Умягчения воды является удаление кальция , магния и некоторых других металлов катионов в жесткой воде . Полученная в результате мягкая вода требует меньше мыла для тех же усилий по очистке, поскольку мыло не тратится впустую, связываясь с ионами кальция. Мягкая вода также продлевает срок службы сантехники за счет уменьшения или устранения накипи на трубах и фитингах. Умягчение воды обычно достигается с помощью умягчителя извести или ионообменных смол, но все чаще достигается с помощью нанофильтрации [ необходима цитата ] или обратного осмоса. мембраны.
Обоснование
Наличие определенных металлических ионов , таких как кальций и магний , главным образом, как бикарбонаты , хлориды и сульфаты в воде вызывает различные проблемы. [1]
Жесткая вода приводит к образованию накипи , которая может загрязнять водопровод и способствовать гальванической коррозии . [2] На заводах по умягчению воды в промышленных масштабах в сточных водах процесса регенерации может образовываться накипь, которая может мешать работе канализационных систем. [3]
Ощущение скользкости, связанное с стиркой в мягкой воде, вызвано более слабым притяжением мыла к ионам воды, когда вода лишена минеральных веществ. Поверхность человеческой кожи имеет легкий заряд, который мыло имеет тенденцию связываться, и для его удаления требуется больше усилий и больше воды. [4] Жесткая вода содержит ионы кальция или магния, которые при взаимодействии с мылом образуют нерастворимые соли , оставляя на поверхности ванны и душа слой нерастворимых стеаратов , обычно называемый мыльной пеной . [4] [5]
Методы
Наиболее распространенные средства для удаления жесткости воды - это ионообменная смола или обратный осмос . Другие подходы включают методы осаждения и связывание путем добавления хелатирующих агентов.
Метод ионообменной смолы
Обычные устройства для умягчения воды, предназначенные для домашнего использования, зависят от ионообменной смолы, в которой «ионы жесткости» - в основном Ca 2+ и Mg 2+ - обмениваются на ионы натрия . [6] Как описано в стандарте NSF / ANSI 44 , [7] ионообменные устройства снижают жесткость, заменяя магний и кальций (Mg 2+ и Ca 2+ ) ионами натрия или калия (Na + и K + ) ».
Ионообменные смолы - это органические полимеры, содержащие анионные функциональные группы, с которыми двухвалентные катионы (Ca 2+ ) связываются сильнее, чем одновалентные катионы (Na + ). Неорганические материалы, называемые цеолитами, также обладают ионообменными свойствами. Эти минералы широко используются в стиральных порошках . Также доступны смолы для удаления карбонатных, бикарбонатных и сульфатных ионов, которые абсорбируются, и гидроксид-ионов, которые высвобождаются из смолы. [ необходима цитата ]
Когда все доступные ионы Na + заменены ионами кальция или магния, смолу необходимо повторно зарядить, элюируя ионы Ca 2+ и Mg 2+ с использованием раствора хлорида натрия или гидроксида натрия , в зависимости от типа используемой смолы. [8] Для анионных смол для регенерации обычно используется раствор гидроксида натрия ( щелочь ) или гидроксида калия. Сточные воды, элюированные из ионообменной колонки, содержащие нежелательные соли кальция и магния, обычно сбрасываются в канализационную систему. [3]
Пополнение баланса обычно происходит в следующем порядке: [9]
Обратная промывка
Вода направляется через смолу в направлении, противоположном нормальному потоку, и выходящая вода направляется в канализацию для утилизации. Этот 10-минутный процесс вымывает твердые частицы и расширяет слой смолы.
Розыгрыш рассола
Вода направляется через струйный насос , который забирает соленую воду из солевого бака, прежде чем вода и рассол пройдут через слой смолы в нормальном направлении, если прямоток , или в обратном направлении, если противоток . [10] Результат этого типичного 30-минутного процесса сбрасывается через сливной шланг.
Смывать
Забор рассола прекращается, но вода продолжает течь от входа к выходу, постепенно вымывая рассол из слоя смолы. Промывочная вода течет медленно в течение нескольких минут, затем с большей скоростью в течение часа. В какой-то момент резервуар для рассола наполняется свежей водой.
Умягчение извести
Смягчение извести - это процесс, при котором известь добавляется в жесткую воду, чтобы сделать ее мягче. Он имеет несколько преимуществ по сравнению с методом ионного обмена, но в основном подходит для промышленных применений очистки. [11]
Хелатирующие агенты
Хелаторы используются в химическом анализе в качестве смягчителей воды и входят в состав многих коммерческих продуктов, таких как шампуни и пищевые консерванты . Лимонная кислота используется для смягчения воды в мыле, средствах личной гигиены и стиральных порошках . Обычно используемым синтетическим хелатирующим агентом является этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), которая может существовать в виде тетранатриевой или динатриевой соли. Из-за опасений по поводу токсичности для окружающей среды и водной среды, связанных с широким использованием ЭДТА в бытовых продуктах и продуктах личной гигиены, более распространенными находят такие альтернативы, как фитат натрия / фитиновая кислота , диацетат тетранатрия глутамата и тринатрийэтилендиаминдисукцинат.
Стиральный содовый метод
В этом методе вода обрабатывается расчетным количеством промывочной соды (Na 2 CO 3 ), которая превращает хлориды и сульфаты кальция и магния в их соответствующие карбонаты, которые осаждаются.
CaCl 2 + Na 2 CO 3 -> CaCO 3 + 2NaCl
MgSO 4 + Na 2 CO 3 -> MgCO 3 + Na 2 SO 4
Дистилляционная и дождевая вода
Поскольку Ca 2+ и Mg 2+ существуют в виде нелетучих солей, их можно удалить дистилляцией воды. В большинстве случаев перегонка обходится слишком дорого. Дождевая вода мягкая, потому что она подвергается естественной дистилляции во время цикла испарения, конденсации и выпадения осадков. [12]
Обратный осмос
Обратный осмос использует приложенный градиент давления через полупроницаемую мембрану для преодоления осмотического давления и удаления молекул воды из раствора с помощью ионов жесткости. Мембрана имеет достаточно большие поры, чтобы пропускать молекулы воды; ионы жесткости, такие как Ca 2+ и Mg 2+ , не проходят через поры. В результате получается мягкая вода без ионов жесткости без добавления каких-либо других ионов. Мембраны - это фильтр для воды, требующий регулярной очистки или замены.
Дистилляция и обратный осмос - два наиболее широко используемых нехимических метода умягчения воды.
Нехимические устройства
Некоторые производители заявляют, что производимые ими электрические устройства могут влиять на взаимодействие минералов с водой, так что минералы не связываются с поверхностями. Поскольку эти системы не работают за счет обмена ионов, как это делают традиционные умягчители воды, одно из преимуществ, заявленных для пользователя, заключается в устранении необходимости добавлять соль в систему. Такие системы не удаляют минералы из самой воды. Скорее, они могут только изменить эффекты ниже по течению, которые в противном случае имели бы минеральные воды. Эти системы не подпадают под термин «умягчение воды», а скорее «кондиционирование воды».
Подобные утверждения относительно магнитной обработки воды не считаются действительными. Например, при научных испытаниях такого магнитного устройства не было обнаружено уменьшения образования накипи. [13]
Альтернативы ионообменным умягчителям воды
Удаление или замена минералов в жесткой воде называется умягчением воды. Альтернативная очистка воды называется водоподготовкой, при которой минералы остаются в воде, но изменяются таким образом, чтобы не образовывать накипь. Хотя в Соединенных Штатах есть стандарты для измерения содержания минералов в воде, в них нет стандартов для измерения способности воды к образованию накипи. Вместо этого исследователи используют немецкий протокол DVGW-W512. [14]
Дождевая вода содержит растворенный диоксид углерода, взятый из атмосферы. Часть растворенного диоксида углерода реагирует с водой с образованием угольной кислоты , которая остается в растворе. Минералы, содержащие кальций и магний, образуют растворимые бикарбонаты при воздействии угольной кислоты. Вода, содержащая эти минералы, известна как «жесткая вода».
Когда жесткая вода нагревается в водопроводной системе, диоксид углерода выходит из раствора, а бикарбонаты превращаются в карбонаты, которые гораздо менее растворимы. Карбонаты связываются с поверхностями водопровода, обеспечивая затравочные кристаллы для дальнейшего роста кристаллов, которые накапливаются в виде твердой накипи.
Устройства для физической очистки воды (PWT) заставляют микроскопические кристаллы минералов образовываться и оставаться во взвешенном состоянии, когда они текут с водой, а также действуют как зародыши для дальнейшего роста кристаллов. Когда вода нагревается, минералы кристаллизуются на этих семенах, а не в водопроводной системе. Растворенные минералы превращаются в нерастворимые твердые частицы во взвешенном состоянии, проходя через систему, не связываясь с поверхностями водопровода. [15]
Ассоциация WateReuse спонсировала исследование альтернатив ионообменных умягчителей воды. Работа была выполнена Университетом штата Аризона и HDR Engineering . Они протестировали четыре новые технологии, и все они привели к уменьшению масштабирования, как показано в таблице: [16] [17]
Уход | Нормализованное образование накипи |
---|---|
Нет лечения | 1,00 |
Электромагнитная очистка воды | 0,57 |
Осадки, вызванные электричеством | 0,50 |
Емкостная деионизация | 0,17 |
Ионный обмен | 0,06 |
Кристаллизация с помощью шаблона | 0,04 |
Кристаллизация с помощью шаблона
Холодная вода проходит через резервуар, содержащий крошечные полимерные шарики, поверхность которых обнажает затравочные кристаллы для растворенных минералов. Кристаллы растут на этих семенах и отламываются, будучи еще микроскопическими. Поскольку эти крошечные частицы проходят через водонагреватель, дальнейший рост кристаллов происходит на частицах, а не на водонагревателе. Этот процесс называется кристаллизацией с помощью матрицы (TAC) или кристаллизацией с помощью зародышеобразования (NAC). Полимерные шарики представляют собой полифосфаты размером от 0,5 до 2,0 мкм. [ необходима цитата ]
Воздействие на здоровье
CDC рекомендует ограничить ежедневное общее потребление натрия до 2300 мг в день, [18] , хотя средний американец потребляет 3500 мг в день. [19] Поскольку количество натрия в питьевой воде - даже после умягчения - не составляет значительного процента от ежедневного потребления натрия человеком, EPA считает, что содержание натрия в питьевой воде маловероятно, чтобы вызвать неблагоприятные последствия для здоровья. [20]
Для тех, кто придерживается диеты с ограничением натрия, использование системы обратного осмоса для питьевой воды и воды для приготовления пищи удалит натрий и любые другие примеси, которые могут присутствовать. Хлорид калия также можно использовать в качестве регенератора вместо хлорида натрия, хотя он более дорогостоящий. Однако у людей с нарушенной функцией почек повышенный уровень калия или гиперкалиемия могут привести к таким осложнениям, как сердечная аритмия .
Высокая жесткость воды в доме также может быть связана с развитием экземы в раннем возрасте. [21]
Воздействие на окружающую среду
Умягченная вода (измеряемая как индекс остаточного карбоната натрия ), в которой кальций и магний частично заменены натрием, не подходит для орошения, так как имеет тенденцию вызывать образование щелочных почв . [22] В этом случае вместо традиционного умягчения воды часто используются нехимические устройства.
Смотрите также
- Опреснение
- Ионный обмен
- Умягчение извести
- Очистка воды
Рекомендации
- ↑ Редакторы Британской энциклопедии (20 июля 1998 г.). Жесткая вода . Британская энциклопедия . ISBN 9781593392925. Проверено 4 марта 2015 года .
- ^ Стивен Лоуэр (июль 2007 г.). «Жесткая вода и смягчение воды» . Проверено 8 октября 2007 .
- ^ а б Роу, Гэри (1988). «Загрязнение скважины сбросной водой регенерации умягчителя воды». Журнал гигиены окружающей среды . 50 (5): 272–276. JSTOR 44541189 .
- ^ а б "Почему я не могу смыть мыло с рук?" . USGS . Дата обращения 7 октября 2019 .
- ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2011-08-17 . Проверено 16 августа 2011 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «Умягчители воды» . Канадская ипотечная и жилищная корпорация. Архивировано из оригинального 10 -го октября 2006 года . Проверено 29 января 2010 .
- ↑ Filtration Facts , сентябрь 2005 г., Управление по охране окружающей среды США, стр. 6-7. По состоянию на 6 января 2013 г.
- ^ «Ионообменная очистка питьевой воды» (PDF) . Des.nh.gov . 2009 . Проверено 23 июля 2016 .
- ^ «Как добиться оптимальных характеристик смягчителя» . Chem Aqua, Inc. 2020 . Проверено 21 декабря 2020 года .
- ^ Джером Ковач (26 марта 2007 г.). «Искусство противоточной регенерации» . Журнал «Водоподготовка и очистка» . Проверено 16 февраля 2021 года . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Ионный обмен против размягчения извести , Nancrede Engineering
- ^ Бартрам, отредактированный Джейми; Балланс, Ричард (1996). Мониторинг качества воды: практическое руководство по разработке и осуществлению программ исследований и мониторинга качества пресной воды (1-е изд.). Лондон: E & FN Spon. ISBN 0419223207.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ Krauter, PW; Harrar, JE; Орлов, ИП; Баховик, С.М. (1 декабря 1996 г.). «Испытание магнитного устройства для уменьшения образования накипи на очистном сооружении D». Osti.gov. ОСТИ 567404 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Рик Эндрю (14 октября 2014 г.). «Новый стандарт оценки оборудования для управления весами» . Журнал «Водоподготовка и очистка» . Проверено 10 февраля 2021 года . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Тиджинг, Леонард Д .; Пак, Бок Чун; Пэк, Бён Джун; Ли, Дон Хван; Чо, Янг И. (2007). «Экспериментальное исследование механизма объемного осаждения при физической очистке воды для уменьшения загрязнения минералами». Международные коммуникации в тепло- и массообмене . 34 (6): 673–681. DOI : 10.1016 / j.icheatmasstransfer.2007.03.009 . ISSN 0735-1933 .
- ^ Фокс, Питер (2014). Оценка альтернатив бытовым ионообменным умягчителям воды (PDF) . Александрия, Вирджиния: Исследовательский фонд WateReuse . ISBN 978-1-941242-00-1. LCCN 2014934179 . Проверено 9 февраля 2021 года .
- ^ Гебауэр, Денис; Фёлькель, Антье; Cölfen, Хельмут (2008). «Стабильные предядерные кластеры карбоната кальция» . Наука . 322 (5909): 1819–1822. DOI : 10.1126 / science.1164271 . ISSN 0036-8075 .
- ^ «Соляной дом - ДХДСП» . Cdc.gov . Проверено 23 июля 2016 .
- ^ Лейтон, Линдси (20 апреля 2010 г.). «FDA планирует ограничить количество соли, разрешенной в обработанных пищевых продуктах, по причинам здоровья» . Washingtonpost.com .
- ^ «Список кандидатов на загрязнение питьевой воды (CCL) и нормативное определение | Агентство по охране окружающей среды США» . Water.epa.gov . 2016-05-09 . Проверено 23 июля 2016 .
- ^ Перкин, Майкл (18 мая 2016 г.). «Жесткая вода связана с риском экземы у младенцев» .
- ^ «Управление качеством поливной воды» (PDF) . Государственный университет Орегона . п. 12 . Проверено 4 октября 2012 .