КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ
COMPOSITION FOR REDUCING WATER HARDNESS

Область техники
Настоящее изобретение относится к композиции для снижения жесткости воды, которая позволяет снизить жесткость сырой воды, непригодной для питья из-за ее высокой жесткости, а именно к композиции для снижения жесткости воды, которая может использоваться в домашнем водоочистителе относительно небольшой производительности.
Предшествующий уровень техники
В области очистки воды вода подразделяется на воду высокого качества, воду среднего качества и воду низкого качества. Вода высокого качества представляет собой воду, пригодную для питья и стирки, вода среднего качества является однажды использованной и очищенной после этого для повторного использования, а вода низкого качества является водой, загрязненной после использования.
Настоящее изобретение направлено на создание композиции для снижения жесткости воды, которая позволила бы использовать сырую воду с высокой жесткостью в качестве питьевой воды, имеющей подходящую жесткость.
Для снижения жесткости сырой воды используются различные способы, например физическая, химическая и биологическая очистка, при этом главным образом используют очищающий агент, чтобы способствовать такой обработке.
Водоочистное сооружение оснащается широким рядом средств для снижения жесткости сырой воды. Такое водоочистное сооружение обычно включает флокуляционный пруд для флокуляции микроэмульсии веществ, пруд-отстойник для отстаивания флоккулированного вещества и фильтрационный пруд для отделения отстоявшихся веществ. Водоочистное сооружение оборудовано достаточным количеством различных средств, обеспечивающих получение достаточного количества воды высокого качества 24 часа в сутки.
В Республике Корея используется ряд агентов для обработки воды. Среди них можно выделить семь разновидностей флокулянтов типа полихлорида алюминия, сульфата алюминия и т.п., пять разновидностей стерилизующих и дезинфицирующих агентов типа жидкого хлора и т.п., семь разновидностей других агентов, например активированный уголь, цеолит, иллит и т.п., и одну разновидность ингибитора коррозии. Таким образом, в основном можно выделить двадцать видов агентов. Здесь флокулянты служат для флокуляции взвешенных в воде микрочастиц с образованием хлопьевидных частиц большего размера, которые затем отстаивают и отделяют. Иллит имеет высокую абсорбционную способность и используется в основном в качестве агента для удаления неотстоявшихся веществ.
Сырая водопроводная вода, в качестве которой используется природная вода, содержит большое количество минеральных компонентов типа Mg, Ca, Fe и др. Вода, содержащая большое количество солей кальция и магния, называется жесткой водой, а вода, содержащая незначительное количество этих солей, называется мягкой водой. Ионы магния и кальция образуются в воде из сульфатов, гидрокарбонатов и гидрохлоридов.
Когда вода содержит гидрокарбонат, то для смягчения ее можно прокипятить и отстоять, такую воду называют водой с временной жесткостью. В случае сульфата, который не отстаивается даже после кипячения, воду называют водой с постоянной жесткостью. Вода с постоянной жесткостью может быть смягчена с помощью обработки ионообменными смолами.
3
Единица, полученная приведением количества в мг содержания Mg и Ca в 1 л воды к количеству СаСО, называется жесткостью, при этом вода с жесткостью выше 200 называется жесткой водой, а с жесткостью ниже 100 - мягкой водой.
Когда жесткость воды является высокой, она имеет горьковатый привкус, и пить ее не так уж легко. Известно, что легкость потребления питьевой воды зависит от ее жесткости, поэтому жесткость является одним из ключевых факторов при оценке качества питьевой воды.
В различных странах действуют различные стандарты по допустимой жесткости питьевой воды. По стандарту, рекомендованному Всемирной организацией здравоохранения, жесткость должна быть менее 500, а по стандарту Республики Корея - менее 300.
2
Министерство здравоохранения и социального обеспечения Японии советует: «попробуй воду, поймешь клуб», оценивая при этом качество питьевой воды по девяти показателям, включая жесткость 10-100 мг/л, содержание кислорода 3-30 мг/л и наличие SiO.
Жестокость воды пропорциональна содержанию в воде положительных ионов кальция и магния, которые являются двухвалентными катионами, а кремниевая кислота придает воде вкус. Как известно, компонентами, ухудшающими вкус воды, являются ионы серной кислоты, ионы соляной кислоты и ионы магния.
4
4
2
2
3
3
Ионы кальция и магния в сырой воде в основном образуются из CaSO и MgSO, CaCl и MgCl и СаНСО или MgHCO.
Жесткость сырой воды зависит от ее источника. Жесткость сырой воды в основном находится в пределах 80-500. Подходящее значение жесткости питьевой воды составляет 60-100. В частности, сырая вода, полученная в известняковой местности, имеет жесткость 500.
В патентной заявке KR 10-0330255 раскрыта композиция неорганического флокулянта для обработки воды, полученная с помощью пластического формования и измельчения смеси ячменной муки, летучая зола угля, десульфурированного гипса и цеолита.
Вышеописанная композиция используется для флокуляции взвешенных микрочастиц. Поскольку эта композиция содержит компоненты, которые вредны для человека, такие как десульфурированный гипс и летучую золу угля, то ее использование в качестве агента для обработки питьевой воды не представляется приемлемым.
В патентной заявке KR 10-0484561 раскрыта композицию для обработки воды, содержащей тяжелые металлы, дезодорацией, которая получена формованием в форме гранул цеолита, лесса, иллита и диоксида титана. Вышеописанная композиция не подходит для обработки сырой воды с целью снижения ее жесткости.
Достаточно хорошо известен способ удаления кальция и магния из жесткой воды с помощью ее обработки ионообменными смолами. Когда жесткая вода проходит обработку ионообменными смолами, ионы Са и Mg замещаются ионами Na, при этом из сырой воды также удаляется большая часть тяжелых компонентов.
Когда все тяжелые компоненты удаляются из сырой воды, то вместе с ними удаляются и минеральные вещества, полезные для человека, в результате чего вода становится невкусной и похожей на дистиллированную, которая не подходит для использования в качестве питьевой воды. В этом случае необходимо добавлять минеральные вещества для использования этой воды в качестве питьевой.
Организму человека необходимы различные минеральные вещества. Когда таких минеральных веществ не хватает, даже небольшого количества, то могут развиваться различные заболевания. Небольшое количество необходимых минералов содержится в еде и питьевой воде, и они поступают в тело человека при их потреблении.
Кальций и магний являются одними из необходимых минералов. Кальций полезен для костей и зубов, а также участвует в процессе свертывания крови. При недостатке кальция возможно развитие остеопороза и плохое свертывание крови. Магний служит для образования аденозинтрифосфата, который необходим для процесса обмена веществ в организме человека. Когда жесткость сырой воды является очень высокой, она имеет горький привкус и плохо подходит для использования в качестве питьевой воды. Когда жесткость сырой воды слишком мала, вода не имеет вкуса, а также человек не получает полезные минеральные вещества, т.е. в этом случае необходимо обеспечить необходимую для этих целей жесткость питьевой воды. Когда нужно из природной воды получить мягкую воду для использования в качестве питьевой, то необходимо обеспечить желательную жесткость питьевой воды по содержанию Са и Mg, при которой жесткость не превышала бы 100. Таким образом, в области обработки воды желательно обеспечить подходящую технологию обработки воды, которая бы обеспечивала питьевую воду, соответствующую вышеуказанным требованиям.
Раскрытие изобретения
В связи с изложенным выше целью настоящего изобретения является обеспечение такой композиции для снижения жесткости воды, непригодной для питья из-за высокой жесткости, которая позволит использовать такую воду в качестве питьевой.
2
2
Изобретатель настоящего изобретения обнаружил, что растворимый кварц легко вступает в реакцию с ионами кальция и магния, которые придают жесткость сырой воде, с образованием 3СаО, SiO и 2MgOSiO, при этом компоненты, придающие жесткость воде, могут быть легко удалены за счет использования растворимого кварца, что и привело к появлению настоящего изобретения.
Преимущества
Композиция для снижения жесткости воды по настоящему изобретению служит для снижения жесткости сырой воды, качество которой благодаря этому может быть повышено до высокого уровня питьевой воды, с обработкой на небольших технических устройствах в районах, где невозможно разместить технические сооружения большого размера.
Варианты осуществления изобретения
Жесткость сырой воды, используемой для получения воды высокого качества, зависит от местности, но в основном находится в пределах 80-180. Необходимо снизить жесткость воды до 60-100 для использования ее в качестве питьевой воды. Настоящее изобретение раскрывает композицию для снижения жесткости воды, с помощью которой возможно снизить жесткость сырой воды за счет использования растворимой кварцевой пудры. Примеры осуществления настоящего изобретения будут описаны далее более подробно.
Пример 1
Эксперимент по снижению жесткости воды проводился с использованием воды высокого качества, взятой из очистного бассейна, расположенного в Республике Корея (Eosangchun-myun, Danyang-gun, Chungbuk). Состав сырой воды высокого качества был следующим:
жесткость - 163,9;
содержание кальция - 49,5 ppm;
содержание магния - 9,8 ppm;
4
-2
содержание SO  - не обнаружено.
Жесткость была определена как:
жесткость = 49,5 (концентрация кальция) × 2,5 + 9,8 (концентрация магния) × 4,1.
10 л сырой воды высокого качества заливали в стеклянную емкость для питьевой воды объемом 18 л, затем туда помещали хлопковый пакетик с 20 г растворимой кварцевой пудры и оставляли на два часа, после чего измерили жесткость воды. Результаты измерений приведены в таблице 1. Когда хлопковый пакетик пролежал 10 минут в воде, на дне емкости начал образовываться осадок микрочастиц. Когда осадок отфильтровали и удалили, получили питьевую воду. Воду высокого качества также подвергали термообработке кипячением при 100°C с последующим охлаждением, при этом изменение жесткости было сравнительно небольшим. После проведения анализа было подтверждено, что осадком микрочастиц белого цвета являлась смесь силиката кальция и силиката магния.
Растворимый кварц, используемый в настоящем изобретении, получали с месторождения кварца и далее измельчали его до состояния пудры с размером частиц 300-400 меш, а иллит получали с месторождения иллита, после чего из него удаляли воду и измельчали до размера частиц 100-200 меш.
2
2
2
Следует отметить, что SiO, полученный из природных залежей в различных формах в зависимости от структуры кристаллической решетки, практически не растворяется в воде. Однако кварц в форме 3SiO·HO хотя и имеет низкую растворимость, но все же растворяется в воде в небольшом количестве. Такой растворимый кварц, использующийся в настоящем изобретении, получен на месторождении кварца, расположенном в Республике Корея (Hyengsung-gun, Gangwon-do). Этот растворимый кварц является обычным кремниевым минералом. Растворимость этого растворимого кварца в воде составляет 0,15 г/л (при 20°С).
Таблица 1
Показатель
Обработка кварцем
Термообработка
Жесткость воды высокого качества
163,9
145
Жесткость после обработки
79,75
105
Снижение жесткости
84,15
40
Степень снижения жесткости (%)
51,39
27,6
Очевидно, что снижение концентрации ионов кальция и магния, придающих жесткость сырой воде, происходит с помощью реакций с раствором кремниевой кислоты в соответствии со следующими формулами:
2
2
2
4
-4
+
3SiO·HO+HO→SiO +H;
2+
-4
2
2
2
Ca+SiO +HO→3CaO·SiO (силикат кальция);
+2
-4
2
2
2
Mg+SiO +HO→2MgOSiO (силикат магния).
За счет того что силикат кальция и силикат магния не растворяются в воде, их можно легко извлечь после выпадения их в осадок.
Пример 2
Эксперименты по снижению жесткости проводились с использованием воды высокого качества, взятой из очистного бассейна, расположенного в Республике Корея (Bukmyeon, Youngyeol-gun, Gangwon-do). Состав сырой воды был следующим:
жесткость - 187,13;
содержание кальция - 55,5 ppm;
содержание магния: 11,8 ppm;
4
-2
содержание ионов серной кислоты (SO ) - 152 ppm.
Приготовили хлопковый пакетик с 41 г композиции для снижения жесткости, в составе которой содержалось 20 г кварцевой пудры, 1,0 г карбоната натрия и 20 г иллита. Т.о. в композиции содержалось 48,8% мас. кварцевой пудры, 2,4% мас. карбоната натрия и 48,8% мас. иллита. 10 литров сырой воды высокого качества заливали в стеклянную емкость для питьевой воды объемом 18 л, затем туда на 2 часа помещали хлопковый пакетик, после чего измеряли изменение жесткости. Результаты измерений представлены в таблице 2. Воду высокого качества также подвергали термообработке кипячением при 100°C с последующим охлаждением. В результате изменение жесткости воды было сравнительно небольшим.
3
4
2
3
4
3
Когда в воде имеются ионы кальция соединения СаНСО, т.е. в случае воды с временной жесткостью, то они вступают в реакцию с растворимым кварцем и силикат кальция выпадает в осадок. Когда в воде имеются ионы кальция соединения CaSO, т.е. в случае воды с временной жесткостью, то их реакция с растворимым кварцем протекает очень плохо. В этом случае в воду добавляют NaCO для замены CaSO на СаНСО, а затем уже происходит реакция с растворимым кварцем.
Иллит обычно используют в качестве агента для очистки воды. Иллит имеет высокую абсорбционную способность, за счет чего абсорбирует и удаляет взвешенные микрочастицы и микроорганизмы, находящиеся в воде.
Поскольку воду высокого качества получают из природной сырой воды, то необходимо удалить содержащиеся в ней микрочастицы и микроорганизмы.
Таблица 2
Показатель
Обработка композицией для снижения жесткости
Термообработка
Жесткость воды высокого качества
187,13
187,13
Жесткость после обработки
93,04
136
Снижение жесткости
94,09
51,13
Степень снижения жесткости (%)
50,3
27,33
Содержание Са после обработки составляло 23,5 ppm, а содержание Mg составляло 4,42 ppm.
Пример 3
Приготовили хлопковый пакетик с композицией для снижения жесткости, в состав которой входило 22 г растворимого кварца, 1,2 г карбоната натрия и 20 г иллита. Т.о. в композиции содержалось 51% мас. растворимого кварца, 2,8% мас. карбоната натрия и 46,2% мас. иллита. 10 литров сырой воды высокого качества заливали в стеклянную емкость для питьевой воды объемом 18 л, затем туда на 2 часа помещали хлопковый пакетик, после чего измеряли изменение жесткости. Результаты измерений представлены в таблице 3. Воду высокого качества также подвергали термообработке кипячением при 100°C с последующим охлаждением. В результате изменение жесткости воды было сравнительно небольшим.
Таблица 3
Показатель
Обработка композицией для снижения жесткости
Термообработка
Жесткость воды высокого качества
120
120
Жесткость после обработки
57
103
Снижение жесткости
63
17
Степень снижения жесткости (%)
52,5
14,2
4
-4
Сырая вода с жесткостью 120-200 обычно характеризуется содержанием кальция 30-60 ppm, ионов магния 10-15 ppm, а растворимость кварца в воде обычно составляет менее 0,15 г/л, таким образом возможно снизить жесткость воды до уровня 60-100 с помощью ионов кремниевой кислоты (SO ) при их содержании в воде 30-120 ppm.
4
-4
Т.о. необходимо обеспечить содержание SO  на уровне 30-120 ppm для надлежащего снижения концентрации ионов кальция и магния.
В композиции для снижения жесткости воды по настоящему изобретению, включающей растворимую кварцевую пудру, карбонат натрия и иллит, количество кварцевой пудры и карбоната натрия подбирают в зависимости от жесткости сырой воды и содержания сульфатов. Предпочтительно, когда массовые доли кварцевой пудры и иллита равны друг другу.
Обычно на каждые 10 литров воды необходимо 18-22 г кварцевой пудры, 1,0-1,2 г карбоната натрия и 18-22 г иллита, чтобы снизить жесткость сырой воды, имеющей жесткость 120-200 и концентрацию ионов серной кислоты 100-200 ppm, до значения 60-100. В такой композиции содержится 44-54% мас. растворимой кварцевой пудры, 2,0-3,0% мас. карбоната натрия и 44-54% мас. иллита.