Умягчение воды

Умягчение — это процесс, в результате которого из воды уда­ляются соли жесткости.

В настоящее время для этого еще применяется известково-содовый способ. Сущность его заключается в последователь­ной обработке воды гидроксидом кальция [Са(ОН)₂ — гашеная известь] и карбонатом натрия [Na₂CO₃ — кальцинированная сода], которые, вступая в реакцию с растворимыми солями жесткости, переводят их в нерастворимые соли, выпадающие в осадок.

Соли карбонатной жесткости осаждаются гидроксидом каль­ция, а соли некарбонатной жесткости — карбонатом натрия. Спо­соб этот сложный, требует больших производственных площадей и значительного расхода реагентов, поэтому в настоящее время он применяется лишь в том случае, если наряду с жесткостью воды необходимо значительно снизить ее щелочность и уменьшить ко­личество сухого остатка.

Более прогрессивным способом умягчения воды является ионо­обменный, в основе которого лежат реакции ионного обмена меж­ду солями, содержащимися в воде, и ионитами.

Иониты — это нерастворимые в воде вещества органического или неорганического происхождения, предварительно насыщаемые ионами, способными к обмену. В зависимости от иона, вступаю­щего в обменные реакции, иониты подразделяют на катеониты и аниониты. В катионитах обменивающимся ионом является катион, в анионитах — анион.

Наибольшее распространение в ликерно-водочном производст­ве получил Na-κ а т и о н и то в ы и способ умягчения воды. Он основан на способности некоторых практически нерастворимых в воде катионитов обменивать катион Na+ своих активных групп на катионы Са²+ и Mg²⁺, содержащиеся в воде.

Катиониты разделяют на природные и синтетические. Природ­ные катеониты, например сульфоуголь, по внешнему виду пред­ставляет собой черные гранулы размером 0,3—2 мм, набухающие в воде. Синтетические катеониты, например, катеонит марки КУ-2, представляет собой сферические зерна размером 0,32—1,25 мм с желтой или коричневой окраской.

Способность катионитов к ионному обмену обусловлена нали­чием ионов водорода в их активных группах (SO₃H~ и СООН~), которые могут свободно замещаться другими катионами.

Качество катионитов определяется их ионообменной способно­стью, химической и термической стойкостью, механической проч­ностью, степенью набухания, постоянством гранулометрического состава (постоянным размером частичек катионита), отсутствием растворимых примесей. Для использования синтетических катио­нитов, которые могут выделять токсические вещества, необходимо разрешение Министерства здравоохранения СССР.

Умягчающие свойства катионита характеризует его обменная емкость, которая выражается числом грамм-эквивалентов катио­нов, поглощенных 1 м³ набухшего катионита. Различают полную и рабочую обменную емкость. Полная емкость соответствует максимально возможному насыщению катионита солями жесткости, рабочая — практически целесообразному насыщению, после кото­рого степень умягчения воды резко падает. При характеристике катионитов указывают лишь рабочую обменную емкость, равную 75—85 % от их полной емкости.

Умягчение жесткой воды осуществляется в процессе ее фильт­рации через слой катионита (сульфоугля), содержащего катион натрия, способный на обмен с другими катионами. При прохожде­нии воды через сульфоуголь происходит обмен катионов кальция и магния воды на катионы натрия. В результате этого в профиль­трованной через ионообменную колонну воде в основном содер­жатся натриевые соли, обладающие большой растворимостью и не образующие в готовой продукции осадков (при определенной щелочности среды).

Исходная сырая вода, которую подвергают умягчению таким способом, должна отвечать следующим дополнительным требо­ваниям: жесткость не должна превышать 7 мг-экв/л (19,6°Н), щелочность не должна быть выше 6 мл 0,1 н. раствора на 100 мл 48 воды, что соответствует 5,3 мг-экв/л (15°Н) временной жестко­сти.

При фильтрации воды через фильтр с сульфоуглем происходит обмен катионов кальция и магния на катион натрия. Схематиче­ски реакцию умягчения воды можно представить следующими уравнениями:

К днищу приварены опоры, резервуары на опорах устанавли­вают на фундамент. В верхней части корпуса находится люк для

загрузки кварцевого песка и катионита, а внизу —люк для их разгрузки. В нижней части фильтра расположено также дренажное устрой­ство, предназначенное для равномерного распределения воды при ее умягчении-л при промывке катионита. Дренажное устройство со­стоит из горизонтальной заглушенной на конце ос­новной трубы и отходящих от нее заглушенных патруб­ков, к которым приварены на одинаковом расстоянии небольшие вертикальные па­трубки с навинченными на них шестигранными колпач­ками. Поверх дренажного устройства засыпаны три слоя кварцевого песка высотой 400 мм, служащие дляпредотвращения уноса катионита в дренаж. На кварцевый песок насыпают катионит слоем 1,5—2 м. Над поверхностью катионита оставляют свободное прост­ранство высотой не менее половины слоя катионита (водяная подушка) для компенсирования увеличе­ния объема катионита при взрыхлении и равномерного распределения умягченной воды по всему сечению фильтра. ι

В центре фильтра под" крышкой укреплена кониче­ская распределительная во­ронка, через перфорирован­ные стенки которой в про­цессе умягчения поступает жесткая вода, а при регене­рации — раствор поваренной соли. По этой же воронке

во время взрыхления катионита отводится промывная вода, при заполнении фильтра воздух удаляется через воздушную трубку, появление в этой трубке воды свидетельствует о заполнении фильтра.

На корпусе укреплена также трубка для спуска водяной по­душки и контроля за уровнем раствора поваренной соли при ре­генерации (сигнальная трубка), а также трубки для отбора проб жесткой и умягченной воды. Концы этих трубок выведены к слив­ной воронке, соединенной с канализацией. Два манометра служат для наблюдения за давлением в трубопроводах жесткой и умяг­ченной воды.

Сульфоуголь. целесообразно загружать в фильтр, частично за­полненный водой. Загруженную новую порцию сульфоугля про­мывают чистой водой снизу вверх с небольшой скоростью для удаления мелких частиц и посторонних мелких примесей. В воде сульфоуголь набухает и уплотняется. Промывку ведут до получе­ния прозрачной промывной воды, а затем его насыщают катиона­ми натрия.

Солерастворитель (рис. 8) представляет собой закрытый ци­линдрический резервуар (корпус) с приваренным к нему сфери­ческим днищем и съемной крышкой. Предназначен для приготов­ления раствора поваренной соли и подачи ее на катионитовый фильтр (для восстановления обменной способности катионита). Один солерастворитель может одновременно обслужить несколько катионитовых фильтров.

Соль загружают через воронку 2 с поднимающимся цилиндри­ческим стаканом 3, вставленным в открытую задвижку. Воздух удаляется через воздушную трубку. В нижней части аппарата расположено дренажное устройство в виде коробки со щелями у основания. На дренаж насыпают в три слоя кварцевый песок с различными размерами зерен: в нижнем слое 5—7 мм, в среднем 2—3 мм и в верхнем 1,5—2,0 мм. Общая высота слоя 300—400 мм. Соль насыпают поверх слоя кварцевого песка и разравнивают через имеющийся сбоку аппарата люк. После загрузки соли и за­крытия задвижки в солерастворитель подают воду температурой 50—60°С. Раствор соли фильтруется через слой кварцевого песка, собирается в дренажном устройстве и насосом перекачивается в сборник солевого раствора.

Большое сопротивление солерастворителя свидетельствует о засорении слоя песка примесями. Для удаления этих примесей кварцевый песок промывают в восходящем потоке воды.

Солерастворитель необходимо промывать после каждой регене­рации катионитового фильтра. Длительность промывки 10 мин. По окончании промывки воду спускают и солерастворитель за­гружают определенной порцией поваренной соли.

Полный цикл работы установки складывается из следующих основных операций; умягчение воды, промывка и взрыхление ка­тионита, регенерация катионита раствором поваренной соли и от­мывка солей жесткости и избытка поваренной соли.

Схема катионитового умягчения воды приведена на рис. 9.

Вода поступает в катионитовый фильтр из напорного бака или непосредственно из водопроводной сети по трубам / и 8 при от­крытом кране 7, проходит слой катионита сверху вниз и отводится по трубе из нижней части фильтра через кран 17 в сборник умяг­ченной воды. Линейная скорость фильтрации воды составляет 3— 20 м/ч. Катионит насыщается ионами кальция и магния не равномерно по всей толще, а послой­но, поэтому длительное время жесткость вытекающей из фильт­ра воды остается постоянной, равной 0,03—0,05 мг-экв/л. Ког­да через фильтр пройдет опреде­ленное количество воды, жест­кость выходящей из фильтра воды будет быстро нарастать. Поэтому в начале работы, после регенерации, жесткость воды кон­тролируется через 2 ч, а в кон­це — каждый час.

При средней жесткости умяг­ченной воды в сборнике 0,1— 0,14 мг-экв/л фильтр переклю­чают на регенерацию.

Перед регенерацией слой ка­тионита в фильтре взрыхляют об­ратным током воды. Взрыхление производится для устранения слеживания катионита и удале­ния из него мелких частиц, вно­симых с водой и поваренной

_L

солью, а также образующихся в результате истирания катионита в процессе работы. Для взрыхле­ния применяют оборотную солевую воду из напорного бака, ото­бранную после промывки катионита от излишков соли при преды­дущей регенерации, или сырую воду.

Солевой раствор из напорного бака по трубопроводу 20 (см. рис. 9) при открытом кране 16 поступает в дренажную систему фильтра, поднимается через слой катионита и по трубопроводу 9 сбрасывается в канализацию. Расход воды на разрыхление кон­тролируется по водомеру, установленному на линии, подающей воду на фильтр, или по водомерному стеклу промывочного бака. Взрыхляют только слой катионита, подстилку из кварцевого песка оставляют в покое. Взрыхление продолжается 15—20 мин и конт­ролируется визуально по осветленности сливных вод в периодиче­ски отбираемых пробах. Наличие в отбираемых пробах мути, мел­ких зернышек катионита, даже в небольшом количестве, но весь­ма медленно оседающих на дно колбы, допустимо и даже жела­тельно, так как это свидетельствует о вымывании из фильтра по-52

сторонних включений. При появлении в пробе воды быстрооседающих зерен катионита интенсивность взрыхления должна быть немедленно снижена и через 2 мин вновь повышена до появления мелких частиц в сливной воде.

Не следует допускать полного опорожнения напорного бака во избежание засасывания в фильтр воздуха. После прекращения· подачи промывной воды открывают кран 15 на воздушной труб­ке 13, кран 14 на трубопроводе 12 и по нему через сливную ворон­ку и трубопроводу 10 часть промывной воды спускают в канали­зацию.

Для регенерации катионита из фильтра спускают воду так, чтобы уровень ее оставался на 10 см выше слоя катионита. Уро­вень воды контролируют при помощи сигнальной трубки, спуск воды прекращают, когда из этой трубки перестает вытекать вода.

В солерастворитель, загруженный соответствующим количест­вом поваренной соли, пускают воду по трубопроводу / через кран 2 (см. рис. 9) с таким расчетом, чтобы концентрация соле­вого раствора составляла в среднем 10%, например на загрузку 100 кг соли вводят 1000 л воды. Растворение соли в зависимости от.ее качества и крупности помола продолжается 10—12 мин и проверяется по вкусу раствора, вытекающего из солерастворителя. Раствор соли подают в фильтр через кран 6 по трубопроводу Р. Для удаления воздуха кран 15 держат открытым. Когда из этого крана начнет вытекать жидкость, его закрывают и открывают кран 18 для стока жидкости из дренажной системы в канализа­цию. Скорость движения раствора соли в фильтре должна состав­лять 3—4 м/ч, что контролируется по водомеру, установленному на линии сырой воды перед солерастворителем.

Отмывку катионита после регенерации производят для удаления солей жесткости и остатка поваренной соли. Катионит промывают сырой водой, которую подают из напорного бака по трубопроводам 1 и 8. Первые фракции промывной воды сбрасывают в канализа­цию. Когда проба промывной воды с 5%-ным раствором Na₂C0₃ не даст помутнения (образуются труднорастворимые углекислые соли Са и Mg), воду направляют в бак оборотной промывной воды. Скорость движения воды на этой стадии промывки 6—8 м/ч. От­мывку катионита прекращают, когда промывная вода становится прозрачной и когда ее общая жесткость находится в пределах 0,05—0,07 мг-экв/л (0,15—0,20°Н), а концентрация хлоридов пре­вышает их содержание в исходной воде не более чем на 50 мг/л. Общая продолжительность отмывки 1—1,5 ч.

Одновременно с промывкой катионита промывают от загрязне­ний слой кварцевого песка в солерастворителе. Для этого через кран 3 подают воду снизу вверх и через кран 5 сбрасывают в ка­нализацию.

При вводе в действие катионитового фильтра, загруженного свежей партией сульфоугля, его необходимо предварительно про­мыть водой от содержащейся в нем (1—2%) свободной серной

кислоты. Промывку ведут до получения прозрачной промывной воды (обычно в течение 3 сут).

Свежий кварцевый песок обрабатывают раствором соляной кислоты и тщательно промывают.

Поваренную соль для регенерации отработавшего катионита обычно поставляют на ликерно-водочные заводы автомашинами в количестве примерно 5—6-дневного потребления в производстве. Хранить соль целесообразно в виде концентрированного 15— 20%-ного водного раствора. Это обеспечивает надлежащие сани­тарно-гигиенические условия хранения соли и исключает трудоем­кие операции, связанные с ежедневной доставкой небольших пар­тий соли со склада завода на водоочистительную станцию.

На Московском ликерно-водочном заводе для приготовления и хранения концентрированного раствора поваренной соли вблизи помещения водоочистительной станции сооружен специальный бассейн, представляющий собой резервуар прямоугольного сече­ния, стены и дно которого выстланы метлахскими плитками. Дно бассейна имеет уклон со стоком в канализацию. Высота загрузоч­ного люка обеспечивает загрузку в него соли непосредственно из самосвала. Бассейн снабжен коммуникациями для подачи воды, пара, воздуха и перекачки солевого раствора в приемный бак, установленный в помещении водоочистительной станции. Труба, всасывающая солевой раствор, должна быть оборудована метал­лической сеткой. Подача воды в солерастворитель автоматически регулируется посредством поплавка. В приемном баке концентри­рованный раствор поваренной соли разбавляют неумягченной во­дой до концентрации 8—10%. Бассейн для солевого раствора за­крыт крышкой, открываемой с помощью подъемного блока.

По окончании регенерации катионит отмывают от избытка и остатков солей неумягченной водой. Первые порции промывной воды, богатые солью, возвращают в специально предназначенный для этого сборник, а воду, в которой содержатся следы соли, спус­кают в канализацию.

Промывку катионита прекращают, когда промывная вода ста­новится прозрачной, общая жесткость ее снижается до 0,05 мг-экв/л, а концентрация хлоридов в ней превышает их со­держание в исходной воде не более чем на 50 мг/л. Интенсивность промывки должна обеспечить вынос загрязнений, но непесчаной загрузки. Это контролируется наблюдением за пробами промыв­ной воды, направляемой в канализацию.

Поскольку при каждой регенерации часть зерен катионита уно­сится с промывными водами, фильтр периодически догружают свежим катионитом.

Одновременно с промывкой катионита промывают от загряз­нений дренажный слой кварцевого песка в солерастворителе не­умягченной водой, подаваемой снизу вверх и удаляемой в кана­лизацию.

Преимущество катионитового способа умягчения воды по срав­нению с содово-известковым заключается в том, что обеспечивается умягчение воды обычно до 0,03—0,05 мг-экв/л, причем обмен­ная реакция замещения катионов протекает при нормальной тем­пературе. Катионитовая установка проста по устройству, компакт­на и удобна в обслуживании.

Недостатками Na-катионитового способа является повышение щелочности умягченной воды по сравнению с исходной и увеличе­ние количества плотного остатка.

Повышение щелочности воды требует поддержания постоянного контроля за этим показателем. Щелочность умягченной воды не должна превышать 6 мл 0,1 н. раствора НС1 на 100 мл, что соот­ветствует 5,249 мг-экв/л временной жесткости. Поэтому при ис­пользовании воды с временной жесткостью более 5,249 мг-экв/л, ее следует умягчать комбинированным методом: известкованием и последующим катионированием. Для этого воду предварительно обрабатывают гашеной известью для удаления солей временной жесткости, а затем направляют на катионитовый фильтр.

Вместо комбинированного метода можно применять также метод Na-H-катиониров а ни я. При этом соли карбонатной жесткости разрушаются с образованием кислот, которые снижают щелочность воды.

Комбинированный способ применяется на тех заводах, где вода характеризуется высокими жесткостью и щелочностью.

В настоящее время разработаны способы для получения воды с заданным солевым составом. Для этого водопроводную воду не­обходимо полностью деминерализовать, а затем добавить в нее минеральные соли в установленных наборе и количестве.

При полной деминерализации из воды почти полностью удаля­ются минеральные соли, что положительно влияет на стойкость водок при хранении, но при этом вода лишается специфических вкусовых свойств.

Во ВНИИПрБ разработан метод частичной деминерализации, при котором вода последовательно проходит Н-катионирование на сульфоугле, затем ОН-анионирование на ионообменной смоле. Жесткость частично деминерализованной воды должна быть не более 0,36 мг-экв/л.

Дата добавления: 2014-10-31