СПОСОБ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ
METHOD OF WATER SOFTENING

Предлагаемый способ относится к водоподготовке и может быть использован как в домашних, так и в производственных условиях для умягчения воды, содержащей большое количество солей жесткости, а также для осветления и очистки оборотных и сточных вод сельского хозяйства, пищевой и химической промышленности.
2
3
2
3
2
3
Известен способ умягчения воды [Патент РФ 2106316, опубл. 10.03.1998], путем введения при перемешивании соединений кальция, например гидроокиси кальция, с последующим введением при перемешивании соединения щелочного металла, отстаивания осадка, отделения от осадка осветленной воды. В качестве соединения щелочного металла используют смесь KСО и KОН, причем KСО используют в количестве, определяемом зависимостью 48-53 Жп, где Жп - постоянная жесткость исходной воды, а KОН используют в количестве не более 50 мг/л, при этом KОН вводят при перемешивании в умягчаемую воду не ранее чем через 30 мин после введения KСО. После отстаивания и отделения отстоявшейся воды от осадка умягченную воду нейтрализуют кислотой, например, фосфорной, до рН 8. С целью интенсификации способа умягчаемую воду предварительно нагревают до 35-50°С.
Недостатками данного способа являются многостадийность, повышающая длительность процесса умягчения воды, а также медленное снижение жесткости умягчаемой воды.
3
5
3
3
3
Наиболее близким к предлагаемому способу, является способ умягчения воды [Патент РФ №2462422, опубл. 27.09.2012], включающий подщелачивание воды водным раствором аммиака в количестве 0,072 мас.%, подогрев воды до 40°С, перемешивание в интервале от 1650 об/мин до 17000 об/мин в течение 45 с, отстаивание в течение 2-10 мин и фильтрацию через волокнистый фильтр из термопластов с диаметром волокон 2,8 мкм. Вследствие перемешивания в воде создаются условия для развития кавитационных процессов, при развитой кавитации в одном миллилитре кавитирующей жидкости содержится от 10 до 10 пузырьков воздуха. Происходит дегазация. В результате механического воздействия облегчаются реакции с молекулами среды и другими твердыми телами, вода становится нестабильной и выпадает осадок СаСО, MgCO, Fе(ОН).
Основными недостатками способа-прототипа являются низкий уровень дегазации растворенных газов, проходящей в условиях развития кавитационных процессов, высокие энергозатраты на механическое перемешивание и подогрев воды до 40ºС и необходимость в специальном волокнистом фильтре из термопластов с диаметром волокон 2,8 мкм. Кроме того, отстаивание раствора в течение 10 минут приводит к увеличению длительности процесса.
Задачей настоящего изобретения является создание способа умягчения воды, позволяющего повысить качество питьевой воды, ускорение процесса умягчения и снижение энергозатрат.
Технический результат заключается в увеличении эффективности процесса умягчения воды, в снижении энергозатрат и уменьшении концентрации вводимого подщелачивающего раствора.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе умягчения воды, включающем, как и прототип, подщелачивание водным раствором аммиака, механическую активацию и выделение из обработанной воды нерастворимого осадка, в отличие от прототипа, механическую активацию проводят путем пропускания потока воды через мембранную систему с отверстиями диаметром d не более 1 мм с соотношением проходного сечения до 10%, при перепаде давления от 0,05 до 0,5 МПа, затем подщелачивают водным раствором аммиака в количестве 0,003÷0,05 мас.%.
Целесообразно, чтобы длина канала отверстий L мембранной системы была выбрана из условия L≥10d, где d - диаметр одного отверстия, что соответствует установившемуся режиму движения газожидкостного потока при заданной температуре.
Целесообразно, выделение из обработанной воды нерастворимого осадка проводить в центрифугах отстойного типа с пульсирующей или шнековой выгрузкой осадка.
Для ускорения процесса умягчения воды нами предлагается проводить водоподготовку с помощью увеличения площади поверхности контакта фаз, осуществляемого путем получения микропузырьковых газожидкостных сред повышенного газосодержания, при прохождении водного потока через мембранную систему происходит переход гидростатического давления в динамический напор и осуществляется извлечение растворенных газов из воды. Способ умягчения воды от солей жесткости включает увеличение площади поверхности контакта фаз за счет выделения газовой фазы из исходного раствора в виде пузырьков газа от 5 до 50 мкм, подщелачивание воды до рН 8-10 водным раствором аммиака в количестве 0,003÷0,05 мас.%. Увеличение площади поверхности контакта фаз позволяет избежать процесса подогрева воды до 40°С, необходимого в известных способах.
3
3
3
Многие физические свойства воды могут обратимо изменяться в результате ее наполнения пузырьками воздуха. Вследствие прохождения водным потоком мембранной системы, в которой за счет перехода гидростатического давления в динамический напор (реализовывается переход потенциальной энергии в кинетическую) и осуществляется извлечение растворенных газов из воды, тем самым создаются условия для развития газожидкостной среды с большой площадью удельной поверхности контакта фаз. Происходит дегазация. Известно, что избыточная свободная углекислота, в отличие от равновесной, очень активна и называется агрессивной, являясь одной из главных причин коррозии трубопроводов. Часть ее, действуя на карбонат кальция, превращает его в гидрокарбонат, а другая переходит в равновесную угольную кислоту для удержания его в растворе. В результате увеличения площади поверхности контакта фаз облегчаются реакции с молекулами среды и другими твердыми телами, нарушается кристаллическая решетка, и вода становится нестабильной и в результате химической реакции выпадает осадок CaCO, MgCO, Fe(OH).
4
Способ умягчения воды заключается в следующем. Исходная вода при комнатной температуре подается в газожидкостной реактор, где проводят механическую активацию исходного водного раствора путем пропускания потока воды через систему отверстий диаметром d не более 1 мм с соотношением проходного сечения до 10%, при перепаде давления от 0,05 до 0,5 МПа. При пропускания потока воды через систему отверстий диаметром d 0,25-0,5 мм наблюдали забивание каналов растущими кристаллами осадка карбоната кальция, что согласуется с результатами анализа осадка, выделенного в процессе кристаллизации, проведенные на интерференционном микроскопе NewView 5022 (Zygo Inc. США), которые свидетельствуют о том, что размеры кристаллов, их эквивалентный диаметр, изменяется в интервале от 834 нм до 20 мкм, а размеры агрегатов достигают до 750 мкм, поэтому нами выбран диаметр отверстия, исключающий забивку отверстий с диаметром не более 1 мм. Указанное соотношение проходного сечения до 10% использовано потому, что при таком соотношении угол раскрытия струи газожидкостного потока не превышает 13%, что соответствует, согласно законам гидродинамики, оптимальному истечению газожидкостных систем и подтверждается практическими результатами. Далее, для очистки от солей жесткости, вода подщелачивается водным раствором аммиака NHOH, подаваемым дозатором, в количестве 0,003÷0,05 мас.% (см. таблицу). Необходимость уменьшения количества гидроксида аммония, добавляемого для интенсификации процесса кристаллизации, связано с санитарными нормами и правилами на питьевую воду. В результате проведенных расчетов равновесных и рабочих концентраций гидроксида аммония в растворе экспериментально установлены следующие значения концентраций гидроксида аммония, приведенные в таблице: где минимальному значению концентрации 0,002% соответствует степень умягчения 47%, а максимальное значение степени умягчения в 93% достигается, начиная с концентрации гидроксида аммония 0,03% и далее. При концентрации гидроксида аммония 0,05%, кривая степени умягчения выходит на «плато» и поэтому добавление избыточного количества гидроксида аммония нецелесообразно.
При таких условиях обработки осадок солей жесткости кристаллизуется при отстаивании в течение до 3 минут, образуя арагонитовую форму карбоната кальция. Хрупкий и рыхлый арагонитовый осадок легко разрушается и смывается потоком воды. Появление в воде арагонита приводит к разрушению уже образовавшейся накипи, благодаря тому, что эти кристаллы становятся центрами перекристаллизации. Далее образовавшийся осадок арагонита удаляется путем фугования в центрифуге отстойного типа с пульсирующей или шнековой выгрузкой осадка. Следуя заявляемому способу, удается достичь степени умягчения воды в количестве от 47 до 93% при комнатной температуре.
После отделения осадка, для снижения до рН 7-8, вода может фильтроваться через цеолит. Очищенная вода подается потребителю.
Предлагаемый способ очистки экономичен, повышает степень очистки воды от солей жесткости и может использоваться как самостоятельно для умягчения воды, так и в качестве одной из стадий водоподготовки.
Таблица
Массовая концентрация раствора аммиака, %
Степень умягчения, %
0,002
47
0,003
67
0,006
77
0,012
90
0,018
91
0,023
92
0,03
93
0,05
93
0,06
93