Умягчение воды
Умягчение воды – удаление катионов кальция, магния, стронция из жёсткой воды.
Полученная в результате мягкая вода требует меньше мыла для мытья, так как мыло не расходуется впустую, связываясь с ионами кальция. Мягкая вода также продлевает срок службы сантехники, уменьшая или устраняя образование накипи в трубах и фитингах.
Обоснование
Основная статья: Жесткая вода
Скопление известкового налета на теплообменнике и в трубе из ПВХ
Наличие в воде определённых ионов металлов, таких как кальций и магний, в основном в виде бикарбонатов, хлоридов и сульфатов, вызывает множество проблем. 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 мыльным налетом. Существуют ряд методов умягчения воды в быту и промышленности
В системах теплоснабжения и горячего водоснабжения, где происходит повышение температуры воды, в воде кальций в виде бикарбоната Ca(HCO3)2 при нагревании переходит в нерастворимый карбонат – CaCO3 который осаждается на греющих поверхностях, реагентная водоподготовка призвана исключить накипеобразующие свойства воды и минимизировать процессы коррозионных разрушений .
Принцип работы
Одним из методов умягчения является применение таких химических реагентов, как известь, сода, щелочь, которые при добавлении в воду реагируют с растворенными катионами кальция и магния с образованием соответствующих карбонатов, которые выпадают в осадок.
Ca(HCO3)2 ++ Сa(OH)2 → 2CaCO3 ↓+ 2H2O
Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3↓ + Na2CO3 + 2 H2O
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 ↓+2NaCl
При этом образуется большой объем отходов – шламов, требующих дальнейшего обезвоживания и доступных мест для хранения.
История
В 1938 г. в Чехословакии был предложен способ умягчения в реакторах со взвешенным слоем инертной загрузки с вихревым движением фаз – так называемые вихревые реакторы, основанные на движении жидкости в интенсивно перемешиваемом центробежном потоке, в который вводится реагент. Такие реакторы разрабатывались в разных странах, включая СССР, и применялись для умягчения питьевой воды . Их основное преимущество состояло в высокой удельной производительности – до 70-100 м3/м2*ч, получении достаточно крупных гранул, состоящих в основном из кальцита – карбоната кальция, который является совершенно не токсичным и может быть использован во многих применениях – в сельском хозяйстве, промышленности, строительстве. Недостатки – сложность конструкции и периодичность процесса, связанная с необходимостью остановки подачи воды на время выгрузки крупных гранул и загрузки свежих гранул.
Следующим решением, которое начало внедряться в 2000 гг. явилась разработка и практическое использование обработки воды в псевдоожиженном/кипящем слое мелкодисперсного инертного материала. Для этого разработаны специальные аппараты колонного типа с распределителем обрабатываемой воды, системой ввода реагента, системой выгрузки крупных гранул в нижней части и системы вывода вводы в верхней зоне. Установки с такими аппаратами имеют производительность до 12 500 м3/ч и обеспечивают умягченной водой крупные города в Европе .
В России в АО «НПК МЕДИАНА-ФИЛЬТР» разработан вариант таких реакторов, названных динамическая система умягчения воды – ДСУ и предназначенная для удаления карбонатной жесткости из питьевой, промышленной и сбросной воды. Были улучшены технико-экономические показатели предшествующих прототипов и аналогов. Разработанные решения защищены патентами РФ на основные и вспомогательные узлы таких установок.
Технические характеристики
Динамическая система умягчения предназначена для удаления ионов кальция, путём кристаллизации их на частицах взвешенного слоя песка с использованием реагентов, повышающих рН среды и образующих твердый осадок, она относится к реагентным способам умягчения.
Принципиальная схема динамической системы умягчения контактной колонны ДСУ.
1 – колонна ДСУ; 2 – распределительная тарелка; 3 – вывод гранул; 4 – кипящий слой песка; 5 – отстойная зона; 6 – распределитель реагента; 7 – насос-дозатор; 8 – емкость для реагента.
При работе ДСУ в колонну снизу через распределительную тарелку 2 подается очищаемая вода, с над ней через второе распределительное устройство 6 вводится реагент. При контактировании с водой происходит реакция образования карбоната кальция, который слоями осаждается на частицах песка 4, находящихся в псевдоожиженном/кипящем слое. Получаются круглые гранулы, которые постоянно увеличиваются в диаметре.
Через равные промежутки времени, не прекращая работы, из реактора выгружается наибольшее количество крупных гранул и добавляется свежий материал-носитель. После атмосферной сушки получаются легкие в обращении и практически безводные гранулы.
Проведенные многочисленные эксперименты по очистки природной подземной и речной воды показали применимость такой технологии для снижения жесткости воды с 8-15 мг-экв/л до норм СанПиН на питьевую воду. При этом происходит и очистка от тяжелых металлов – железо, марганца .
Проведенные исследования по очистке сточных вод, показали, что при правильном подборе реагентов можно очищать и сточные воды от железа, марганца, меди, цинка, никеля, мышьяка, кадмия, свинца, и др. до минимальных концентраций, соответствующих нормативам на их сброс .
Привлекательность данной технологии состоит в относительной простоте реализации процесса, а также отсутствия жидких отходов и шламов, требующих дальнейшей обработки. Единственным отходом является песок, обросший карбонатом кальция, который может использоваться для подкисления почв, в строительстве дорог для их отсыпки, как добавка в бетон и т.д. Установка стабильно работает при температуре от 1°С. Высокая производительность и в результате компактность оборудования позволяет разместить его на минимальных площадях. В числе других неоспоримых преимуществ – простота эксплуатации (работа установки полностью автоматизирована).
Применение
Основными направлениями применения технологии реагентно-осадительного умягчения воды на взвешенном слое гранул (в основном песок) являются:
1. Обработка воды с целью достижения норм качества питьевого водоснабжения;
2. Обработка воды, удовлетворяющей нормам питьевого водоснабжения, но со снижением временной жесткости, позволяющей воде оставаться в стабильном состоянии при нагревании. Эта технология нашла применение в в крупных европейских городах;
3. Обработка стоков, содержащих повышенную жесткость и высокие концентрации тяжелых металлов;
4. Обработка концентрата установок обратного осмоса;
Технология ДСУ интенсивно изучается и внедряется в различных отраслях промышленности. В РФ ДСУ выпускается под торговой маркой «БоР», в честь разработчика данной технологии д.т.н. Бориса Рябчикова.
Действует промышленная установка очитки сточных вод от тяжелых металлов на Челябинском трубопрокатном заводе производительностью – 330 м3/ч, которая обеспечивает очистку стока сложного состава, включающего медь, цинк, никель, свинец, железо, марганец до жестких норм для сброса в рыбо-хозяйственные водоемы. Например, содержание меди в очищенных стоках не превышает 0,001 мг/л.
Примечания
[править | править код]
Ссылки
[править | править код]
Литература
1. Жесткая вода и накипь. Структура, свойства и способы минимизации ущерба https://habr.com/ru/articles/533476/
2. Почему вода не смывает мыло с рук https://sunnyfresh.ru/pochemu-voda-ne-smyvaet-mylo-s-ruk/
3. Жесткая вода и способы ее умягчения https://geizer.com/facts/household-filters/zhestkaya-voda-i-sposoby-ee-umyagcheniya/
4. Рябчиков Б.Е. Процессы и аппараты современной водоподготовки – М.: ТД ДеЛи, 2023. – 403 с. https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_011859196/
5. Рябчиков Б.Е., Пантелеев А.А., Ларионов С.Ю., Касаточкин А.С. Системы реагентного умягчения воды со взвешенным слоем контактной загрузки // Водоснабжение и санитарная техника. – 2021. – № 2. – С. 18-31. https://www.vstnews.ru/ru/archives-all/2026/2026/9340-reagentnoe-umyagchenie-vody
6. Амосова Э. Г., Долгополов П. И., Журавлев С. П. Реагентное умягчение природной воды в вихревых реакторах // Электрические станции. 2005. № 9. С. 23–29. https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_001321535/
7. Сайт компании Royal HaskoningDHV https://www.royalhaskoningdhv.com/en/services/crystalactor
8. Harms J. R., Robinson R. B. Characterization of fluidized bed crystallizers used for softening in South Florida, Environmental Engineering, 1990. P. 717–724. https://cedb.asce.org/CEDBsearch/record.jsp?dockey=0066743
9. Sobhan R. An improved kinetic model and optimized configurations for pellet softening Modeling and optimization of pellet softening process in drinking water treatment Amsterdam. TU Delft Civil Engineering and Geosciences. 26.07.2019. 96 р. https://www.academia.edu/106465053/An_improved_kinetic_model_and_optimized_configurations_for_pellet_softening_Modeling_and_optimization_of_pellet_softening_process_in_drinking_water_treatment
10. Касаточкин А.С., Ларионов С.Ю., Пантелеев А.А., Рябчиков Б.Е., Шилов М.М. Разработка динамической системы умягчения воды – ДСУ // Водоснабжение и санитарная техника. – 2021. – № 6. – С. 18-26. https://www.vstnews.ru/ru/archives-all/2024/2024-07/9037-problemy-udaleniya
https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45961861
11. Касаточкин А.С., Ларионов С.Ю., Пантелеев А.А., Рябчиков Б.Е., Шаповалов Д.А., Харитонов Н.А., Шилов М.М. Сравнение вариантов систем корректировки солевого состава воды из подземных источников // Водоснабжение и санитарная техника. – 2022. – № 3. С. – 16-26. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48074325
12. Касаточкин А.С., Ларионов С.Ю., Харитонов Н.А., Шилов М.М., Савочкин А.Ю., Рябчиков Б.Е. Очистка воды с высокой постоянной жесткостью и солесодержанием // Водоснабжение и санитарная техника. – 2023. – № 5. – С. 4-16. https://www.vstnews.ru/ru/archives-all/2023/2023-05/8800-ochistka-vody
13. Пат. 198959, РФ. Реактор для реагентного умягчения воды / Рябчиков Б. Е., Пантелеев А. А., Ларионов С. Ю., Шилов М. М., Касаточкин А. С. // Изобретения. Полезные модели. 2020. № 22 https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
14. Пат. № 2752351 Опорно-распределительная тарелка / Рябчиков Б.Е., Пантелеев А.А., Ларионов С.Ю., Шилов М.М., Касаточкин А.С. // Изобретения. 2021. № 22 https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
15. Пат. № 205703 Реактор с псевдоожиженным слоем носителя для реагентного умягчения воды / Рябчиков Б.Е., Пантелеев А.А., Ларионов С.Ю., Касаточкин А.С., Шилов М.М. // Изобретения. Полезные модели. 2021. № 22 https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
16. Патент № 2785322 Устройство для распределения реагента в псевдоожиженном слое / Рябчиков Б.Е., Пантелеев А.А., Ларионов С.Ю., Касаточкин А.С., Шилов М.М. // Изобретения. 2022. №34. https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
17. Патент № 215799 Реактор для реагентного умягчения воды / Рябчиков Б.Е., Пантелеев А.А., Ларионов С.Ю., Касаточкин А.С., Шилов М.М. // Изобретения. Полезные модели. 2023. №1. https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
18. Бобинкин В. В., Касаточкин А. С. Ларионов С. Ю., Пантелеев А. А., Рябчиков Б. Е., Савенков П. В., Шаповалов Д. А., Шилов М. М., Харитонов Н. А. Опытно-промышленные испытания технологии очистки промышленно-ливневых сточных вод металлургического завода // Водоснабжение и санитарная техника. 2024. № 7. С. 41–51. https://www.vstnews.ru/ru/archives-all/2024/2024-07/9038-opytno-promyshlennye
19. Бобинкин В. В., Касаточкин А. С., Ларионов С. Ю., Пантелеев А. А., Рябчиков Б. Е., Савенков П. В., Шаповалов Д. А., Шилов М. М. Создание комплекса по очистке промышленно-ливневых стоков металлургического завода // Водоснабжение и санитарная техника. 2024. № 7. С. 52–60. https://www.vstnews.ru/ru/archives-all/2024/2024-07/9039-sozdanie-kompleksa
Примечания
Ссылки[править]