Кіріспе

Қатты судан оң иондарды алу

Суды жұмсарту – қатты судағы кальций, магний және кейбір басқа металл катиондарын жою процесі. Нәтижесінде алынған жұмсақ суды бірдей тазалау үшін аз сабын қажет болады, себебі сабын кальций иондарымен байланысып кетіп, тиімсіз кетпейді. Жұмсақ су құбырлар мен арматуралардағы қабыршақтың пайда болуын азайту немесе тоқтату арқылы сантехника құралдарының қызмет ету мерзімін ұзартады. Суды жұмсарту әдетте әкпен жұмсарту немесе ион алмастыру шайырларын қолдану арқылы жүзеге асырылады, бірақ нанофильтрация немесе кері осмостық мембраналарды пайдалану арқылы да жиі қолданылады.

Негізгі себептері

Суда кальций және магний сияқты белгілі бір металл иондарының болуы, әсіресе бикарбонаттар, хлоридтер және сульфаттар түрінде, түрлі проблемаларға себеп болады. Қатты су әк пайда болуына әкеледі, ол сантехниканы тоңдырып, гальваникалық коррозияны күшейтеді. Өнеркәсіптік су жұмсарту станцияларында, қайта жаңарту процесінен шығатын ағынды сулар масштабты шөгіндіргіш түзеді, ол кәріз жүйелеріне кедергі келтіруі мүмкін. Жұмсақ суда жуу кезіндегі сырғалқы сезім, судың минералдық құрамынан айырылуына байланысты, сабынның су иондарына нашар тартылуынан туындайды. Адам терісінің бетінде сабынға жабысуға бейім жеңіл заряд бар, сондықтан оны жуу үшін көбірек күш жұмсау және көп су қолдану қажет. Қатты суда кальций немесе магний иондары сабынмен реакцияға түсіп, ерімейтін тұздарды құрайды, нәтижесінде ванна мен душ беттерінде ерімейтін стеараттардың қабаты түзіледі, бұл әдетте сабын қалдығы деп аталады.

Әдістер

Судың қаттылығын жоюдың ең көп таралған тәсілдері ион алмастыру шайырларын қолдану немесе кері осмоз болып табылады. Басқа тәсілдерге шөгінді түзу әдістері және келаттаушы агенттер қосу арқылы байланыстыру кіреді. Дистилляция және кері осмоз – суды жұмсартудың ең көп қолданылатын екі химиялық емес әдісі.

Ион алмастырушы шайыр әдісі

Үй шаруашылығында қолданылатын суды жұмсартуға арналған дәстүрлі құрылғылар ион алмастырушы шайырға негізделген, онда "қаттылық иондары" – негізінен Ca2+ және Mg2+ – натрий иондарымен алмастырылады. NSF/ANSI 44 стандартында сипатталғандай, ион алмастыру құрылғылары магний мен кальцийді (Mg2+ және Ca2+) натрий немесе калий иондарымен (Na+ және K+) алмастыру арқылы қаттылықты азайтады. Ион алмастырушы шайырлар – аниондық функционалдық топтарды қамтитын органикалық полимерлер, оларға дивалентті катиондар (Ca2+) моновалентті катиондарға (Na+) қарағанда күштірек байланысады. Зеолиттер деп аталатын бейорганикалық материалдар да ион алмасу қасиеттерін көрсетеді. Бұл минералдар кір жуғыш заттарда кеңінен қолданылады. Сондай-ақ, сіңген карбонат, бикарбонат және сульфат иондарын, сондай-ақ шайырдан бөлінетін гидроксид иондарын жоюға арналған шайырлар да бар. Барлық қолжетімді Na+ иондары кальций немесе магний иондарымен ауыстырылғаннан кейін, шайырды қолданылатын шайыр түріне қарай, натрий хлориді немесе натрий гидроксиді ерітіндісін пайдалана отырып, Ca2+ және Mg2+ иондарын элюциялау арқылы қайта зарядтау қажет. Аниондық шайырлар үшін регенерация әдетте натрий гидроксиді (көмірсутегі) немесе калий гидроксиді ерітіндісін пайдаланады. Ион алмастыру бағанасынан шығарылатын және қажетсіз кальций және магний тұздарын қамтитын қалдық сулар әдетте кәріз жүйесіне жіберіледі. Кері шаю: Су шайыр арқылы қалыпты ағынға қарама-қарсы бағытта жіберіледі, ал шығысы кәрізге жіберіледі. Бұл он минуттық процесс қатты бөлшектерді шығарып, шайыр төсегін кеңейтеді. Тұзды суды алу: Су сорғы арқылы өткізіледі, ол тұзды суды тұзды су резервуарынан тартады, содан кейін су мен тұзды су бірдей бағытта (ко-ағымды) немесе кері бағытта (контр-ағымды) шайыр төсегі арқылы өтеді. Бұл әдетте отыз минутқа созылатын процесс ағызу шлангі арқылы шығарылады. Шаю: Тұзды суды алу тоқтатылады, бірақ су кіреберістен шығысқа қарай ағып, шайыр төсегінен тұздықты біртіндеп шығарады. Су бірнеше минут бойы баяу, содан кейін бір сағатқа дейін жылдам ағып тұрады. Содан кейін тұзды су резервуары жаңа сумен толтырылады.

Қышқылдарды жұмсарту

Қатайған суды жұмсарту үшін суға әк қосылатын процесс қалаймдау деп аталады. Бұл әдіс ион алмастыру әдісіне қарағанда бірнеше артықшылықтары бар, бірақ көбінесе коммерциялық су тазартуда қолданылады.

Келаттағыш заттар

Келаторлар химиялық талдауда, суды жұмсарту үшін және көптеген тауарлық өнімдердің, мысалы, шампуньдер мен тағам сақтағыштардың құрамында қолданылады. Лимон қышқылы сабындарда, жеке күтім заттарында және кір жуғыш ұнтақтарда суды жұмсартуға пайдаланылады. Көбінесе қолданылатын синтетикалық келатор – этилендиаминтетраацетат қышқылы (EDTA), ол тетранатрий немесе динатрий тұзы түрінде кездесуі мүмкін. Тұрмыстық және жеке күтім өнімдерінде EDTA-ның кең қолданылуымен байланысты қоршаған ортаға және су өміріне зиян келтіруі мүмкін болғандықтан, натрий фитаты/фит қышқылы, тетранатрий глутамат диацетаты және тринатрий этилендиамин дисукцинаты сияқты альтернативтер жиі қолданылуда.

Дестиляция және жаңбыр сулары

Ca2+ және Mg2+ ұшпалы тұздар түрінде болатындықтан, суды дистилляциялау арқылы оларды жоюға болады. Дистилляция суды жұмсартудың басқа әдістерімен салыстырғанда қымбатқа түседі және энергияны тиімсіз пайдаланады. Жаңбыр суы жұмсақ болады, себебі ол су айналымында булану, конденсация және жауын-шашын процестері кезінде табиғи түрде дистилляцияланады.

Кері осмоз

Кері осмоста осмостық қысымды жеңіп, ерітіндідегі қаттылық иондарымен су молекулаларын бөліп алу үшін жартылай өткізгіш мембрана арқылы қысым градиенті қолданылады. Мембранада су молекулалары өтуі үшін жеткілікті үлкен тесіктер болады, ал Ca2+ және Mg2+ сияқты қаттылық иондары осы тесіктерге сыймайды. Соның нәтижесінде алынған жұмсақ суда қаттылық иондары болмайды және басқа иондар қосылмайды. Мембраналар – суды тазартатын сүзгілердің бір түрі, оларды үнемі тазалауға немесе ауыстыруға тура келеді.

Нанофильтрация

Нанофильтрация – кері осмозға ұқсас процесс, себебі ол жартылай өткізгіш мембрананы пайдаланады. Алайда, сүзгі мембранасының ерекшелігі – оның тесіктерінің диаметрі 10 нанометрден немесе одан кішіді. Бұл процесс көбінесе кері осмоз сүзгілеуімен бірге қолданылады, өйткені нанофильтрацияның өзі химиялық су тазарту әдістеріне қарағанда тиімсіз және қымбат.

Химиялық емес құрылғылар

Кейбір өндірушілер өздері шығаратын электр құрылғылары минералдар мен судың өзара әрекеттесуіне әсер ететінін, соның салдарынан минералдар беттерге жабыспайтынын мәлімдейді. Бұл жүйелер дәстүрлі су жұмсартқыштар сияқты иондарды алмастыру арқылы жұмыс істемейтіндіктен, пайдаланушыға ұсынылатын артықшылықтардың бірі – жүйеге тұз қосу қажеттілігінен құтылу. Мұндай жүйелер судан минералдарды толығымен алып тастамайды. Керісінше, минералдары бар судың кейінгі әсерін ғана өзгерте алады. Осылайша, бұл жүйелер "суды жұмсарту" емес, "суды кондициялау" терминіне жатады. Магниттік суды өңдеуге қатысты ұқсас мәлімдемелер негізсіз деп есептеледі. Мысалы, мұндай магниттік құрылғыны ғылыми түрде сынаған кезде, қабыршақтанудың (накипь) азайғаны анықталған жоқ.

Ион алмастырғыш су жұмсартқыштарға балама

Қатты судағы минералдарды жою немесе алмастыру суды жұмсарту деп аталады. Суды өңдеудің баламалы әдісі суды кондициялау деп аталады, онда минералдар суда қалады, бірақ олар қабыршақтануға себеп болмайтындай өзгертіледі. АҚШ судағы минералдарды өлшеу стандарттарына ие болса да, судың қабыршақ түзу қабілетін өлшеу стандарттары жоқ. Оның орнына АҚШ зерттеушілері неміс DVGW W512 протоколын пайдаланады. Жаңбыр суы атмосферадан алынған еріген көмірқышқыл газын қамтиды. Еріген көмірқышқылдың бір бөлігі сумен реакцияға түсіп, ерітіндіде қалатын көмір қышқылын құрайды. Кальций мен магнийден тұратын минералдар көмір қышқылының әсерінен ерігіш бикарбонаттарға айналады. Бұл минералдарды қамтитын су "қатаң су" деп аталады. Қатаң суды сантехникалық жүйеде қыздырғанда, көмірқышқыл газы ерітіндіден шығып, бикарбонаттар карбонаттарға айналады, олар нашар ерігіш. Карбонаттар сантехникалық беттерге жабысып, одан әрі кристалл өсуіне бастама беретін тұқым кристалдарын құрайды, нәтижесінде қабыршақ пайда болады. Физикалық суды өңдеу (ФСӨ) құрылғылары микроскопиялық минералды кристаллдардың пайда болуына себеп болады және олар сумен ағып келе жатқанда ерітіндіде қалады, сонымен қатар одан әрі кристалл өсуі үшін тұқым ретінде де әрекет етеді. Су қызған кезде минералдар сантехникалық жүйеге емес, осы тұқымдарда кристалданады. Еріген минералдар ерімейтін қатты бөлшектерге айналып, жүйе арқылы сантехникалық беттерге жабыспай өтеді. Ион алмастыру су жұмсартқыштарына баламалар бар, төмендегі кестеге қараңыз. +Темпе, Аризона қаласынан алынған қатаң суды әртүрлі өңдеу әдістерімен өңдеу Нормаланған қабыршақ түзілуі Өңделмеген 1.00Электромагниттік суды өңдеу 0.57Электрлік тұнба 0.50Сыйымдылықты деионизация 0.17Ион алмасу 0.06Үлгіге көмектесетін кристалдану 0.04

Үлгі көмегімен кристалдану

Суық, қатты су кішкентай полимерлік дөңгелектер орналасқан резервуардан өтеді. Көмірқышқыл газдың кішкентай көпіршіктерінің пайда болуының бастапқы себебі, судың қысымы төмендегенде болуы мүмкін, мысалы, су құдығына ағып түскенде немесе сыра бөтелкесінің қақпағы ашылғанда болатындай. Көмірқышқыл газ сұйықтықтан шыққаннан кейін, химиялық реакция бірден көпіршіктердің бетінде кальций карбонаты кристалдарының пайда болуына себеп болады. Бұл кристалдар тұқымдарда өскенде, микроскоптық өлшемде ағынмен бөлініп кетеді. Егер бұл ұсақ бөлшектер су жылытқыштан өтіп өтелсе, температураның жоғарылауына байланысты көмірқышқыл газдың одан әрі шығуы орын алады және жаңа кристалдар су жылытқышта емес, бөлшектерде өседі. Суда кальцит пайда болғаннан кейін, жаңа кальцит кристаллдардағы қолжетімді байланыстар мен судағы кальцит беттерінің жақындығы мен санына байланысты ескі кальцитте пайда болуға бейім. Бұл процесс шаблондық көмекпен кристалдану (TAC) немесе ядролық көмекпен кристалдану (NAC) деп аталады. Полимерлік дөңгелектер – 0,5-тен 2,0 мкм-ге дейінгі мөлшердегі полифосфаттар. Олардың кейбіреулері керамикалық қаптамамен жабылған. Аризона университетінде және басқа да орындарда жүргізілген сынақтар, TAC резервуарларының ион алмасу немесе басқа химиялық өңдеуге қарағанда сәл нашар болғанымен, қабыршақтанудың алдын алуда тиімді екенін көрсетті. Олар магниттік немесе электр өрістерін қолдану арқылы иондарды тұрақтандыруға тырысатын әдістерден де тиімді. TAC резервуарларының артықшылықтары – қарапайымдылығы, аз күтімді қажет етуі, улы қоқыс өнімдерінің (мысалы, хлордың) болмауы және ауыз судағы кальцийдің қоректік зат ретінде болуы. Кемшіліктері – кальцит кристалдары судан алынып тасталмайды, сондықтан су буланатын жерлерде шөгінділер пайда болады. Өндірушілердің мәлімдемесіне сәйкес, бұл шөгінділерді тазалау оңай, себебі кальцит беттерде емес, тұқым кристалдарында пайда болады.

Денсаулыққа әсері

Ұлыбританияның Ұлттық денсаулық сақтау қызметі тұзды ең көп 6 грамм мөлшерде қабылдауды ұсынады, ал қазіргі кездегі орташа мөлшер 8,1 граммды құрайды. АҚШ-тың Ауруларды бақылау және алдын алу орталығы (CDC) күніне 2300 мг натрийді қабылдауды шектеуге кеңес береді, бірақ орташа американдық адам күніне 3500 мг тұтынады. Ауыз судағы натрий мөлшері – тіпті жұмсартқаннан кейін де – адамның күндізгі натрий қабылдауының маңызды бөлігін құрамайды, сондықтан АҚШ-тың Қоршаған ортаны қорғау агенттігі (EPA) ауыз судағы натрийдің денсаулыққа кері әсерін тигізуі екіталай деп санайды. Бір зерттеуде жұмсартқан суда натрийдің орташа концентрациясы 278 мг/л екені анықталды. 2 литр су – бұл орташа ересек адамға ұсынылатын ауыз су мөлшері – АҚШ-тың CDC ұсынған натрийдің шамамен 22% құрайды және натрийді тұтынуды айтарлықтай шектеуге міндетті адамдар үшін маңызды болуы мүмкін. Натрийге шектеу қойылған диетада отырғандар үшін ауыз су мен тамақ пісіруге қолданылатын суды кері осмоз жүйесі арқылы тазарту натрийді және басқа да қоспаларды жоюға көмектеседі. Калий хлориді де натрий хлориді орнына регенератор ретінде қолданылуы мүмкін, бірақ ол қымбатқа түседі. Дегенмен, бүйрек функциясы бұзылған адамдарда калийдің жоғары деңгейі немесе гиперкалиемия жүрек аритмиясы сияқты асқынуларға әкелуі мүмкін. Үйдегі судың жоғары қаттылығы өмірдің ерте кезеңінде экземаның дамуымен байланысты болуы мүмкін, бірақ қазіргі уақытта бұл байланыс тек корреляциялық сипатта және себеп-салдарлық қатынасты анықтау үшін қосымша зерттеулер қажет.

Қоршаған ортаға әсері

Кальций мен магнийдің бір бөлігі натриймен алмастырылған, жұмсатылған су (қалдық натрий карбонаты индексімен өлшенетін) суғаруға жарамсыз, себебі ол сілтілі топырақтардың пайда болуына ықпал етеді. Осы мақсатта дәстүрлі су жұмсартудың орнына химиялық емес құрылғылар жиі қолданылады.