Умягчение воды - Water softening

Идеальное изображение процесса смягчения воды, включающего замену ионов кальция в воде ионами натрия, поступающими от катионообменная смола.

Умягчение воды удаление кальций, магний, и некоторые другие металлы катионы в жесткая вода. Полученная мягкая вода требует меньше мыло для тех же усилий по очистке, поскольку мыло не теряет связи с ионами кальция. Мягкая вода также продлевает срок службы сантехника за счет уменьшения или устранения масштаб отложения в трубах и фитингах. Умягчение воды обычно достигается с помощью умягчение извести или ионообменные смолы но все чаще достигается с помощью нанофильтрация или обратный осмос мембраны.

Обоснование

Основная статья: Жесткая вода

Наличие определенных металл ионы как кальций и магний в основном как бикарбонаты, хлориды, и сульфаты в воде вызывает множество проблем.[1]

Жесткая вода приводит к накоплению известковый налет, который может фолить сантехника, и продвигать гальваническая коррозия.[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 связывать, и для его удаления требуется больше усилий и больший объем воды.[4]. Жесткая вода содержит ионы кальция или магния, которые образуют нерастворимые соли при реакции с мылом оставляет покрытие нерастворимого стеараты на поверхностях ванны и душа, обычно называемые мыльная пена.[4][5]


Известковый налет в ПВХ труба

Методы

Наиболее распространенные средства для снятия жесткости воды полагаются на ионообменная смола или обратный осмос. Другие подходы включают методы осаждения и секвестрацию путем добавления хелатирующий агенты.

Метод ионообменной смолы

Обычные устройства для смягчения воды, предназначенные для домашнего использования, зависят от ионообменная смола в котором «ионы жесткости» - в основном Ca2+ и Mg2+- обмениваются на натрий ионы.[6] Как описано Стандарт NSF / ANSI 44,[7] ионообменные устройства снижают жесткость за счет замены магния и кальция (Mg2+ и Ca2+) с ионами натрия или калия (Na+ и K+)."

Ионный обмен смолы в форме шариков являются функциональным компонентом бытовых водоумягчителей.

Ионообменные смолы находятся органические полимеры содержащий анионный функциональные группы, к которым двухвалентные катионы (Ca2+) связываются сильнее одновалентных катионов (Na+). Неорганические материалы, называемые цеолиты также проявляют ионообменные свойства. Эти минералы широко используются в стиральные порошки. Также доступны смолы для удаления карбонатных, бикарбонатных и сульфатных ионов, которые абсорбируются, и гидроксид-ионов, которые высвобождаются из смолы.[нужна цитата ]

Когда все доступные Na+ ионы были заменены ионами кальция или магния, смолу необходимо заряжать элюирование CA2+ и Mg2+ ионов с использованием раствора хлорид натрия или гидроксид натрия в зависимости от типа используемой смолы.[8] Для анионных смол для регенерации обычно используется раствор гидроксида натрия (щелочь ) или гидроксид калия. Сточные воды, элюированные из ионообменной колонки, содержащие нежелательные соли кальция и магния, обычно сбрасываются в сточные воды система.[3]

Пополнение баланса обычно включает следующие шаги:[9]

Обратная промывка

Вода направляется через смолу в направлении, противоположном нормальному потоку, и выходящая вода направляется в канализацию для удаления. Этот 10-минутный процесс вымывает твердые частицы и расширяет слой смолы.

Розыгрыш рассола

Вода направляется через струйный насос, который вытягивает соленую воду из рассол резервуар, прежде чем вода и рассол пройдут через слой смолы в нормальном направлении. Результат этого типичного 30-минутного процесса сбрасывается через сливной шланг.

Полоскание

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 пресной водой.

Умягчение извести

Основная статья: Умягчение извести

Умягчение извести - это процесс, в котором Лайм 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.[10]

Хелатирующие агенты

Основная статья: Хелатирование

Хелаторы используются в химический анализ, в качестве смягчителей воды и входят в состав многих коммерческих продуктов, таких как шампуни и еда консерванты. Лимонная кислота используется, чтобы смягчить воду в мыле, средствах личной гигиены и стиральные порошки. Обычно используемый синтетический хелатор - это этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), который может существовать в виде тетранатриевой или динатриевой соли. Из-за экологических и водная токсичность опасения относительно широкого использования ЭДТА в продуктах для дома и личной гигиены, таких как фитат натрия /фитиновая кислота, более распространены диацетат тетранатрия глутамата и тринатрийэтилендиаминдисукцинат.

Стиральный содовый метод

В этом методе вода обрабатывается расчетным количеством стиральная сода (Na2CO3), который превращает хлориды и сульфаты кальция и магния в их соответствующие карбонаты, которые осаждаются.

CaCl2 + Na2CO3 -> CaCO3 + 2NaCl
MgSO4 + Na2CO3 -> MgCO3 + Na2ТАК4

Дистилляционная и дождевая вода

Поскольку Ca2+ и Mg2+ существуют в виде нелетучих солей, их можно удалить дистилляцией воды. Дистилляция в большинстве случаев слишком дорого. Дождевая вода мягкая, потому что она подвергается естественной дистилляции во время круговорот воды испарения, конденсации и осадков.[11]

Обратный осмос

Основная статья: Обратный осмос

Обратный осмос использует приложенный градиент давления через полупроницаемая мембрана преодолеть осмотическое давление и удаляют молекулы воды из раствора ионами жесткости. Мембрана имеет достаточно большие поры, чтобы пропускать молекулы воды; ионы жесткости, такие как Ca2+ и Mg2+ не пройдет через поры. Полученная мягкая вода не содержит ионов жесткости без добавления каких-либо других ионов. Мембраны - это разновидность водяной фильтр требующие 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 ионами, как это делают традиционные умягчители воды, одно из преимуществ, заявленных для пользователя, - устранение 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».

Аналогичные претензии для магнитная очистка воды не считаются действительными. Например, при научных испытаниях такого магнитного устройства не было обнаружено уменьшения образования накипи.[12]

Влияние на здоровье

В CDC рекомендует ограничить дневное общее потребление натрия до 2300 мг в день,[13] хотя средний американец потребляет 3500 мг в день.[14] 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.[15]

Тем, кто придерживается диеты с ограничением натрия, рекомендуется употребление обратный осмос Система для питьевой воды и воды для приготовления пищи удалит натрий и любые другие примеси, которые могут присутствовать. Хлористый калий также может использоваться в качестве регенератора вместо хлорида натрия, хотя и более дорогостоящий. Для людей с ограниченными возможностями функция почек однако повышенный уровень калия или гиперкалиемия, может привести к таким осложнениям, как аритмия сердца.

Высокий уровень жесткости воды в доме также может быть связан с развитием экзема в раннем возрасте.[16]

Воздействие на окружающую среду

Умягченная вода (измеряется как остаточный показатель карбоната натрия ), в котором кальций и магний были частично заменены натрием, не подходит для орошения, так как имеет тенденцию вызывать развитие щелочные почвы.[17] В этом случае вместо традиционного умягчения воды часто используются нехимические устройства.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Редакторы Encyclopdia Britannica (20 июля 1998 г.). Жесткая вода. Британская энциклопедия. ISBN  9781593392925. Получено 4 марта 2015.
  2. ^ Стивен Лоуэр (июль 2007 г.). «Жесткая вода и смягчение воды». Получено 2007-10-08.
  3. ^ а б Роу, Гэри (1988). «Загрязнение скважины сбросной водой для регенерации умягчителя». Журнал гигиены окружающей среды. 50 (5): 272–276. JSTOR  44541189.
  4. ^ а б "Почему я не могу смыть мыло с рук?". USGS. Получено 7 октября 2019.
  5. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2011-08-17. Получено 2011-08-16.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  6. ^ «Умягчители воды». Канадская ипотечная и жилищная корпорация. Архивировано из оригинал 10 октября 2006 г.. Получено 2010-01-29.
  7. ^ Факты о фильтрации, Сентябрь 2005 г., Управление по охране окружающей среды США, стр. 6-7. По состоянию на 6 января 2013 г.
  8. ^ «Ионообменная очистка питьевой воды» (PDF). Des.nh.gov. 2009. Получено 2016-07-23.
  9. ^ «Как добиться оптимальных характеристик смягчителя». Chem Aqua, Inc. 2020. Получено 21 декабря, 2020.
  10. ^ Ионный обмен против умягчения извести, Nancrede Engineering
  11. ^ Бартрам, отредактированный 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.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (ссылка на сайт)
  12. ^ Krauter, P.W .; Harrar, J. E .; Орлов, С.П .; Баховик, С. М. (1 декабря 1996 г.). «Испытание магнитного устройства для уменьшения образования накипи на очистном сооружении D». Osti.gov. OSTI  567404. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  13. ^ «Соленый дом - ДХДСП». Cdc.gov. Получено 2016-07-23.
  14. ^ Лейтон, Линдси (20 апреля 2010 г.). «FDA планирует ограничить количество соли, разрешенной в обработанных пищевых продуктах, по причинам здоровья». Washingtonpost.com.
  15. ^ «Список кандидатов на загрязнение питьевой воды (CCL) и нормативное определение | Агентство по охране окружающей среды США». Water.epa.gov. 2016-05-09. Получено 2016-07-23.
  16. ^ Перкин, Майкл (18 мая 2016 г.). «Жесткая вода связана с риском экземы у младенцев».
  17. ^ «Управление качеством поливной воды» (PDF). Государственный университет Орегона. п. 12. Получено 2012-10-04.