Умягчение воды
Умягчение воды – это удаление кальция , магния и некоторых других металлов катионов из жесткой воды . Полученная в результате мягкая вода требует меньше мыла при тех же усилиях по очистке, поскольку мыло не тратится зря, связываясь с ионами кальция. Мягкая вода также продлевает срок службы сантехники за счет уменьшения или устранения накипи образования в трубах и фитингах. Умягчение воды обычно достигается с помощью известкового умягчения или ионообменных смол , но все чаще достигается с использованием нанофильтрации или мембран обратного осмоса .
Обоснование
[ редактировать ]
Присутствие некоторых металлов в воде ионов , таких как кальций и магний , главным образом в виде бикарбонатов , хлоридов и сульфатов , вызывает множество проблем. [1]
Жесткая вода приводит к накоплению известкового налета , который может загрязнять сантехнику и способствовать гальванической коррозии . [2] На промышленных установках по умягчению воды поток сточных вод процесса регенерации может осаждать накипь, которая может помешать работе канализационных систем. [3]
Ощущение скользкости, возникающее при стирке в мягкой воде, вызвано более слабым притяжением мыла к ионам воды, когда вода лишена минеральных веществ. Поверхность человеческой кожи имеет легкий заряд, с которым мыло имеет тенденцию связываться, и для его удаления требуется больше усилий и больший объем воды. [4] Жесткая вода содержит ионы кальция или магния, которые при реакции с мылом образуют нерастворимые соли слой нерастворимых стеаратов , оставляя на поверхностях ванны и душа , обычно называемый мыльной пеной . [4] [5]
Методы
[ редактировать ]Наиболее распространенными средствами устранения жесткости воды являются ионообменная смола или обратный осмос . Другие подходы включают методы осаждения и секвестрацию путем добавления хелатирующих агентов. Дистилляция и обратный осмос — два наиболее широко используемых нехимических метода умягчения воды.
Метод ионообменной смолы
[ редактировать ]
Обычные устройства для смягчения воды, предназначенные для бытового использования, основаны на ионообменной смоле , в которой «ионы жесткости» - в основном Ca 2+ и мг 2+ — обмениваются на ионы натрия . [6] Как описано в стандарте NSF/ANSI 44 , [7] ионообменные устройства снижают жесткость за счет замены магния и кальция (Mg 2+ и Ca 2+ ) с ионами натрия или калия (Na + и К + )"
Ионообменные смолы представляют собой органические полимеры, содержащие анионные функциональные группы, к которым прикрепляются 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 абсорбированных ионов карбоната, бикарбоната и сульфата, а также ионов гидроксида, высвобождаемых из смолы. [8]
Когда все доступные Na + ионы заменены ионами кальция или магния, смолу необходимо перезарядить, элюируя Ca. 2+ и мг 2+ ионов с помощью раствора хлорида натрия или гидроксида натрия , в зависимости от типа используемой смолы. [9] Для анионных смол при регенерации обычно используется раствор гидроксида натрия ( щелочи ) или гидроксида калия. Сточные воды, элюированные из ионообменной колонны и содержащие нежелательные соли кальция и магния, обычно сбрасываются в канализационную систему. [3]
Пополнение обычно состоит из следующих шагов: [10]
- Обратная промывка: вода направляется через смолу в направлении, противоположном нормальному потоку, а выходная вода направляется в канализацию для утилизации. Этот десятиминутный процесс вымывает твердые частицы и расширяет слой смолы.
- Подача рассола: вода подается через струйный насос , который забирает соленую воду из резервуара для рассола , прежде чем вода и рассол проходят через слой смолы в нормальном направлении, если прямоток , или в обратном направлении, если противоток. . [11] Продукты этого обычно тридцатиминутного процесса выбрасываются через сливной шланг.
- Промывка: подача 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 пресной водой.
Смягчение извести
[ редактировать ]Умягчение извести – это процесс, при котором известь добавляется в жесткую воду, чтобы сделать ее мягче. Он имеет несколько преимуществ [ нужны дальнейшие объяснения ] по сравнению с методом ионного обмена, но в основном подходит для коммерческих применений по очистке. [12]
Хелатирующие агенты
[ редактировать ] |
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 хелатором является этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), которая может существовать в виде тетранатриевой или динатриевой соли. Из-за проблем с токсичностью для окружающей среды и воды , связанных с широким использованием ЭДТА в продуктах бытовой химии и личной гигиены, альтернативы, такие как фитат натрия / фитиновая кислота , диацетат глутамата тетранатрия и дисукцинат этилендиамина тринатрия, находят более распространенное применение.
Способ стирки с помощью соды
[ редактировать ]В этом методе воду обрабатывают расчетным количеством промывной соды (Na 2 CO 3 ), которая превращает хлориды и сульфаты кальция и магния в соответствующие карбонаты, которые выпадают в осадок.
CaCl 2 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 + 2NaCl
MgSO 4 + Na 2 CO 3 → MgCO 3 + Na 2 SO 4
Дистилляция и дождевая вода
[ редактировать ]Поскольку Ка 2+ и мг 2+ существуют в виде нелетучих солей, их можно удалить перегонкой воды. Дистилляция дорога и энергонеэффективна по сравнению с другими методами умягчения воды. Дождевая вода мягкая, потому что она естественным образом дистиллируется в ходе водного цикла испарения, конденсации и осадков. [13]
Обратный осмос
[ редактировать ]Обратный осмос использует приложенный градиент давления через полупроницаемую мембрану для преодоления осмотического давления и удаления молекул воды из раствора с ионами жесткости. Мембрана имеет поры, достаточно большие, чтобы пропускать молекулы воды; ионы жесткости, такие как Ca 2+ и мг 2+ не пройдет через поры. Полученная в результате подача мягкой воды не содержит ионов жесткости, без добавления других ионов. Мембраны — это тип фильтра для воды, требующий регулярной чистки или замены.
Нанофильтрация
[ редактировать ]Нанофильтрация — это процесс, аналогичный обратному осмосу, поскольку он включает использование полупроницаемой мембраны, хотя мембрана фильтра отличается тем, что ее поры имеют диаметр ≤ 10 нанометров. Этот процесс часто используется в сочетании с фильтрацией обратного осмоса, поскольку сама по себе нанофильтрация не так эффективна и дороже, чем методы химической очистки воды. [14]
Нехимические устройства
[ редактировать ]Некоторые производители утверждают, 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 ионного обмена, как это делают традиционные умягчители воды, одним из преимуществ, заявленных для пользователя, является отсутствие необходимости добавлять соль в систему. Такие системы не удаляют минералы из самой воды. Скорее, они могут лишь изменить воздействие ниже по течению, которое в противном случае имела бы минеральная вода. Эти системы не подпадают под термин «умягчение воды», а скорее «подготовка воды». [ нужна ссылка ]
Подобные утверждения в отношении магнитной обработки воды не считаются обоснованными. Например, при научных испытаниях такого магнитного устройства не было обнаружено снижения образования накипи. [15]
Альтернативы ионообменным умягчителям воды
[ редактировать ]Удаление или замена минералов в жесткой воде называется умягчением воды. Альтернативная обработка воды называется кондиционированием воды, при которой минералы остаются в воде, но изменяются так, что не образуют накипи. Хотя в Соединенных Штатах существуют стандарты для измерения содержания минералов в воде, в них нет стандартов для измерения способности воды образовывать накипь. Вместо этого американские исследователи используют немецкий протокол DVGW-W512. [16]
Дождевая вода содержит растворенный углекислый газ, взятый из атмосферы. Часть растворенного углекислого газа вступает в реакцию с водой с образованием углекислоты , которая остается в растворе. Минералы, содержащие кальций и магний, при воздействии угольной кислоты образуют растворимые бикарбонаты. Вода, содержащая эти минералы, известна как «жесткая вода». [ нужна ссылка ]
При нагревании жесткой воды в водопроводной системе углекислый газ выходит из раствора, а бикарбонаты превращаются в карбонаты, которые гораздо менее растворимы. Карбонаты связываются с поверхностями водопровода, образуя затравочные кристаллы для дальнейшего роста кристаллов, которые накапливаются в виде твердой накипи. [ нужна ссылка ]
Устройства физической очистки воды (PWT) вызывают образование микроскопических минеральных кристаллов, которые остаются во взвешенном состоянии, пока они текут с водой, а также действуют как зародыши для дальнейшего роста кристаллов. Когда вода нагревается, минералы будут кристаллизоваться на этих семенах, а не на водопроводной системе. Растворенные минералы превращаются в нерастворимые твердые частицы во взвешенном состоянии, проходя через систему, не связываясь с водопроводными поверхностями. [17]
Существуют альтернативы ионообменным умягчителям воды, см. таблицу ниже.
| Уход | Нормализованное образование накипи |
|---|---|
| Никакого лечения | 1.00 |
| Электромагнитная очистка воды | 0.57 |
| Электрически индуцированное осаждение | 0.50 |
| Емкостная деионизация | 0.17 |
| Ионный обмен | 0.06 |
| Кристаллизация с помощью шаблона | 0.04 |
Кристаллизация с помощью шаблона
[ редактировать ]Холодная жесткая вода проходит через резервуар, содержащий крошечные полимерные шарики, поверхность которых позволяет образовывать крошечные пузырьки углекислого газа. Первоначальное зарождение газовых пузырьков может произойти из-за разгерметизации жесткой воды, когда она течет вверх по колодцу, точно так же, как когда отрывается крышка от пивной бутылки. Как только углекислый газ покидает жидкость, химическая реакция немедленно приводит к образованию кристаллов карбоната кальция на поверхности пузырьков. По мере роста кристаллов на этих затравках они отрываются в потоке, сохраняя при этом микроскопические размеры. Если эти крошечные частицы проходят через водонагреватель, из-за повышения температуры происходит дальнейшее выделение углекислого газа, и рост новых кристаллов происходит на частицах, а не на водонагревателе. Как только кальцит появляется в воде, новый кальцит предпочтет образоваться на старом кальците из-за имеющихся связей на кристаллах, а также близости и количества поверхностей кальцита в воде. [ нужна ссылка ]
Этот процесс называется либо кристаллизацией с помощью темплата (TAC), либо кристаллизацией с помощью зародышеобразования (NAC). Полимерные шарики представляют собой полифосфаты размером от 0,5 до 2,0 мкм. [ нужна ссылка ] а некоторые имеют керамическое покрытие. Испытания в Университете Аризоны и других местах показали, что резервуары TAC эффективны в снижении образования накипи, хотя и немного менее эффективны, чем ионный обмен или другая химическая обработка. Они более эффективны, чем подходы, которые пытаются изолировать ионы посредством применения магнитных или электрических полей. Преимущества резервуаров TAC включают простоту, низкие эксплуатационные расходы, отсутствие токсичных стоков (например, хлора) и наличие кальция в качестве питательного вещества в питьевой воде. К недостаткам относится то, что кристаллы кальцита невозможно избежать или удалить из воды, так что на участках, где вода испаряется, все равно будут оставаться отложения. Производители утверждают, что эти отложения легче очищать, поскольку кальцит образуется на затравочных кристаллах, а не на поверхности. [ нужна ссылка ]
Влияние на здоровье
[ редактировать ]Национальная служба здравоохранения Великобритании рекомендует максимальное потребление соли 6 г при фактическом нынешнем потреблении 8,1 г. США Центры по контролю и профилактике заболеваний рекомендуют ограничить ежедневное общее потребление натрия до 2300 мг в день. [20] хотя средний американец США потребляет 3500 мг в день. [21] Поскольку количество натрия, присутствующего в питьевой воде, даже после умягчения, не составляет значительного процента от ежедневного потребления натрия человеком, Агентство по охране окружающей среды США считает, что натрий в питьевой воде вряд ли окажет неблагоприятное воздействие на здоровье. [22]
Исследование показало, что средняя концентрация натрия в умягченной воде составляет 278 мг/л. [23] В 2 литрах воды — количестве питьевой воды, обычно рекомендуемом для среднего взрослого человека, — это составляет около 22% от рекомендованного Центрами по контролю и профилактике заболеваний США потребления натрия и может иметь значение для тех, кому необходимо значительно ограничить потребление натрия. [ нужна ссылка ] Для тех, кто придерживается диеты с ограниченным содержанием натрия, использование системы обратного осмоса для питьевой воды и воды для приготовления пищи удалит натрий вместе с любыми другими примесями, которые могут присутствовать. [ нужна ссылка ] Хлорид калия также можно использовать в качестве регенеранта вместо хлорида натрия, хотя он более дорогостоящий. Однако у людей с нарушенной функцией почек повышенный уровень калия или гиперкалиемия может привести к таким осложнениям, как сердечная аритмия . [ нужна ссылка ]
Высокий уровень жесткости воды в доме также может быть связан с развитием атопического дерматита (экземы) в раннем возрасте. [24] хотя фактическая связь в настоящее время является корреляционной, и необходимы дальнейшие исследования для установления причинно-следственной связи. Однако использование смягчителей воды при уже развившемся атопическом дерматите не уменьшает тяжесть симптомов. [25] [26]
Воздействие на окружающую среду
[ редактировать ]Умягченная вода (измеряемая как остаточный индекс карбоната натрия ), в которой кальций и магний частично заменены натрием, не пригодна для орошения, поскольку она имеет тенденцию вызывать образование щелочных почв . [27] В этом случае вместо традиционного умягчения воды часто используются нехимические устройства.
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Жесткая вода . Британская энциклопедия . 20 июля 1998 г. ISBN. 9781593392925 . Проверено 4 марта 2015 г.
- ^ Стивен Лоуэр (июль 2007 г.). «Жесткая вода и умягчение воды» . Проверено 8 октября 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б Роу, Гэри (1988). «Загрязнение скважины сбросной водой регенерации умягчителя воды». Журнал гигиены окружающей среды . 50 (5): 272–276. JSTOR 44541189 .
- ^ Перейти обратно: а б «Почему я не могу смыть мыло с рук?» . Геологическая служба США . Проверено 7 октября 2019 г.
- ^ «Мыло» . Архивировано из оригинала 17 августа 2011 г. Проверено 16 августа 2011 г.
- ^ «Умягчители воды» . Канадская ипотечная и жилищная корпорация. Архивировано из оригинала 10 октября 2006 года . Проверено 29 января 2010 г.
- ^ Факты о фильтрации , сентябрь 2005 г., Управление по охране окружающей среды США, стр. 6-7. По состоянию на 6 января 2013 г.
- ^ «Как работает умягчение воды» . Культуралистпресс.com . 2022 . Проверено 28 февраля 2022 г.
- ^ «Ионообменная обработка питьевой воды» (PDF) . Des.nh.gov . 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 8 декабря 2017 г. Проверено 23 июля 2016 г.
- ^ «Как добиться оптимальной производительности умягчителя» . Хим Аква, Инк. 2020 . Проверено 21 декабря 2020 г.
- ^ Джером Ковач (26 марта 2007 г.). «Искусство противоточной регенерации» . Кондиционирование и очистка воды . Проверено 16 февраля 2021 г.
- ^ Ионный обмен и смягчение извести , Nancrede Engineering
- ^ Бартрам, Джейми; Балланс, Ричард (1996). Мониторинг качества воды: практическое руководство по разработке и реализации программ исследований и мониторинга качества пресной воды (1-е изд.). Лондон: E & FN Spon. ISBN 0419223207 .
- ^ Мохаммед, AW; и др. (2007). «Моделирование влияния свойств нанофильтрационной мембраны на оценку стоимости системы для опреснения». Опреснение . 206 (1): 215–225. doi : 10.1016/j.desal.2006.02.068 . S2CID 98373166 .
- ^ Краутер, П.В.; Харрар, Дж. Э.; Орлов, СП; Баховик, С.М. (1 декабря 1996 г.). Испытание магнитного устройства для уменьшения образования накипи на очистном сооружении D (Отчет). Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. дои : 10.2172/567404 . ОСТИ 567404 .
- ^ Рик Эндрю (14 октября 2014 г.). «Новый стандарт оценки оборудования для контроля весов» . Журнал по кондиционированию и очистке воды . Проверено 10 февраля 2021 г.
- ^ Тицзин, 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 минерального загрязнения». Международные сообщения в области тепломассообмена . 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 г.
- ^ Гебауэр, Денис; Фёлкель, Антье; Кёльфен, Хельмут (2008). «Стабильные пренуклеационные кластеры карбоната кальция» . Наука . 322 (5909): 1819–1822. Бибкод : 2008Sci...322.1819G . дои : 10.1126/science.1164271 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 19095936 .
- ^ «Соляной дом — ДХДСП» . Cdc.gov . Проверено 23 июля 2016 г.
- ^ Лейтон, Линдси (20 апреля 2010 г.). «FDA планирует ограничить количество соли, разрешенное в обработанных пищевых продуктах, по соображениям здоровья» . Вашингтонпост.com .
- ^ «Список кандидатов на загрязнители питьевой воды (CCL) и нормативные определения | Агентство по охране окружающей среды США» . Water.epa.gov . 09.05.2016 . Проверено 23 июля 2016 г.
- ^ Яровс, Ю.А. (27 января 1997 г.). «Концентрация натрия в воде из умягчителей» . Arch Intern Med . 157 (2): 218–222. doi : 10.1001/archinte.1997.00440230096012 . ПМИД 9009980 . Проверено 26 августа 2023 г.
- ^ Перкин, Майкл (18 мая 2016 г.). «Жесткая вода связана с риском развития экземы у младенцев» .
- ^ Джаббар-Лопес З.К., Унг С.И., Александр Х., Гурунг Н., Чалмерс Дж., Дэнби С., Корк М.Дж., Пикок Дж.Л., Флор С. (март 2021 г.). «Влияние жесткости воды на атопическую экзему, барьерную функцию кожи: систематический обзор, метаанализ». Клиническая и экспериментальная аллергия . 51 (3): 430–451. дои : 10.1111/cea.13797 . ПМИД 33259122 . S2CID 227245344 .
- ^ Экзема у детей: устранение неопределенностей (Отчет). Доказательства НИХР. 19 марта 2024 г. дои : 10.3310/nihrevidence_62438 .
- ^ «Управление качеством оросительной воды» (PDF) . Университет штата Орегон . п. 12 . Проверено 4 октября 2012 г.
