Zmiękczanie- woda do celów przemysłowych a w szczególności do zasilania kotłów wysokoprężnych powinna być miękka tj. pozbawiona składników powodujących tworzenie się kamienia kotłowego. Zmiękczanie wody polega na usuwaniu z niej jonów powodujących twardość tj. kationów wapnia, magnezu oraz metali ciężkich żelaza, manganu, glinu i innych
Twardość: dzielimy na węglanową ( twardość stała) spowodowaną- CO32−, HCO3− i niewęglanową ( przemijającą) spowodowaną Cl−, SO42−, NO3−, SO32−, NO2−, SiO32−. Twardość ogólna jest sumą twardości węglanowej i niewęglanowej. Źródła twardości gips CaSO4, kalcyt CaCO3, dolonit Mg * Ca * CaCO3.
Jednostki twardości- mg/dm3, ppm, Val/m3, mval/dm3. Stopnie twardości : stopień niemiecki 2,8 n =$\frac{1mval\ CaO}{1\text{dm}^{3}H_{2}O} = 28\frac{\text{mg\ CaO}}{\text{dm}^{3}}$ , stopień francuski 5 f - $\frac{1mval\ CaCO_{3}}{1\text{dm}^{3}H_{2}O} = 50\frac{\text{mg\ CaO}}{\text{dm}^{3}}$ , stopień angielski 3,5 a = $\frac{1mvalCa\text{CO}_{3}}{1\ galon}$, stopień amerykański 2,91$am = \frac{1mvalCa\text{CO}_{3}}{1\ galon}$. Norma na Tog 50-600 ppm, norma na Mg 30-125 ppm .
| Mval/dm3 | Mg CaCO3/dm3 | Ocena twardości |
|---|---|---|
| 0-2 | 100 | Bardzo miękka |
| 2-4 | 100-200 | Miękka |
| 4-6 | 200-300 | Średniotwarda |
| 6-8 | 300-400 | Twarda |
| >8 | >400 | Bardzo twarda |
Metoda wapno –soda- zapewnia usunięcie CO2, dekarbonizacje oraz zmiękczenie wody( usunięcie twardości niewęglanowej).Wodorotlenek wapnia i wiąże dwutlenek węgla i powoduje wytrącenie węglanów Wapnia oraz wodorotlenku magnezu wg reakcji
usuwanie CO2
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 ↓ +H2O-
usuwanie twardosci weglanowej wapniowej Ca.
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 ↓ +2H2O−
Ca(HCO3)2 + Na2CO3-> CaCO3 ↓ +Na2HCO4-
Usuwanie Twardości niewęglanowej wapniowo- magnezowej
Ca(OH)2 + MgSO4 → CaSO4 + Mg(OH)2,
za dużo wapnia usuwanie twardości węglanowej magnezowej
Ca(OH)2+Mg(HCO3)2 → CaCO3 + Mg(HCO3)2 + CO2
Za dużo sody
NaHCO3 → Na2CO3 + H2O, Na2CO3 → NaOH + CO2, wodorotlenek powoduje pienienie w kotłach, a CO2 korozyjność
Skuteczność zmiękczanie zależy od dawki chemikaliów oraz tem wody.W razie małej ilości odczynników następuje niecałkowite zmiękczenie wody, za dużo wapnia powoduje wzrost twardości wody, a nadmiar sody pienie się wody i zanieczyszczenie pary. Przy prowadzenieniu procesu na zimno ok. 10 stopni twradośc wody wynosi 1,4-1,8 val/m3, a w tem 70 stopni 0,7 val/m3.proces na zimno trwa od 6 do 8 godzin, a na ciepło 2 godziny.
Metoda ługiem sodowym i sodą - ponieważ produktem reakcji NaOH z
CO2 i wodorowęglanami wapnia oraz magnezu jest soda, więc podczas zmiękczania wody o twardości węglanowej w przybliżeniu równej niewęglanowej można nie dodawać do wody węglanu sodowego lub znaczenie zmniejszyć jego dawkę. Metody tej nie należy stosować do zmiękczania wód o dużej twardości węglanowej i małej niewęglanowej gdyż w wodzie po zmiękczaniu pozostanie nadmiar Na2CO3,. Skuteczność i szybkość tej metody wzrasta wraz ze zwiększaniem temperatury wody.
NaOH spełnia taka sama funkcje jak wodorotlenek wapnia
Usuwanie CO2 : NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
Usuwanie Tw- Ca: NaOH + Ca(HCO3)2 → 2Na2CO3 + H2O
Usuwanie Tnw- Ca: Na2CO3 + MgSO4 → Na2SO4 + Mg(OH)2 + CO2 lub Na2CO3 + MgCl → NaCl + Mg(OH)2 + CO2
Reakcje niepożądane za dużo NaOH Tw-mg: 2NaOH + Mg(HCO3)2 → Na2CO3 + Mg(OH)2 + CO2
Za dużo sody: NaHCO3 → Na2CO3 + H2O, Na2CO3 + H2O → NaOH + CO2
Metoda zmiękczania fosforanami sodowymi- jest najskuteczniejszą metodą, która umożliwia usuniecie z wody zarówno twardości węglanowej jak i niewęglanowej. Twardość końcowa ( szczątkowa) wody zmiękczonej fosforanami wynosi 0,005- 0,05 val/m3. Jako reagenty stosowane są: Na3PO4, Na2HPO4, NaH2PO4.Zapewnienie odczynu pH>10,5 powala na prawie całkowite zmiękczenie wody. Najlepsze efekty zmiękczania zapewnia Na3PO4, który wiąże jony wapnia Ca2+, i magnezu Mg2+, w trudno rozpuszczalne fosforany zgodnie z reakcja:
3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 ↓ +6NaHCO3
3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 ↓ +6NaHCO3
3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 ↓ +3Na2SO4
3MgCl2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 ↓ +6NaCl
Wytworzone fosforany wapnia i magnezu tworzą śliskie , nieprzyczepne do powierzchni stalowych osady i dlatego nadmiar fosforanu sodu nie szkodzi , a nawet jest pożądany. Ponadto obecność fosforanów w wodzie kotłowej zapobiega powstawaniu twardego osadu krzemianu wapniowego .Zmiękczanie wody fosforanami prowadzi się na gorąco w tem. 70-90 stopni a wymagany czas reakcji wynosi 30-60 min. Dawkę
Na3PO4 oblicza się z zależności: Df= 106,4 Tn+ 17,9 Tw.
Dekarbonizacja – polega na usunięciu z wody lub zmniejszeniu twardości węglanowej. Dekarbonizacja wody może być realizowana następującymi metodami: dekarbonizacja termiczna, za pomoca wapnia, wodorotlenkiem sodu, fosforanami, na jonitach, szczepienie kwasami
Dekarbonizacja termiczna- polega na rozkładzie węglanów wapnia i magnezu pod wpływem temp. W zakresie 363- 373 K i przebiega wg następujących reakcji:
Ca(HCO3)2 → CaCO3 ↓ +CO2 + H2O
Mg(HCO3)2 → MgCO3 ↓ +CO2 + H2O
MgCO3+H2O → Mg(OH)2 ↓ +CO2
Przeprowadza Się ją w reaktorach, w których czas przetrzymania wody zalezy od temperatury i wynosi zwykle od 5 do kilkudziesięciu minut. Stosuje się ją do wód o twardości węglanowej, przeznaczonych do zasilania kotłów o niskim i średnim cisnieniu.
Szczepienie kwasami- jest to proces który sprowadza się do zamiany twardości węglanowej na równoważną niewęglanową. Polega na dodawani do wody mocnego kwasu mineralnego, najczęściej solnego, a rzadziej siarkowego ze względu na niebezpieczeństwo wytrącania się siarczanu wapniowego. reakcje z kwasem solnym przebiegają następująco:
Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2 + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 2HCl → MgCl2 + 2CO2 + 2H2O
Wytworzone chlorki, nie stwarzają już tak dużego zagrożenia odkładania się w postaci osadów kamiennych. Stosuje się ja wyłącznie do uzdatniania wody chłodzącej.
Dekarbonizacja wody wapnem- uzyskuje się dawkując do wody wapno w postaci mleka wapiennego lub wody wapiennej, Podczas dekarbonizacji dodany do wody wodorotlenek wapniowy początkowo reaguje z dwutlenkiem węgla a następnie z wodorowęglanem wapniowym wg. Reakcji
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 ↓ +H2O- przy pH 9-9,5
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 ↓ +2H2O - przy pH 9,5- 10,5
Przy dużym nadmiarze Ca(OH)2 pH>10,5 mogą przebiegać również reakcje chemiczne miedzy wodorotlenkiem wapniowym i solami powodującymi twardość magnezową wody.Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2_ → MgCO3 + CO2 + H2O. Twardosc nieweglanowa Ca(OH)2 + MgSO4 → CaSO4 + Mg(OH)2Reakcje te SA niepożądane w procesie uzdatniania wody do celów chłodniczych.
Zmiękczanie ( dekarbonizacja) na jonitach)- kationity silnie kwaśne pracujące w cyklu sodowym lub wodorowym zapewniają prawie całkowitą wymianę jonów wapnia i magnezu związanych z anionami zarówno silnych jak i słabych kwasów, a więc usuwanie twardości węglanowej i niewęglanowej. Wymiana jonowa przebiega zgodnie z reakcjami:
Kationity w cyklu sodowym
2KtNa+ Ca(HCO3)2 → Kt2Ca + 2NaHCO3
2KtNa+ Mg(HCO3)2 → Kt2Mg + 2NaHCO3
2KtNa+ CaCl2 → Kt2Ca + 2NaCl
2KtNa+ MgSO4 → Kt2Mg + Na2SO4
Kationity w cyklu wodorowym
2KtH +Ca(HCO3)2 → Kt2Ca+2H2O + 2CO2
2KtH + Mg(HCO3)2 → Kt2Mg +2H2O + 2CO2
2KtH + CaCl2 -> Kt2Ca+ 2HCl
2KtH + MgSO4 → Kt2Mg+H2SO4
W wyniku wymiany jonowej w cyklu sodowym lub wodorowym woda jest pozbawiona wszystkich jonów wapnia i magnezu oraz innych kationów w tym radionuklidów i metali ciężkich. Ze względu na korozyjny charakter wody nie zaleca się stosowania kationów silnie kwaśnych, pracujących w cyklu wodorowym, jako jedynych jonitów w układzie technologicznych. Zastosowanie ich wymaga neutralizacje wody zdekationizowanej. Wodę zmiękczona i zneutralizowana można uzyskać , stosując równolegle polaczenie kationitu silnie kwaśnego pracującego w cyklu sodowym i kationitu pracującym w cyklu wodorowym . Wycieki z obu kolumn SA mieszane ze soba w odpowiedniej proporcji w wyniku czego nastepuje neutralizacja kwasów mineralnych( obecnych po wymianie cyklu wodorowym) przez wodorowęglan sodowy( obecny w wycieku z KtNa). Neutralizacja przebiega zgodnie z reakcjami:
NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2
2NaHCO3 + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O + 2CO2