4.1.7. Омекотяване на водата

Омекотяването е термин, с който се описва процес на премахване на йони, които пречат на използването на сапун. Тези йони се наричат твърди йони, поради присъствието на поливалентни катиони, най-вече калций и магнезий. В естествените води, други йони които могат да са причина за твърдост, когато са в значителни количества са Fe²⁺, Mn²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ и Al³⁺ (Sincero и Sincero, 2003d). Омекотяването на водата означава премахване на калциеви, магнезиеви и някои други метални катиони от твърдата вода (URL 9). Твърдите води са тези води, които съдържат тези твърди йони в прекалено големи количества (Sincero и Sincero, 2003d). Получената мека вода е по-съвместима със сапуна и удължава живота на водопроводната система. Омекотяването на водата обикновено се постига с помощта на вар за омекотяване или йонообменни смоли (URL) 9.

4.1.7.1. Видове твърдост

Твърдостта обикновено се изразява като милиграм еквивалент калциев карбонат на литър. Общата твърдост обикновено се определя като сума от твърдостта на магнезия и калция в мг/л СаСО₃. Общата твърдост може да се подраздели на карбонатна и некарбонатна твърдост. Карбонатната твърдост е част от общата твърдост, присъстваща под формата на бикарбонатни соли [Са(HCO₃)₂ и Mg(CO₃)₂] и карбонатни съединения (СаСО₃ и MgCO₃). Некарбонатната твърдост е частта от калций и магнезий, присъстваща като некарбонатни соли, като калциев сулфат (CaSO₄), калциев хлорид (CaCl₂), магнезиев сулфат (MgSO₄) и магнезиев хлорид (MgCl₂) (Horsley et al., 2005).

Общата класификация на твърдите води е както следва (Sincero и Sincero, 2003c; Gottlieb, 2005 г.):

Мека <50 мг/л, като CaCO₃

Умерено твърда 75-150 мг/л, като CaCO₃

Твърда 150-300 мг/л, като CaCO₃

Много твърда > 300 мг/л, като CaCO₃

Много меката вода придава усещане за омазняване. Например, дъждовната вода която е изключително мека, е мазна когато се използва със сапун. Поради тази причина твърдостта на водата, използвана за битови нужди не е напълно премахната. Твърдостта обикновено се отстранява до нива от 75 до 120 мг/л като СаСО₃ (Sincero и Sincero, 2003d).

4.1.7.2. Проблеми с твърдата вода

Наличието на определени метални йони като Ca и Mg главно под формата на бикарбонати, хлориди и сулфати във водата причинява различни проблеми (URL) 9.

• Образуване на котлен камък

Твърдата вода води до натрупването на котлен камък, който може да запуши ВиК системата и да насърчи галваничната корозия. ^[2] В омекотяващите водата промишлени инсталации, дебитът на отпадните води от процеса на повторно обновление, може да доведе до утаяване в мащаб, който може да попречи на функционирането на канализационните системи.

• Сапунен котлен камък

Усещането за хлъзгавост когато се използва сапун с мека вода се държи на факта, че сапуните са склонни да се свързват с мазнините в повърхностните слоеве на кожата, което прави сапунените молекули трудни за отстраняване чрез просто разреждане. Обратно, във водни площи с твърда вода, водите от изплакване съдържат калциеви или магнезиеви йони, които образуват неразтворими соли и ефективно отстраняват остатъчния сапун от кожата, но потенциално оставят покритие от неразтворими стеарати по повърхностите на вани и душове, които обикновено се наричат сапунен котлен камък.

Определянето на това кои от тези ефекти са повече или по-малко желани е индивидуално. Тези, които не харесват усещането за хлъзгавост и трудността при отмиването на сапуна, причинени от меката вода могат да втвърдят водата чрез добавяне на химикали като сода бикарбонат, калциев хлорид или магнезиев сулфат ( URL 9).

4.1.7.3. Предимства на омекотяването

Потенциалните ползи от омекотяването на водата в централната пречиствателна станция включват следното (Horsley et al., 2005):

• Намаляване на разтворените минерали и тенденциите за образуване на котлен камък
• Намаляване на консумацията от домакински почистващи агенти
• Премахване на радий 226 и 228
• Премахване на тежки метали, включително арсен
• Премахване на силициев диоксид и флуорид
• Премахване на някои органични съединения и намаляване на общия органичен въглерод (TOC)
• Премахване на желязо и манган
• Намаляване на мътността на повърхностните води във връзка с процеса на повишаване на твърдостта

Степента на отстраняване на тези причини обикновено зависи от процеса на пречистване. Ползите за потребителя зависят от качеството на водоизточника и изискванията на потребителите.

4.1.7.4. Методи за омекотяване на водата

Най-често срещаните подходи за премахване на твърдостта на водата разчитат на йонообменни полимери или обратна осмоза. Други подходи включват методи на преципитация и улавяне чрез добавяне на хелатиращи агенти. Смята се, че устройства които използват магнетизъм или електролиза като средства за омекотяване на водата, инхибират натрупването на котлен камък, без всъщност да отстраняват твърдите йони от водата. Такива устройства са в търговската мрежа за потребителите от началото на 20 век, но се оказват неудачни (URL 9).

4.1.7.5. Инсталации за отстраняване на твърдостта

За химично отстраняване на твърдостта чрез преципитация в практиката се използват два типа инсталации: единият вид използва механизма на контакт с утаечна обвивка, за да се улесни реакцията на утаяване. Вторият вид се състои от флаш микс, флокулационен басейн и седиментен басейн. Първият се нарича утаител в контакт с твърди частици. Функционирането на флаш микса, флокулацията и утаяването бяха обсъдени в предходните глави за функциониране на инсталациите. Устройството на утаител в контакт с твърди частици е показано на фигура 4.12. Химикалите се въвеждат в зоната за първоначално смесване и реакция. Тук, реагентите се смесват чрез въртеливо действие генерирано от перката на ротора, а също така се смесват и с възвърнатите утайки, които са въведени под капака от зоната на избистряне. Целта на възвръщане на утайките е да се осигурят ядра, които са важни за инициирането на химичната реакция. След това сместа се влива през утаечната обвивка, където се извършва вторична реакция и смесване. Продуктите на реакцията след това се потапят в зоната за избистряне, където избистрената вода се отделя чрез утаяване на твърдите вещества от реакционните продукти. Избистрените води накрая се преливат в резервоара за пречистени отпадни води. Утайката от избистрянето се изтегля през тръбата за разреждане на утайката (Sincero и Sincero, 2003d).

Фигура 4.12. Утаител в контакт с твръди частици (С любезното съдействие на INFILCO Degremont, Inc.) (URL 10).

4.1.7.5. Процес с вар и сода

Сода бикарбонат и варта могат да се използват за отстраняване на твърдост, причинена от калций и магнезий. На този принцип функционира процеса вар-сода. Този процес, използва вар (CaO) и сода бикарбонат (Na₂CO₃). Името на процеса предполага въвличане на два възможни набора от химични реакции: реакции, протичащи с варта и реакциите на сода бикарбонат. За да се разбере по-пълно това, което наистина се случва в процеса, важно е да се обсъдят тези химични реакции. Нека започнем с обсъждането на реакциите на варта. СаО първо реагира с вода за образуване на гасена вар, преди да взаимодейства с бикарбоната. (Sincero и Sincero, 2003d)

При тази реакция се получават два вида твърди вещества: Mg(OH)₂ и СаСО₃ и добавените калциеви йони от варта, които биха придали допълнителна твърдост на водата, се отстраняват като СаСО₃. Въпреки, че твърдите йони се утаяват, получените твърди вещества обаче, представляват проблем за изхвърляне в инсталациите за омекотяване на водата. Магнезият, независимо дали под формата на карбонатна или некарбонатна твърдост, винаги се отстранява под формата на хидроксид. По този начин, за да се отстрани общата магнезиева твърдост се добавя повече вар, за да отговори на общите изисквания за стехиометричност на карбонатите и некарбонатите (Sincero и Sincero, 2003d).

Изпълнението на процеса вар-сода трябва да бъде такова, че възможно най-много магнезий да остане неотстранен и да се разчита само на извеждането на калция, за да се постигне желаната твърдост след пречистването на водата. Ако желаното ниво на твърдост не е изпълнено чрез отстраняването само на калциевите йони, може да започне отстраняване и на магнезиевите. Това означава използването на вар, последвано от евентуално добавяне на сода бикарбонат за отстраняване на получената некарбонатна твърдост от калция. Както беше отбелязано по-горе, калциевият йон се отстранява под формата на СаСО₃. Това е причината за използването на втория химикал, известен като сода бикарбонат за отстраняване на некарбонатната твърдост на калция. Сода бикарбонат се използва само за две цели: да се премахне оригиналната твърдост на калциевия некарбонат в изходната вода и да се премахне калциевия некарбонатен твърд страничен продукт, който е резултат от утаяването на некарбонатния твърд магнезий. Също така е важно да се помни, че използвайки вар карбонатната твърдост на магнезия не води до натрупване на калциева некарбонатна твърдост. Само некарбонатният магнезий е причина за натрупване на некарбонатна твърдост, дължаща се на странични продукти, когато се използва вар (Sincero и Sincero, 2003d).