3 - эжектор; 4 - выпар; 5 - пленочный подогреватель; 6 - сброс пара; 7 - кольцевой перфорированный трубопровод отвода воды к эжектору; 8 -наклонные сепарирующие перегородки.

Реагентные методы умягчения воды

Умягчение воды реагентными методами основано на обработке ее реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения: М§ (ОН) 2 , СаС03 , Са3 (Р04 ) 2 , М§3 (Р04 ) 2 и другие с последующим их отделением в осветлителях, тонкослойных отстойниках и осветлительных фильтрах. В качестве реагентов используют известь, кальцинированную соду,

гидроксиды натрия и бария и другие вещества.

Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарботаной жесткости, а также в случае, когда не требуется удалять из воды соли некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде раствора или суспензии (молока) в предварительно подогретую обрабатываемую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ионами ОН - и Са2+ , что приводит к связыванию растворенного в воде свободного оксида углерода (IV) с образованием карбонатных ионов и переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные:

С02 + 20Н - ^ СОз + Н2 0,НС0з - + ОН - ^ СОз - + Н2 О. Повышение в обрабатываемой воде концентрации ионов С032- и присутствие в ней ионов Са2+ с учетом введенных с известью приводит к повышению произведения растворимости и осаждению малорастворимого карбоната кальция:Са2+ + С03 2- ^ СаС03 .При избытке извести в осадок выпадает и гидроксид магния Mg2+ + 20Н - ^ Mg (ОН) 2.

Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто ее подогревом, добавлением избытка реагента-осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимися осадками. При подогреве воды уменьшается растворимость СаСО3 и Mg (ОН) 2 и более полно протекают реакции умягчения Остаточная жесткость, близкая к теоретически возможной, может быть получена только при значительном подогреве воды. Значительный эффект умягчения наблюдается при 35-40°С, дальнейший подогрев менее эффективен. Глубокое умягчение ведут при температуре выше 100° С. Большой избыток реагента-осадителя при декарбонизации добавлять не рекомендуется, так как возрастает остаточная жесткость из-за непрореагировавшей извести или при наличии в воде магниевой некарбонатной жесткости вследствие ее перехода в кальциевую жесткость:

МвБ04 + Са (ОН) 2 = Mg (ОН) 2 + СаБ04

Поэтому рекомендуется принимать избыток извести не более 0,5 мг-экв/л.

При известково-содовом методе также не рекомендуется применять большие избытки извести, однако, в данном случае они не вызывают увеличения остаточной жесткости, поскольку снимаются содой:

Са (0Н) 2 + №2 С03 = СаС03 +2КаОН,

но избыток извести приводит к нерациональному перерасходованию соды, повышению стоимости умягчения воды и увеличению гидратной щелочности. Поэтому избыток соды принимают около 1 мг-экв/л.

Жесткость воды в результате контакта с ранее выпавшим осадком понижается на 0,3-0,5 мг-экв/л п сравнению с процессом без контакта с осадком.

Контроль процесса умягчения воды следует осуществлять коррекцией рН умягченной воды. Когда это невозможно, его контролируют по значению гидратной щелочности, которую при декарбонизации поддерживают в пределах 0,1-0,2 мг-экв/л, при известково-содовом умягчении - 0,3-0,5 мг-экв/л.

Содово-натриевый метод обычно применяют для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного больше некарбонатной. Если карбонатная жесткость приблизительно равна некарбонатной, соду можно совсем не добавлять, поскольку необходимое ее количество для умягчения такой воды образуется в результате взаимодействия гидрокарбонатов с едким натром. Доза кальцинированной соды увеличивается по мере повышения некарбонатной жесткости воды.

Содорегенеративный метод, основанный на возобновлении соды в процессе умягчения, применяют при подготовке воды, для питания паровых котлов низкого давления:

Са (НС03 ) 2 + №2 С03 = СаС03 + 2КаН№ .

Гидрокарбонат натрия, попадая в котел с умягченной водой, разлагается под влиянием высокой температуры:

2NаHC0з = №2 С03 + Н2 0 + С02 .

Образующаяся при этом сода вместе с избыточной, введенной вначале в водоумягчитель, тут же в котле гидролизует с образованием гидроксида натрия и оксида углерода (IV), который с продувочной водой поступает в водоумягчитель, где используется для удаления из умягчаемой воды гидрокарбонатов кальция и магния. Недостаток этого метода состоит в том, что образование значительного количества СО2 в процессе умягчения вызывает коррозию металла и повышение сухого остатка в котловой воде.

Умягчение воды диализом

Диализ - метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Под действием градиента концентрации (по закону действующих масс) растворенные вещества с различными скоростями диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора. Растворитель (вода) диффундирует в обратном направлении, снижая скорость переноса растворенных веществ. Диализ осуществляют в мембранных аппаратах с нитро - и ацетатцеллюлозными пленочными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны для умягчения воды определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы.

Существует несколько гипотетических моделей действия полупроницаемых мембран.

Гипотеза гиперфильтрации предполагает существование в полупроницаемой мембране пор, пропускающих при диализе ассоцианты молекул воды и гидратированные ионы солей. Основой теоретических

разработок явилось положение о том, что через полупроницаемую мембрану вода и растворенные в ней соли проникают с помощью диффузии и потоков через поры.

Сорбционная модель проницаемости основана на предпосылке, согласно которой на поверхности мембраны и в ее порах адсорбируется слой связанной воды, обладающей пониженной растворяющей способностью. Мембраны будут полупроницаемы, если они, хотя бы в поверхностном слое имеют поры, не превышающие по размеру удвоенной толщины слоя связанной жидкости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Чичиров А.А., Чичирова Н.Д., Волков М.А., Власов С.М. Комплексная реагентная обработка воды системы технического водоснабжения с градирнями на ТЭС. //Труды Академэнерго. - 2012. -- №1.

Егоров А.И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.

Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М., 1984.

Guseva K.A.

KSPEU (Kazan, Russia)

Scientific adviser: Vlasova A.Y.

Associate Professor KSPEU (Kazan, Russia)

ANALYSIS OF WATER SOFTENING METHODS IN THE STRUCTURE HOUSING AND COMMUNAL SERVICES

Abstract: this article presents the results of determining the hardness of water used in housing and communal services, methods of softening this water and their analysis. We investigated the drinking water of a residential building in the city of Kazan.

Keywords: drinking water, water softening, thermal method of water softening, reagent water softening method.