Умягчение воды — это удаление кальция , магния и некоторых других катионов металлов из жесткой воды . Получающаяся мягкая вода требует меньше мыла для тех же усилий по очистке, поскольку мыло не тратится на связывание с ионами кальция. Мягкая вода также продлевает срок службы сантехники , уменьшая или устраняя образование накипи в трубах и фитингах. Умягчение воды обычно достигается с помощью известкового умягчения или ионообменных смол , но все чаще достигается с помощью нанофильтрации или мембран обратного осмоса .
Присутствие в воде определенных ионов металлов , таких как кальций и магний , в основном в виде бикарбонатов , хлоридов и сульфатов , вызывает ряд проблем. [1]
Жесткая вода приводит к образованию известкового налета , который может загрязнять водопроводную систему и способствовать электрохимической коррозии . [2] На промышленных предприятиях по умягчению воды поток сточных вод от процесса регенерации может осаждаться в виде накипи, которая может мешать работе канализационных систем. [3]
Скользкое ощущение, связанное с мытьем в мягкой воде, вызвано более слабым притяжением мыла к водным ионам, когда вода лишена своего минерального содержания. Поверхность человеческой кожи имеет легкий заряд, с которым мыло имеет тенденцию связываться, требуя больше усилий и большего объема воды для удаления. [4] Жесткая вода содержит ионы кальция или магния, которые образуют нерастворимые соли при реакции с мылом, оставляя на поверхностях ванны и душа слой нерастворимых стеаратов , обычно называемый мыльной пеной . [4] [5]
Наиболее распространенные способы удаления жесткости воды основаны на ионообменной смоле или обратном осмосе . Другие подходы включают методы осаждения и секвестрации путем добавления хелатирующих агентов. Дистилляция и обратный осмос являются наиболее широко используемыми двумя нехимическими методами смягчения воды.
Обычные приборы для смягчения воды, предназначенные для бытового использования, зависят от ионообменной смолы , в которой «ионы жесткости» — в основном Ca 2+ и Mg 2+ — заменяются ионами натрия . [6] Как описано в стандарте NSF/ANSI 44 , [7] ионообменные устройства снижают жесткость путем замены магния и кальция (Mg 2+ и Ca 2+ ) ионами натрия или калия (Na + и K + ).
Ионообменные смолы — это органические полимеры , содержащие анионные функциональные группы, с которыми двухвалентные катионы (Ca2 + ) связываются сильнее, чем одновалентные катионы (Na + ). Неорганические материалы, называемые цеолитами, также проявляют ионообменные свойства. Эти минералы широко используются в моющих средствах для стирки . Смолы также доступны для удаления карбонатных, бикарбонатных и сульфатных ионов, которые поглощаются, и гидроксидных ионов, которые выделяются из смолы. [8]
Когда все доступные ионы Na + заменены ионами кальция или магния, смолу необходимо перезарядить путем элюирования ионов Ca2 + и Mg2 + с помощью раствора хлорида натрия или гидроксида натрия , в зависимости от типа используемой смолы. [9] Для анионных смол регенерация обычно использует раствор гидроксида натрия ( щелочь ) или гидроксида калия. Сточные воды, вымываемые из ионообменной колонки, содержащие нежелательные соли кальция и магния, обычно сбрасываются в канализацию . [ 3]
Пополнение счета обычно включает в себя следующие шаги: [10]
Умягчение известью — это процесс, в котором известь добавляется в жесткую воду, чтобы сделать ее мягче. Он имеет несколько преимуществ [ необходимо дополнительное объяснение ] по сравнению с методом ионного обмена, но в основном подходит для коммерческих приложений очистки. [12]
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 водной среды, связанных с широким использованием ЭДТА в бытовых и личных средствах гигиены, все более распространенное применение находят такие альтернативы, как фитат натрия/ фитиновая кислота , тетранатрийглутаматдиацетат и тринатрийэтилендиаминдисукцинат.
При этом методе вода обрабатывается расчетным количеством кальцинированной соды ( Na2CO3 ) , которая преобразует 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
Поскольку Ca 2+ и Mg 2+ существуют в виде нелетучих солей, их можно удалить путем дистилляции воды. Дистилляция является дорогостоящей и энергонеэффективной по сравнению с другими методами смягчения воды. Дождевая вода мягкая, потому что она естественным образом дистиллируется во время водного цикла испарения, конденсации и осаждения. [13]
Обратный осмос использует градиент давления, приложенный через полупроницаемую мембрану , чтобы преодолеть осмотическое давление и удалить молекулы воды из раствора с ионами жесткости. Мембрана имеет поры, достаточно большие, чтобы пропускать молекулы воды; ионы жесткости, такие как Ca2 + и Mg2 +, не пройдут через поры. Получаемая мягкая вода не содержит ионов жесткости без добавления каких-либо других ионов. Мембраны представляют собой тип фильтра для воды, требующего регулярной очистки или замены.
Нанофильтрация — это процесс, аналогичный обратному осмосу, поскольку он включает использование полупроницаемой мембраны, хотя мембрана фильтра отличается тем, что ее поры имеют диаметр ≤ 10 нанометров. Процесс часто используется в сочетании с фильтрацией обратного осмоса, поскольку нанофильтрация сама по себе не так эффективна и более дорога, чем методы химической очистки воды. [14]
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 путем обмена ионами, как это делают традиционные умягчители воды, одним из преимуществ, заявленных для пользователя, является устранение необходимости добавлять соль в систему. Такие системы не удаляют минералы из самой воды. Скорее, они могут только изменять эффекты, которые в противном случае имела бы вода, содержащая минералы. Эти системы не подпадают под термин «умягчение воды», а скорее «кондиционирование воды». [ необходима цитата ]
Подобные заявления о магнитной очистке воды не считаются обоснованными. Например, не было обнаружено снижения образования накипи при научном испытании такого магнитного устройства. [15]
Удаление или замена минералов в жесткой воде называется смягчением воды. Альтернативная обработка воды называется кондиционированием воды, при котором минералы остаются в воде, но изменяются таким образом, что не образуют накипь. Хотя в США есть стандарты для измерения минералов в воде, у 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 реагирует с водой, образуя угольную кислоту , которая остается в растворе. Минералы, содержащие кальций и магний, образуют растворимые бикарбонаты при воздействии угольной кислоты. Вода, содержащая эти минералы, известна как «жесткая вода». [ требуется цитата ]
Когда жесткая вода нагревается в водопроводной системе, углекислый газ выходит из раствора, а бикарбонаты превращаются в карбонаты, которые гораздо менее растворимы. Карбонаты связываются с поверхностями водопровода, обеспечивая затравочные кристаллы для дальнейшего роста кристаллов, которые накапливаются в виде твердой накипи. [ необходима цитата ]
Устройства физической обработки воды (PWT) вызывают образование микроскопических минеральных кристаллов, которые остаются взвешенными, пока они текут с водой, одновременно выступая в качестве затравок для дальнейшего роста кристаллов. По мере нагревания воды минералы будут кристаллизоваться на этих затравках, а не в водопроводной системе. Растворенные минералы становятся нерастворимыми твердыми частицами во взвешенном состоянии, проходя через систему, не связываясь с поверхностями водопровода. [17]
Существуют альтернативы ионообменным умягчителям воды, см. таблицу ниже.
Холодная жесткая вода проходит через резервуар, содержащий крошечные полимерные шарики с поверхностями, которые позволяют зародышеобразование крошечных пузырьков углекислого газа. Первоначальное зародышеобразование пузырьков газа может происходить из-за разгерметизации жесткой воды, когда она течет вверх по колодцу, как при снятии крышки с пивной бутылки. Как только углекислый газ покидает жидкость, химическая реакция немедленно запускает образование кристаллов карбоната кальция на поверхности пузырьков. По мере того, как кристаллы растут на этих семенах, они отрываются в потоке, оставаясь микроскопическими по размеру. Если эти крошечные частицы проходят через водонагреватель, дальнейшее выделение углекислого газа происходит из-за повышенной температуры, и рост новых кристаллов происходит на частицах, а не на водонагревателе. Как только кальцит попадает в воду, новый кальцит предпочтет образоваться на старом кальците из-за имеющихся связей на кристаллах, а также близости и количества поверхностей кальцита в воде. [ необходима цитата ]
Этот процесс называется либо кристаллизацией с помощью шаблона (TAC), либо кристаллизацией с помощью зародышеобразования (NAC). Полимерные шарики представляют собой полифосфаты размером от 0,5 до 2,0 мкм. [ требуется цитата ] и некоторые из них имеют керамическое покрытие. Испытания в Университете Аризоны показали, что TAC наиболее эффективен для уменьшения образования накипи, за ним следует ионный обмен (см. таблицу выше). Они более эффективны, чем подходы, которые пытаются изолировать ионы с помощью применения магнитных или электрических полей. Преимущества резервуаров TAC включают простоту, низкие эксплуатационные расходы, отсутствие токсичных стоков (таких как хлор) и наличие кальция в качестве питательного вещества в питьевой воде. Недостатки включают в себя то, что кристаллы кальцита не избегаются и не удаляются из воды, так что области, где вода испаряется, все еще будут показывать отложения. Производители утверждают, что эти отложения легче очищать, поскольку кальцит образуется на затравочных кристаллах, а не на поверхностях. [ требуется цитата ]
Национальная служба здравоохранения Великобритании рекомендует максимальное потребление соли в 6 г, по сравнению с текущим фактическим потреблением в 8,1 г. Центры по контролю и профилактике заболеваний США рекомендуют ограничить ежедневное потребление натрия до 2300 мг в день, [20] хотя среднестатистический американец потребляет 3500 мг в день. [21] Поскольку количество натрия, присутствующего в питьевой воде — даже после смягчения — не представляет собой значительный процент от ежедневного потребления натрия человеком, Агентство по охране окружающей среды США считает, что натрий в питьевой воде вряд ли вызовет неблагоприятные последствия для здоровья. [22]
Исследование показало, что средняя концентрация натрия в смягченной воде составляет 278 мг/л. [23] В 2 литрах воды — количестве питьевой воды, которое обычно рекомендуется для среднего взрослого человека, это составляет около 22% от рекомендуемого потребления натрия Центром по контролю и профилактике заболеваний США и может иметь значение для тех, кому необходимо значительно ограничить потребление натрия. [ необходима цитата ] Для тех, кто придерживается диеты с ограничением натрия, использование системы обратного осмоса для питьевой воды и воды для приготовления пищи удалит натрий вместе с любыми другими примесями, которые могут присутствовать. [ необходима цитата ] Хлорид калия также может использоваться в качестве регенерирующего средства вместо хлорида натрия, хотя это более затратно. Однако у людей с нарушенной функцией почек повышенный уровень калия, или гиперкалиемия , может привести к осложнениям, таким как сердечная аритмия . [ необходима цитата ]
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 требуются дальнейшие исследования для установления причинно-следственной связи. Однако использование смягчителей воды, когда атопический дерматит уже установлен, не снижает тяжесть симптомов. [25] [26]
Умягченная вода (измеренная как остаточный индекс карбоната натрия ), в которой кальций и магний частично заменены натрием, не подходит для орошения, поскольку она имеет тенденцию вызывать развитие щелочных почв . [27] Для этого применения вместо традиционного умягчения воды часто используются нехимические устройства.
