Введение
Удаление положительных ионов из жесткой воды
Умягчение воды – это удаление кальция, магния и некоторых других металлических катионов из жесткой воды. В результате получаемая мягкая вода требует меньше мыла для достижения того же эффекта очистки, поскольку мыло не расходуется на связывание с ионами кальция. Мягкая вода также увеличивает срок службы сантехники, уменьшая или устраняя образование накипи в трубах и соединениях. Умягчение воды обычно достигается с помощью известково-содового умягчения или ионообменных смол, но все чаще применяется нанофильтрация или мембраны обратного осмоса.
Обоснование
Наличие в воде определенных ионов металлов, таких как кальций и магний, преимущественно в виде бикарбонатов, хлоридов и сульфатов, вызывает ряд проблем. Жесткая вода приводит к образованию накипи, которая может засорять сантехнику и способствовать гальванической коррозии. На промышленных установках для умягчения воды сточные воды от процесса регенерации могут осаждать отложения, которые могут нарушать работу канализационных систем. Скользкое ощущение при мытье в мягкой воде обусловлено более слабым притяжением мыла к ионам воды, когда вода лишена минеральных веществ. Поверхность кожи человека имеет небольшой электрический заряд, к которому мыло склонно прилипать, что требует больших усилий и большего количества воды для смывания. Жесткая вода содержит ионы кальция или магния, которые образуют нерастворимые соли при взаимодействии с мылом, оставляя на поверхностях ванны и душа пленку из нерастворимых стеаратов, обычно называемую мыльным налетом.
Методы
Наиболее распространенные способы удаления жесткости воды основаны на использовании ионообменных смол или обратного осмоса. К другим методам относятся методы осаждения и секвестрация путем добавления комплексообразующих агентов. Дистилляция и обратный осмос – два наиболее широко используемых нехимических метода умягчения воды.
Метод ионообменной смолы
Обычные приборы для смягчения воды, предназначенные для бытового использования, используют ионообменную смолу, в которой "ионы жесткости" – в основном Ca2+ и Mg2+ – обмениваются на ионы натрия. Как описано в стандарте NSF/ANSI 44, устройства ионного обмена снижают жесткость, заменяя магний и кальций (Mg2+ и Ca2+) ионами натрия или калия (Na+ и K+). Ионнообменные смолы представляют собой органические полимеры, содержащие анионные функциональные группы, к которым двухвалентные катионы (Ca2+) связываются прочнее, чем одновалентные катионы (Na+). Неорганические материалы, называемые цеолитами, также обладают свойствами ионного обмена. Эти минералы широко используются в стиральных порошках. Существуют также смолы для удаления карбонатных, бикарбонатных и сульфатных ионов, поглощаемых смолой, и ионов гидроксида, высвобождаемых из смолы. Когда все доступные ионы Na+ заменены ионами кальция или магния, смолу необходимо регенерировать путем элюирования ионов Ca2+ и Mg2+ с использованием раствора хлорида натрия или гидроксида натрия, в зависимости от типа используемой смолы. Для анионных смол регенерация обычно выполняется с использованием раствора гидроксида натрия (каустической соды) или гидроксида калия. Сточные воды, элюируемые из ионообменной колонны и содержащие нежелательные соли кальция и магния, обычно сбрасываются в канализационную систему. Промывка: вода направляется через смолу в направлении, противоположном нормальному потоку, а выходной поток направляется в канализацию для удаления. Этот десятиминутный процесс удаляет твердые частицы и разрыхляет смольное ложе. Забор рассола: вода направляется через эжекторный насос, который забирает соленую воду из бака с рассолом, после чего вода и рассол проходят через смольное ложе либо в нормальном направлении (при прямоточном режиме), либо в обратном направлении (при противоточном режиме). Выход этого обычно тридцатиминутного процесса сбрасывается через сливной шланг. Ополаскивание: забор рассола прекращается, но вода продолжает течь от входа к выходу, постепенно вымывая рассол из смолы. Вода течет медленно в течение нескольких минут, затем быстрее в течение часа. В какой-то момент резервуар с рассолом пополняется пресной водой.
Омягчение известняка
Умягчение известью — это процесс, при котором известь добавляется в жесткую воду для ее умягчения. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с методом ионного обмена, но в основном применяется в промышленных установках.
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 применяется для смягчения воды в мылах, средствах личной гигиены и стиральных порошках. Распространенным синтетическим хелатором является этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), которая может существовать в виде тетранатриевой или динатриевой соли. В связи с опасениями по поводу токсичности ЭДТА для окружающей среды и водных организмов, вызванными его широким использованием в бытовой химии и средствах личной гигиены, все более широкое применение находят альтернативы, такие как фитат натрия/фитиновая кислота, тетранатриевый глутамат диацетат и тринатриевый этилендиаминдисукцинат.
Дестилляция и дождевая вода
Поскольку Ca2+ и Mg2+ существуют в виде нелетучих солей, их можно удалить путем дистилляции воды. Дистилляция – дорогостоящий и энергозатратный процесс по сравнению с другими методами умягчения воды. Дождевая вода мягкая, так как она естественным образом дистиллируется в ходе круговорота воды, включающего испарение, конденсацию и осадки.
Обратная осмоса
Обратный осмос использует приложенный градиент давления через полупроницаемую мембрану для преодоления осмотического давления и удаления молекул воды из раствора, содержащего ионы жесткости. Мембрана имеет поры, достаточно большие для пропускания молекул воды, но ионы жесткости, такие как Ca2+ и Mg2+, не могут через них пройти. В результате получается мягкая вода, не содержащая ионов жесткости и не обогащенная другими ионами. Мембраны являются типом водяного фильтра, требующим регулярной очистки или замены для поддержания работоспособности.
Нанофильтрация
Нанофильтрация — это процесс, схожий с обратным осмосом, в котором используется полупроницаемая мембрана, однако фильтрующая мембрана отличается тем, что диаметр её пор составляет не более 10 нанометров. Этот процесс часто применяется совместно с фильтрацией обратным осмосом, так как нанофильтрация сама по себе менее эффективна и обходится дороже, чем химическая очистка воды.
Нехимические устройства
Некоторые производители утверждают, что их электрические приборы способны влиять на взаимодействие минералов с водой, предотвращая их прикрепление к поверхностям. Поскольку эти системы не работают за счет ионного обмена, как традиционные умягчители воды, одним из заявленных преимуществ для потребителя является отсутствие необходимости добавлять соль. Эти системы не удаляют минералы из воды, а лишь изменяют последствия, которые вода, содержащая минералы, могла бы вызвать. Такие системы не относятся к категории "умягчение воды", а скорее к "кондиционированию воды". Аналогичные заявления относительно магнитной обработки воды не считаются обоснованными. Например, научные испытания подобных магнитных устройств не выявили снижения образования накипи.
Альтернативы ионообменным смягчителям воды
Удаление или замена минералов в жесткой воде называется умягчением воды. Альтернативный метод обработки воды называется кондиционированием воды, при котором минералы остаются в воде, но изменяются таким образом, чтобы не образовывать накипь. Хотя в Соединенных Штатах существуют стандарты для измерения содержания минералов в воде, стандартов для измерения способности воды образовывать накипь нет. Вместо этого американские исследователи используют немецкий протокол DVGW W512. Дождевая вода содержит растворенный углекислый газ, поступающий из атмосферы. Часть растворенного углекислого газа реагирует с водой, образуя угольную кислоту, которая остается в растворе. Минералы, содержащие кальций и магний, образуют растворимые бикарбонаты при контакте с угольной кислотой. Вода, содержащая эти минералы, известна как "жесткая вода". При нагревании жесткой воды в системе водоснабжения углекислый газ выходит из раствора, а бикарбонаты превращаются в карбонаты, которые гораздо менее растворимы. Карбонаты оседают на поверхностях водопроводных труб, образуя затравку для дальнейшего роста кристаллов, что приводит к образованию твердой накипи. Устройства физической обработки воды (PWT) способствуют образованию микроскопических минеральных кристаллов, которые остаются во взвешенном состоянии при движении вместе с водой, а также служат затравкой для дальнейшего роста кристаллов. При нагревании воды минералы кристаллизуются на этих затравках, а не на поверхности водопроводных труб. Растворенные минералы превращаются в нерастворимые твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии и проходящие через систему, не оседая на поверхностях сантехники. Существуют альтернативы ионообменным умягчителям воды, см. таблицу ниже. +Кондиционирование жесткой воды из Темпе, Аризона, с использованием различных методов обработки. Обработка Нормализованное образование накипи Без обработки 1.00 Электромагнитная обработка воды 0.57 Электрически индуцированное осаждение 0.50 Емкостная деионизация 0.17 Ионообмен 0.06 Кристаллизация с использованием шаблонов 0.04
Кристаллизация с помощью шаблона
Холодная вода проходит через резервуар, содержащий крошечные полимерные шарики, поверхность которых способствует образованию микроскопических пузырьков углекислого газа. Первоначальное зарождение пузырьков газа может происходить из-за снижения давления воды при ее подъеме по скважине, подобно тому, как это происходит при открытии бутылки пива. Как только углекислый газ покидает жидкость, химическая реакция немедленно вызывает образование кристаллов карбоната кальция на поверхности пузырьков. По мере роста кристаллов на этих затравках они отрываются в потоке, оставаясь микроскопическими по размеру. Если эти крошечные частицы попадают в водонагреватель, происходит дальнейшее выделение углекислого газа из-за повышения температуры, и новый рост кристаллов происходит на частицах, а не на поверхности водонагревателя. После появления кальцита в воде, новый кальцит предпочитает формироваться на уже существующем кальците из-за доступных связей в кристаллах, близости и количества кальцитовых поверхностей в воде. Этот процесс называется либо кристаллизацией с использованием шаблона (TAC), либо кристаллизацией с помощью нуклеации (NAC). Полимерные шарики представляют собой полифосфаты размером от 0,5 до 2,0 мкм, некоторые из которых имеют керамическое покрытие. Испытания, проведенные в Университете Аризоны и других учреждениях, показали, что резервуары TAC эффективны для снижения образования накипи, хотя и несколько менее эффективны, чем ионообменная обработка или другие химические методы. Они более эффективны, чем подходы, направленные на связывание ионов с помощью магнитных или электрических полей. Преимущества резервуаров TAC включают простоту, низкие эксплуатационные расходы, отсутствие токсичных отходов (например, хлора) и наличие кальция в качестве питательного вещества в питьевой воде. К недостаткам относится то, что кристаллы кальцита не удаляются из воды, поэтому в местах испарения воды все равно будут образовываться отложения. Производители утверждают, что эти отложения легче удалять, поскольку кальцит формируется на кристаллах-затравках, а не на поверхностях.
Влияние на здоровье
Национальная служба здравоохранения Великобритании рекомендует максимальное потребление соли в 6 г, тогда как фактическое текущее потребление составляет 8,1 г. Центры по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) рекомендуют ограничивать ежедневное общее потребление натрия до 2300 мг в день, хотя в среднем житель США потребляет 3500 мг в день. Поскольку количество натрия, содержащегося в питьевой воде – даже после умягчения – не представляет собой значительную долю от ежедневного потребления натрия человеком, Агентство по охране окружающей среды США (EPA) считает, что натрий в питьевой воде вряд ли вызовет негативные последствия для здоровья. Исследование показало, что средняя концентрация натрия в умягченной воде составляет 278 мг/л. В 2 литрах воды – объеме, обычно рекомендуемом для взрослого человека – это составляет около 22% от рекомендуемой суточной нормы потребления натрия по версии CDC США и может иметь значение для тех, кому необходимо существенно ограничить потребление натрия. Для людей, соблюдающих диету с низким содержанием натрия, использование системы обратного осмоса для питьевой и кухонной воды позволит удалить натрий вместе с другими возможными примесями. В качестве регенерирующего вещества вместо хлорида натрия также можно использовать хлорид калия, хотя он и дороже. Однако у людей с нарушением функции почек повышенный уровень калия, или гиперкалиемия, может привести к осложнениям, таким как сердечная аритмия. Высокая жесткость воды в доме также может быть связана с развитием экземы в раннем возрасте, хотя на данный момент наблюдается лишь корреляционная связь, и для установления причинно-следственной связи необходимы дальнейшие исследования.
Влияние на окружающую среду
Умягченная вода (измеряемая по остаточному индексу карбоната натрия), в которой кальций и магний частично замещены натрием, не подходит для использования в ирригации, поскольку способствует образованию щелочных почв. Для этих целей часто применяют нехимические устройства вместо традиционного умягчения воды.