Методы реагентного умягчения воды базируются на возможности ионов Ca2+ и Mg2+ формировать нерастворимые или слаборастворимые соединения при взаимодействии с химическими реагентами. Наиболее часто применяемыми реагентами являются известь и сода.
При добавлении в исходную воду извести устраняется только временная (карбонатная) жёсткость, а также уменьшается щёлочность. Часть извести идёт на нейтрализацию растворенного CO2 (углекислоты):
2CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2.
Уменьшение временной жёсткости выполняется благодаря нижеприведённым реакциям:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2 O;
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → MgCO3↓ + 2CaCO3↓ + 2H2 O - один из возможных вариантов реакции, но более частый, в избытке щёлочи будет:
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + 2CaCO3↓ + 2H2 O
При этом щёлочность воды уменьшается пропорционально. Соли магния постоянной (некарбонатной) жёсткости преобразуются в кальциевые:
MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaSO4; MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaCl2.
В данном случае жёсткость не уменьшается, а лишь переходит из магниевой формы в кальциевую. Для устранения постоянной (некарбонатной) жёсткости после известкования подключают дозирование соды, что приводит к осаждению солей кальция:
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4;
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2Cl2.
Эффективность и скорость реакции умягчения зависят от множества условий, включая состав исходной воды, температуру, дозировку реагентов, уровень pH и степень контакта воды с образовавшимся осадком. Эти параметры являются ключевыми при оперативном контроле реагентного умягчения.
Подогрев воды ускоряет химические реакции и способствует более полному выпадению CaCO3 и Mg(OH)2, так как растворимость этих соединений значительно снижается при температуре 35-40 °C. Остаточная жёсткость воды напрямую зависит от точности расчёта необходимого количества реагентов. Теоретически оптимальную концентрацию реагентов можно определить, зная содержание ионов Ca2+, Mg2+, HCO3- и свободной углекислоты в исходной воде. Для полного осаждения соединений Ca2+ и Mg2+ требуется небольшой избыток реагентов. Например, для выпадения в осадок ионов Ca2+ дозу извести увеличивают на 0,5 мг-экв/дм3, а для ионов магния — на 1 мг-экв/дм3. Превышение этих значений может привести к увеличению остаточной жёсткости и щёлочности воды. Правильность подбора доз реагентов осуществляется по уровню pH. Оптимальное значение pH для умягчения рассчитывается по формуле:
pH_опт = pHs - ΔpH,
где pHs — значение pH, при котором осадок CaCO3 и Mg(OH)2 будет находиться в равновесии с раствором; ΔpH — избыточная величина pH, необходимая для полного выпадения Ca2+ и Mg2+ и ускорения процесса. Значение ΔpH появляется при избыточном дозировании реагентов, а pHs зависит от качества исходной воды: минерализации, температуры, остаточного содержания Ca2+ или Mg2+ и щёлочности воды. Эти параметры определяются с использованием номограмм.
Контроль уровня pH и поддержание его оптимального значения являются важными элементами химического контроля, но, кроме этого, процесс умягчения можно контролировать по изменению гидратной щёлочности. При добавлении в воду извести гидрокарбонаты переходят в карбонаты и осаждаются, что снижает бикарбонатную щёлочность воды. Одновременно увеличивается гидратная щёлочность за счёт избытка извести. Для выпадения в осадок ионов Ca2+ и Mg2+ необходим больший избыток извести, что приводит к более высокой гидратной щёлочности.
Для интенсификации осаждения CaCO3 и Mg(OH)2в воду добавляют коагулянты. Поскольку pH при умягчении поддерживается в диапазоне 9,5–10,9, коагулянты на основе алюминия использоваться не могут*, а применяются FeSO4 и FeCl3. Дозы коагулянтов, как и дозы извести и соды, рассчитываются согласно нормативным рекомендациям.
*Здесь я позволю себе некоторое отступление. Вроде бы, растворимость алюминия при рН выше 7,5 является прописной истиной, упоминаемой во всех учебниках (подробнее об этом я писал в этой статье, однако, к моему удивлению, встречаются проекты, где применяется полиоксихлорид алюминия, как более стойкий к щелочной среде, с дальнейшим подкислением. Вот вам в подтверждение пример такого проекта и скриншот технологической схемы.
Ключевым показателем оптимальности процесса умягчения является стабильность обработанной воды. Нестабильность проявляется в выпадении CaCO3 при транспортировке воды через трубопроводы и фильтры, что сопровождается снижением щёлочности. Для расчёта величины нестабильности ΔЩ определяют щёлочность воды после отстаивания (Щ1) и фильтрования (Щ2). Разность этих величин даст значение ΔЩ.
Предельные значения нестабильности в зависимости от температуры:
при температуре до 10 °C — не более 0,25;
при температуре 10–20 °C — не более 0,15;
при температуре 30–40 °C — не более 0,1.
Теоретически реагентные способы обработки позволяют удалить жёсткость до значений, ограниченных растворимостью CaCO3 и Mg(OH)2. Однако на практике из-за необходимости дозирования извести в дозах, превышающих теоретические значения, а также образования перенасыщенных растворов, остаточная жесткость воды составляет 0,5–1 мг-экв/дм3.