Zmiękczanie wody - Water softening
Zmiękczanie wody polega na usuwaniu wapnia , magnezu i niektórych innych kationów metali z twardej wody . Otrzymana miękka woda wymaga mniej mydła przy tym samym wysiłku czyszczenia, ponieważ mydło nie marnuje się na wiązanie z jonami wapnia. Miękka woda przedłuża również trwałość hydraulicznego poprzez zmniejszenie lub wyeliminowanie skalę gromadzeniu się przewodów rurowych i wyposażenia. Zmiękczanie wody jest zwykle osiągane przy użyciu zmiękczania wapnem lub żywic jonowymiennych, ale coraz częściej jest realizowane przy użyciu membran nanofiltracyjnych lub odwróconej osmozy .
Racjonalne uzasadnienie
Obecność w wodzie pewnych jonów metali , takich jak wapń i magnez, głównie w postaci wodorowęglanów , chlorków i siarczanów, powoduje wiele problemów.
Twarda woda prowadzi do gromadzenia się kamienia , który może zanieczyścić kanalizację i sprzyjać korozji galwanicznej . W zmiękczaczach wody na skalę przemysłową przepływ ścieków z procesu regeneracji może wytrącać kamień, który może zakłócać działanie systemów kanalizacyjnych.
Uczucie śliskości związane z praniem w miękkiej wodzie jest spowodowane słabszym przyciąganiem mydła do jonów wody, gdy woda została pozbawiona zawartości minerałów. Powierzchnia ludzkiej skóry ma lekki ładunek, z którym mydło ma tendencję do wiązania się, co wymaga większego wysiłku i większej ilości wody do usunięcia. Twarda woda zawiera jony wapnia lub magnezu, które w reakcji z mydłem tworzą nierozpuszczalne sole , pozostawiając na powierzchni wanny i prysznica powłokę z nierozpuszczalnych stearynianów , zwaną potocznie piany mydlaną .
Metody
Najczęstsze sposoby usuwania twardości wody polegają na żywicy jonowymiennej lub odwróconej osmozie . Inne podejścia obejmują metody wytrącania i sekwestrację przez dodanie środków chelatujących .
Metoda żywicy jonowymiennej
Konwencjonalne urządzenia do zmiękczania wody przeznaczone do użytku domowego opierają się na żywicy jonowymiennej, w której „jony twardości” — głównie Ca 2+ i Mg 2+ — są wymieniane na jony sodu . Jak opisano w normie 44 NSF/ANSI , urządzenia jonowymienne zmniejszają twardość, zastępując magnez i wapń (Mg 2+ i Ca 2+ ) jonami sodu lub potasu (Na + i K + )."
Żywice jonowymienne to polimery organiczne zawierające anionowe grupy funkcyjne, z którymi kationy dwuwartościowe (Ca2 + ) wiążą się silniej niż kationy jednowartościowe (Na + ). Materiały nieorganiczne zwane zeolitami również wykazują właściwości jonowymienne. Minerały te są szeroko stosowane w środkach piorących . Dostępne są również żywice do usuwania zaabsorbowanych jonów węglanowych, wodorowęglanowych i siarczanowych oraz jonów wodorotlenowych uwalnianych z żywicy.
Gdy wszystkie dostępne nA + jony zostały zastąpione jonami wapnia lub magnezu, żywica musi być ładowany przez eluując Ca 2+ i Mg 2+ jonów stosując roztwór chlorku sodu, lub wodorotlenek sodu , w zależności od rodzaju stosowanej żywicy. W przypadku żywic anionowych do regeneracji stosuje się zazwyczaj roztwór wodorotlenku sodu ( ługu ) lub wodorotlenku potasu. Ścieki eluowane z kolumny jonowymiennej zawierające niepożądane sole wapnia i magnezu są zazwyczaj odprowadzane do kanalizacji .
Ładowanie zazwyczaj obejmuje następujące kroki:
Płukanie wsteczne
Woda jest kierowana przez żywicę w przeciwnym kierunku niż normalny przepływ, a wypływ jest kierowany do kanalizacji w celu usunięcia. Ten 10-minutowy proces wypłukuje ciała stałe i rozszerza złoże żywicy.
Pobieranie solanki
Woda jest kierowana przez pompę strumieniową , która wyciąga słoną wodę ze zbiornika solanki , zanim woda i solanka przejdą przez złoże żywicy w normalnym kierunku, jeśli jest współprądowy , lub w odwrotnym kierunku, jeśli jest przeciwprądowy . Wynik tego typowego 30-minutowego procesu jest odrzucany przez wąż spustowy.
Wypłukać
Pobieranie solanki ustaje, ale woda nadal przepływa od wlotu do wylotu, stopniowo wypłukując solankę ze złoża żywicy. Woda do spłukiwania płynie powoli przez kilka minut, a następnie w szybszym tempie, nawet przez godzinę. W pewnym momencie zbiornik solanki zostaje ponownie napełniony świeżą wodą.
Zmiękczanie wapna
Zmiękczanie wapnem to proces, w którym wapno dodaje się do twardej wody, aby była bardziej miękka. Ma kilka zalet w porównaniu z metodą wymiany jonowej, ale nadaje się głównie do zastosowań komercyjnych w uzdatnianiu.
Środki chelatujące
Chelatory są używane w analizach chemicznych , jako zmiękczacze wody i są składnikami wielu produktów handlowych, takich jak szampony i konserwanty żywności . Kwas cytrynowy służy do zmiękczania wody w mydłach, produktach higieny osobistej i detergentach do prania . Powszechnie stosowanym syntetycznym chelatorem jest kwas etylenodiaminotetraoctowy (EDTA), który może występować jako sól tetrasodowa lub disodowa. Ze względu na obawy związane z toksycznością środowiskową i wodną w związku z powszechnym stosowaniem EDTA w produktach do użytku domowego i higieny osobistej, alternatywy, takie jak fitynian sodu/ kwas fitynowy , dioctan glutaminian tetrasodu i dibursztynian etylenodiaminy trisodu znajdują coraz częstsze zastosowanie.
Metoda sodowa
W tej metodzie wodę traktuje się obliczoną ilością sody myjącej (Na 2 CO 3 ), która przekształca chlorki i siarczany wapnia i magnezu w odpowiadające im węglany, które ulegają wytrąceniu.
CaCl 2 + Na 2 CO 3 --> CaCO 3 + 2NaCl
MgSO 4 + Na 2 CO 3 --> MgCO 3 + Na 2 SO 4
Woda destylacyjna i deszczowa
Ponieważ Ca 2+ i Mg 2+ występują jako sole nielotne, można je usunąć przez destylację wody. Destylacja jest w większości przypadków zbyt droga. Woda deszczowa jest miękka, ponieważ jest naturalnie destylowana podczas cyklu wodnego parowania, kondensacji i opadów.
Odwrócona osmoza
Odwrócona osmoza wykorzystuje gradient ciśnienia na półprzepuszczalnej membranie w celu pokonania ciśnienia osmotycznego i usunięcia cząsteczek wody z roztworu za pomocą jonów twardości. Membrana ma pory wystarczająco duże, aby przepuszczać cząsteczki wody; jony twardości, takie jak Ca 2+ i Mg 2+ , nie przejdą przez pory. Otrzymana miękka woda jest wolna od jonów powodujących twardość bez dodawania innych jonów. Membrany to rodzaj filtra do wody, który wymaga regularnego czyszczenia lub wymiany.
Destylacja i odwrócona osmoza to dwie najczęściej stosowane niechemiczne metody zmiękczania wody.
Urządzenia niechemiczne
Niektórzy producenci twierdzą, że produkowane przez nich urządzenia elektryczne mogą wpływać na interakcję minerałów z wodą, dzięki czemu minerały nie wiążą się z powierzchniami. Ponieważ systemy te nie działają na zasadzie wymiany jonów, tak jak robią to tradycyjne zmiękczacze wody, deklarowaną korzyścią dla użytkownika jest eliminacja konieczności dodawania soli do systemu. Takie systemy nie usuwają minerałów z samej wody. Przeciwnie, mogą one jedynie zmienić skutki, jakie w przeciwnym razie miałaby woda mineralna. Systemy te nie mieszczą się w pojęciu „zmiękczanie wody”, ale raczej „uzdatnianie wody”.
Podobne twierdzenia dotyczące magnetycznego uzdatniania wody nie są uznawane za zasadne. Na przykład nie stwierdzono zmniejszenia tworzenia się kamienia, gdy takie urządzenie magnetyczne zostało naukowo przetestowane.
Alternatywy dla jonowymiennych zmiękczaczy wody
Usuwanie lub zastępowanie minerałów w twardej wodzie nazywa się zmiękczaniem wody. Alternatywne uzdatnianie wody nazywa się uzdatnianiem wody, w którym minerały pozostają w wodzie, ale są zmieniane, aby nie tworzyły kamienia. Chociaż Stany Zjednoczone mają standardy pomiaru minerałów w wodzie, nie mają standardów pomiaru zdolności wody do tworzenia kamienia. Zamiast tego badacze używają niemieckiego protokołu DVGW-W512.
Woda deszczowa zawiera rozpuszczony dwutlenek węgla pobierany z atmosfery. Część rozpuszczonego dwutlenku węgla reaguje z wodą, tworząc kwas węglowy , który pozostaje w roztworze. Minerały zawierające wapń i magnez tworzą rozpuszczalne wodorowęglany pod wpływem kwasu węglowego. Woda zawierająca te minerały jest znana jako „woda twarda”.
Gdy twarda woda jest podgrzewana w systemie wodociągowym, dwutlenek węgla traci roztwór, a wodorowęglany stają się węglanami, które są znacznie mniej rozpuszczalne. Węglany wiążą się z powierzchniami kanalizacyjnymi, zapewniając kryształy zarodkowe do dalszego wzrostu kryształów, które gromadzą się w postaci twardej kamienia.
Urządzenia do fizycznego uzdatniania wody (PWT) powodują tworzenie się mikroskopijnych kryształów mineralnych, które pozostają zawieszone w wodzie, jednocześnie działając jako zarodki do dalszego wzrostu kryształów. Gdy woda jest podgrzewana, minerały będą krystalizować na tych nasionach, a nie w systemie wodno-kanalizacyjnym. Rozpuszczone minerały stają się nierozpuszczalnymi cząstkami stałymi w zawiesinie, przechodząc przez system bez wiązania się z powierzchniami kanalizacyjnymi.
WateReuse Stowarzyszenie sponsoruje badania nad alternatyw dla jonowymienne do zmiękczania wody. Prace zostały wykonane przez Arizona State University i HDR Engineering . Przetestowali cztery nowe technologie i wszystkie zaowocowały zmniejszeniem skalowania, co podsumowano w tabeli:
| Leczenie | Znormalizowane tworzenie się skali |
|---|---|
| Brak leczenia | 1,00 |
| Elektromagnetyczne uzdatnianie wody | 0,57 |
| Opady indukowane elektrycznie | 0,50 |
| Dejonizacja pojemnościowa | 0,17 |
| Wymiana jonów | 0,06 |
| Krystalizacja wspomagana szablonem | 0,04 |
Krystalizacja wspomagana szablonem
Zimna woda przepływa przez zbiornik zawierający maleńkie polimerowe kulki z powierzchniami odsłaniającymi kryształy zarodkowe dla rozpuszczonych minerałów. Kryształy rosną na tych nasionach i odrywają się, gdy są jeszcze mikroskopijne. Gdy te małe cząsteczki przechodzą przez podgrzewacz wody, dalszy wzrost kryształów następuje na cząsteczkach, a nie na podgrzewaczu wody. Proces ten nazywa się albo krystalizacją wspomaganą matrycą (TAC) albo krystalizacją wspomaganą zarodkami (NAC). Kulki polimerowe to polifosforany o wielkości od 0,5 do 2,0 μm.
Efekty zdrowotne
CDC zaleca ograniczenie całkowitego dziennego spożycia sodu do 2300 mg dziennie, chociaż przeciętny Amerykanin zużywa 3500 mg dziennie. Ponieważ ilość sodu obecnego w wodzie pitnej – nawet po zmiękczeniu – nie stanowi znaczącego procentu dziennego spożycia sodu, EPA uważa, że sód w wodzie pitnej prawdopodobnie nie spowoduje negatywnych skutków zdrowotnych.
Dla tych, którzy są na diecie niskosodowej, zastosowanie systemu odwróconej osmozy do wody pitnej i wody do gotowania usunie sód wraz z innymi zanieczyszczeniami, które mogą być obecne. Chlorek potasu może być również używany jako regenerator zamiast chlorku sodu, chociaż jest droższy. Jednak u osób z zaburzeniami czynności nerek podwyższony poziom potasu lub hiperkaliemia może prowadzić do powikłań, takich jak arytmia serca .
Wysoki poziom twardości wody w domu może być również związany z rozwojem egzemy we wczesnym okresie życia.
Wpływ środowiska
Woda zmiękczona (mierzona jako wskaźnik pozostałości węglanu sodu ), w której wapń i magnez zostały częściowo zastąpione sodem, nie nadaje się do nawadniania, ponieważ powoduje rozwój gleb alkalicznych . Urządzenia niechemiczne są często używane zamiast tradycyjnego zmiękczania wody do tego zastosowania.