Высокая жёсткость воды — одна из наиболее распространённых проблем промышленной водоподготовки. Растворённые соли кальция и магния способны образовывать плотные отложения на трубопроводах, теплообменниках, нагревательных элементах и мембранах. На небольших расходах жёсткость чаще всего удаляют ионообменными фильтрами. Однако при больших потоках и высокой жёсткости исходной воды использование больших объёмов ионообменной смолы и соли для её регенерации может становиться экономически невыгодным. В таких случаях применяется другой метод — известково-содовое умягчение.
В чём отличие от ионного обмена
При ионообменном умягчении кальций и магний остаются растворёнными в воде, но заменяются ионами натрия. Известково-содовый метод работает иначе. Кальций и магний химически переводятся в малорастворимые соединения, после чего выпадают из воды в виде осадка. Основными реагентами служат известь и кальцинированная сода. Известь обычно вводится в виде Ca(OH)2, а сода — Na2CO3.
При добавлении извести увеличивается pH воды и изменяется карбонатное равновесие. Кальций начинает выпадать в виде карбоната кальция CaCO3, а при более высоком pH магний осаждается в виде гидроксида магния Mg(OH)2. Для эффективного осаждения кальция процесс обычно ведут примерно в области pH 9–9,5, а для глубокого удаления магния требуется повышение pH выше приблизительно 10,5.
Зачем нужна именно известь?
Рассмотрим воду, содержащую бикарбонат кальция. Упрощённо реакцию можно представить так:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O
Растворённые соединения кальция превращаются в твёрдый карбонат кальция. Образующийся CaCO3 уже можно удалить отстаиванием и фильтрацией. Для магния механизм несколько отличается. При увеличении pH магний переводится в малорастворимый гидроксид:
Mg2+ + 2OH− → Mg(OH)2↓
Именно поэтому для удаления магниевой жёсткости требуется больше извести и более высокое значение pH.
Тогда зачем нужна сода?
Известь хорошо работает с карбонатной жёсткостью, связанной в первую очередь с бикарбонатами. Однако в воде кальций присутствует не только в виде Ca(HCO3)2. Он может быть связан с сульфатами и хлоридами. Такую жёсткость называют некарбонатной. Для её удаления необходимо дополнительно внести карбонат-ионы. Их источником и служит кальцинированная сода Na2CO3. Например:
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4
Кальций снова переводится в нерастворимый CaCO3 и выводится вместе с осадком. Именно сочетание двух реагентов и дало процессу название «известково-содовое умягчение». Классическое описание метода также разделяет карбонатную и некарбонатную жёсткость и связывает необходимость введения соды именно с удалением некарбонатной составляющей.
Что происходит с водой после введения реагентов?
Просто добавить известь и соду недостаточно. Полный технологический процесс обычно включает быстрое смешение реагентов с водой, реакционную камеру, образование хлопьев, отстаивание и последующую фильтрацию. Во время реакции появляется большое количество мелких частиц CaCO3 и Mg(OH)2. Если оставить их в воде, фактически жёсткость перейдёт из растворённого состояния во взвешенное. Поэтому следующая задача — отделить образовавшийся осадок.
Крупная станция химического умягчения: осветлители, реагентное хозяйство и обвязка
Для этого используются осветлители и отстойники. При необходимости применяются коагулянты и флокулянты, ускоряющие образование более крупных хлопьев. После отстаивания вода проходит через механические или зернистые фильтры для удаления остаточной взвеси. Американское EPA, например, описывает классическую схему «lime-soda softening» как последовательность дозирования и смешения реагентов, флокуляции, осаждения, рекарбонизации и фильтрации.
дозирование и смешение → флокуляция → осаждение → рекарбонизация → фильтрация
Зачем после умягчения нужна рекарбонизация?
После внесения избытка извести pH воды может оставаться слишком высоким. Кроме того, часть кальция способна продолжать выпадать в осадок уже в трубопроводах и резервуарах. Поэтому после осветления часто проводят рекарбонизацию — вводят CO2.
Диоксид углерода нейтрализует избыток щёлочи, снижает pH и стабилизирует воду. Это важный этап, поскольку целью процесса является не просто удалить кальций и магний, а получить воду, которая не будет интенсивно образовывать отложения после выхода из установки.
Холодное и горячее известково-содовое умягчение
Существует два основных варианта процесса. Холодное умягчение проводится примерно при температуре исходной воды. Оно проще и применяется в обычных очистных сооружениях. При горячем процессе вода предварительно нагревается. При повышенной температуре химические реакции идут быстрее, уменьшается растворимость некоторых образующихся осадков и улучшается их отделение.
Кроме того, нагрев способствует удалению растворённого CO2. Поэтому горячий процесс способен обеспечивать более глубокое умягчение, но требует дополнительного теплового оборудования и соответствующих энергетических затрат. EPA отмечает, что повышение температуры ускоряет реакции и улучшает осаждение CaCO3 и Mg(OH)2.
Реагентное хозяйство: силосы для хранения извести
Где применяется технология?
Известково-содовый метод особенно интересен на объектах с высокой производительностью. Например, если необходимо обрабатывать десятки, сотни или тысячи кубометров воды в час, использование большого количества ионообменных фильтров может потребовать значительного расхода соли и образования большого объёма регенерационных стоков.
Химическое осаждение позволяет снять значительную часть жёсткости до последующих ступеней. Поэтому технологию применяют:
- на крупных водопроводных станциях;
- на промышленных предприятиях;
- на энергетических объектах;
- в системах подготовки воды для охлаждения;
- как предварительную ступень перед более глубокой очисткой.
Интересен этот процесс и перед обратным осмосом. Если исходная вода имеет очень высокую жёсткость, мембранная установка сталкивается с повышенным риском образования карбонатных и сульфатных отложений. Предварительное химическое умягчение позволяет значительно уменьшить нагрузку на RO. После него при необходимости устанавливаются механические фильтры, ультрафильтрация или другие ступени подготовки.
Главный недостаток — образование осадка
Если ионообменное умягчение образует солевой регенерационный сток, то известково-содовый процесс образует большое количество твёрдого осадка. Он состоит преимущественно из CaCO3, Mg(OH)2 и примесей, удалённых из исходной воды. Этот осадок необходимо сгущать, обезвоживать и утилизировать.
Поэтому при сравнении технологий нельзя смотреть только на стоимость извести и соды. Необходимо учитывать осветлители, фильтры, насосы, оборудование обработки осадка и расходы на его удаление. Образование значительного количества шлама является одним из известных недостатков известкового умягчения.
Когда лучше выбрать другую технологию?
Для небольшого предприятия с расходом, например, 2–5 м3/ч применение большого реактора-осветлителя чаще всего будет неоправданным. При умеренной жёсткости значительно проще установить ионообменный умягчитель. Если же требуется одновременно удалять практически все растворённые соли, целесообразно рассматривать обратный осмос.
Известково-содовый процесс становится особенно интересным тогда, когда совпадают три условия: высокая жёсткость, большой расход воды и возможность организовать обработку образующегося осадка. Поэтому выбор технологии необходимо делать на основании полного анализа воды и технико-экономического сравнения, а не только по значению общей жёсткости.