Menu

Zmiękczanie wody

Kamień w wodzie

 
            Twardość wody jest właściwością polegającą na zużywaniu określonej ilości mydła bez wytwarzania piany. Innymi słowy – twarda woda, to taka – w której mydło słabo się pieni.
            Związkami odpowiedzialnymi za twardość wody (zużywającymi mydło), są jony wapnia i magnezu, a także jony żelaza, manganu, glinu, cynku, jony wodorowe; hamowanie powstawania piany wywołują też duże ilości chlorków (np. NaCl). Zawartość w wodzie jonów wapnia i magnezu jest zdecydowanie większa od wszystkich innych wymienionych pierwiastków, dlatego w praktyce za twardość wody zwykło się uważać całkowitą zawartość w niej  jonów Ca i Mg i wyrażać ich stężenie w mval/dm3, lub tzw. stopniach twardości (zob. tabela 1).
 
Tabela 1 Jednostki twardości
 
mval/l
Mg CaCO3/l
(ppm)
Stopień niemiecki °d
Stopień francuski °f
Stopień angielski °e
mval/l
1
50
2,8
5
3,5
Mg CaCO3/l
(ppm)
0,02
1
0,056
0,1
0,07
Stopień niemiecki °d
0,357
17,9
1
1,79
1,25
Stopień francuski °f
0,2
10
0,56
1
0,7
Stopień angielski °e
0,29
14,3
0,8
1,43
1
 
Klasyfikacja wody wg jej twardości
 
< 5 °d         woda bardzo miękka
5-10 °d       woda miękka
10-20 °d     woda średnio twarda
20-30 °d     woda twarda
> 30 °d      woda bardzo twarda
 
            Twardość wody nie jest „zanieczyszczeniem” szkodliwym dla zdrowia człowieka, a nawet pod wieloma względami wskazanym. Woda zbyt miękka (<1,8 mval/dm3 ), powoduje np. ługowanie z organizmu soli wapnia wywołując krzywicę, szczególnie w okresie rozwojowym u dzieci. U osób starszych może z kolei przyspieszać proces osteoporozy. Woda pozbawiona twardości ma też nieprzyjemny, mdły smak.
            Wody zbyt twarde (>10 mval/dm3 ), mogą z kolei powodować uczulenia skóry, stając się przyczyną łupieżu lub innych reakcji alergicznych. Duża zawartość w wodzie siarczanu magnezu MgSO4, ma nawet lekkie działanie przeczyszczające.
W kraju zgodnie z rozporządzeniem Ministra Zdrowia z 4 września 2000 r., dopuszczalna zawartość twardości w wodzie do picia powinna się mieścić w przedziale 60-500 mg CaCO3/dm3 (1,2-10 mval/dm3).
           
Skutki twardości wody
Pozytywne
Negatywne
-          dobry smak
-          prawidłowy rozwój kości
-          picie surowej wody zapewnia większość dobowego zapotrzebowania na magnez i wapń
-          osadzanie się kamienia na przyborach sanitarnych, zarastanie baterii czerpalnych i natrysków,
-          zwiększone zużycie proszków do prania i mydeł (0,5 kg/1 mval/m3),
-          zarastanie grzałek i wymienników ciepła w urządzeniach AGD (pralki, zmywarki, ekspresy do kawy, żelazka, podgrzewacze wody, kotły c.o.,itp.) zmniejszające wymianę ciepła i przyspieszające zużycie urządzeń,
-          wzrost zagrożenia w instalacji c.o i c.w.u. korozją podosadową,
-          wzrost zużycia ciepła w instalacjach grzewczych (kamień osadzający się na ściankach wymienników ciepła ma właściwości izolacyjne)
 
 
            Do celów przemysłowych używa się zdecydowanie wody miękkiej lub bardzo miękkiej, szczególnie w ciepłownictwie, gdzie nawet niewielkie ilości jonów wapnia i magnezu mogą powodować powstawanie twardych osadów kamienia na ściankach kotłów, zwiększając tym zużycie paliwa, a w skrajnych przypadkach stając się przyczyną awarii kotła. Poziom twardości ogólnej w wodzie nie powinien tutaj przekraczać 0,02 mval/dm3 . Dla instalacji c.o. o zamkniętym obiegu wymagania nie są już takie restrykcyjne. Pomimo to zaleca się, aby woda zasilająca instalację nie miała twardości większej niż 4 mval/dm3, taką sama wartość dopuszczalnej twardości wody zawierają gwarancje większości producentów pralek i zmywarek.
 
Rodzaje twardości wody
 
            Sole wapnia i magnezu występują w wodzie przeważnie w postaci wodorowęglanów (dwuwęglanów) Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, węglanów, a także: siarczanów, chlorków i krzemianów. Twardość spowodowana wodorowęglanami i węglanami jest nietrwała i dość łatwa do usunięcia w podwyższonej temperaturze przez gotowanie wody (tzw. zmiękczanie termiczne). W praktyce nosi nazwę „twardości przemijającej” lub twardości węglanowej.
            Chlorki, siarczany i krzemiany wapnia i magnezu nie wytracają się z wody podczas gotowania, dlatego ta część twardości nosi nazwę „stałej” lub niewęglanowej.
            Suma twardości węglanowej i niewęglanowej w wodzie nosi nazwę „twardości ogólnej”.
 
USUWANIE TWARDOŚCI (Zmiękczanie wody)
 
Zmiękczanie termiczne
 
            Stosuje się dla wód o dużej zawartości twardości węglanowej. W podwyższonej temperaturze zawarte w wodzie dwuwęglany wapnia i magnezu ulegają rozpadowi wytrącając z wody trudno rozpuszczalne związki węglanu wapnia i wodorotlenku magnezowego w myśl reakcji:
                       
                                   Ca(HCO3)2 ® CaCO3 ¯ +H2O + CO2­
                                   Mg(HCO3)2® MgCO3 +H2O + CO2­
Powstały w drugiej reakcji węglan magnezu hydrolizuje do nierozpuszczalnego wodorotlenku:
                                   MgCO3 +H2O ® Mg(OH)2¯ + CO2­
 
            Woda po zmiękczaniu termicznym, posiada nadal twardość niewęglanową, dzięki czemu nadaje się do spożycia. Wadą metody jest wysoki koszt.
 
Dekarbonizacja
 
            Polega na usuwaniu z wody twardości węglanowej (a także częściowo niewęglanowej spowodowanej przez jony magnezu), poprzez działanie na wodę roztworem mleka wapiennego Ca(OH)2.
 
                                   Ca(HCO3)2 + Ca(OH) ® 2CaCO3 ¯ +2H2O
                                   MgCl2 + Ca(OH) ® Mg(OH)2¯ + CaCl2
                                   Mg(HCO3)2 + Ca(OH) ® CaCO3 ¯ + MgCO3 + 2H2O
                                   MgCO3 + Ca(OH) ® Mg(OH)2¯ + CaCO3 ¯
            Proces dekarbonizacji prowadzony na zimno trwa bardzo długo, do kilku godzin, w temp. 60° zachodzi już w 10-15 minut. Po procesie konieczna jest filtracja wody.  Zaletą rozwiązania jest możliwość jednoczesnego usuwania z wody twardości węglanowej, mętności, żelaza, a także dwutlenku węgla i częściowa dezynfekcja wody (wapno ma właściwości bakteriobójcze). 
 
Wymiana jonowa
 
            Wymieniacze jonowe, to specjalne substancje nierozpuszczalne w wodzie, posiadające liczne grupy funkcyjne zdolne do wymiany jonów.  Z fizycznego punktu widzenia jonity, to mikroporowate ziarna o średnicy nie przekraczającej 1 mm, posiadające przestrzenną strukturę (przypomina szwajcarski ser) o dużej liczbie kanalików. Pod wpływem wody ziarna te pęcznieją, a znajdujące się wewnątrz lub na powierzchni grupy funkcyjne dysocjują i mogą się wymieniać z jonami znajdującymi się w roztworze.  Proces wymiany jest odwracalny, tzn. po całkowitym wyczerpaniu zdolności jonowymiennej jonitu (wymianie wszystkich jonów), następuje jego regeneracja i złoże jest powtórnie gotowe do użycia.
            Jonity mogą być pochodzenia naturalnego i sztucznego, ze względu zaś na rodzaj cząsteczek – organiczne i nieorganiczne. W praktyce najbardziej rozpowszechnione są jonity organiczne otrzymywane syntetycznie, zwane potocznie żywicami jonitowymi (zob. tabela 2).
Z punktu widzenia rodzaju wymienianych jonów jonity można dzielić dalej na:
-          kationity (Kt) – wymieniające kationy
-          anionity (An) – wymieniające aniony
Przy czym obie grupy można dodatkowo różnicować na:
-          kationity słabo i silnie kwaśne
-          anionity słabo i silnie zasadowe.
 
Tabela 2 Najczęściej stosowane żywice jonowymienne do zmiękczania
 
Purolite C-105
Lewatit S 1467
Amberlite SR1L Na
Amberjet 1200 Na***
Forma fizyczna
Bursztynowe kulki
Jasnobrązowe, przezroczyste ziarna
Bursztynowe ziarna
Bursztynowe ziarna
Forma jonowa
H+
Na+
Na+
Na+
Całkowita pojemność jonowymienna
4,2 val/l*
2 val/l
2,05 val/l
2,0 val/l
Ciężar właściwy
1,18 kg/l
0,82 kg/l
0,82 kg/l
0,85 kg/l
Warunki eksploatacyjne
Wysokość złoża
Min. 700 mm
Min. 800 mm
Min. 700
Min. 800 mm
Max temp. wody
120 °C
120 °C
120 °C
120 °C
Natężenie przepływu podczas pracy
8-40 OZ/h**
 
5-50 OZ/h
5-50 OZ/h
Czynnik regenerujący (dawka)
HCl
NaCl
70-250 g/l
NaCl(60-250 g/l)
HCl (50-150 g/l)
H2SO4 (50-240 g/l)
NaCl(60-240 g/l)
HCl (40-150 g/l)
H2SO4 (40-200 g/l)
* dla postaci mokrej
** OZ – objętość złoża
*** żywica bez atestu dla wody pitnej
 
W procesach zmiękczania wody rodzaj złóż jonowymiennych ma kolosalne znaczenie dla parametrów filtratu. Powszechnie spotykane w handlu filtry BRITA mają np. złoża słabo kwaśne zdolne do wymiany jonów pochodzących z soli słabych kwasów, a więc głównie dwuwęglanów. Woda po przejściu przez filtr pozbawiona jest twardości węglanowej ale posiada twardość niewęglanową (stałą) i nadaje się do picia.
Złoża silnie kwaśne regenerowane solą KtNa (cykl sodowy) lub kwasem KtH (cykl wodorowy) mogą już wymieniać wszystkie jony twardości usuwając zarówno twardość przemijającą jak i stałą. Oprócz tego z wody usuwane są metale ciężkie, a nawet radionuklidy. Twardość takiej wody potrafi być bardzo niska, szczególnie przy małym poborze, gdy czas kontaktu wody ze złożem jest wydłużony. Warto pamiętać, że filtrat taki nie nadaje się do częstego picia. 
Anionity są znacznie rzadziej stosowane, głównie w procesach demineralizacji wody, czyli usuwania z niej wszystkich soli. Procesy demineralizacji wykorzystywane są np. przy preparacji wody kotłowej, jak też przy uzdatnianiu wody zawierającej duże ilości krzemionki. Woda przepływa wtedy najpierw przez kationit, a następnie przez anionit. Twardość filtratu jest bliska zeru. 
 
W domkach jednorodzinnych stosowane są najczęściej kationity silnie kwaśne pracujące w cyklu sodowym, regenerowane zwykłą solą kuchenną (nie wolno stosować jodowanej!!!). Roztwór soli przygotowywany jest w osobnym zbiorniku wolnostojącym lub wbudowanym w jednostkę podstawową urządzenia. W handlu sól taka sprzedawana jest w specjalnych pastylkach zapobiegających jej zbrylaniu. Proces regeneracji może być:
-          czasowy, zaprogramowany o stałej godzinie co kilka dni,
-          objętościowy, regeneracja następuje po zmierzeniu przez wewnętrzny przepływomierz zadanej ilości wody,
-          objętościowy z pierwszeństwem czasowym; proces regeneracji wykonywany jest po zmierzeniu zaprogramowanej ilości wody, ale nie wcześniej niż o nastawionej godzinie (zwykle regeneracja następuje w nocy). Jeśli nie ma rozbioru zmiękczacz samoistnie wykona regenerację po upływie czasu określonego w instrukcji urządzenia.  
 W celu zapobieżenia zbytniemu obniżeniu twardości wody istnieje możliwość montażu specjalnych zaworów mieszających na obejściu zmiękczacza, mieszających wodę uzdatnioną z woda surową w dowolnie zaprogramowanym stosunku. Zmiękczacze jonowymienne dostępne są ponadto w wersji jednokolumnowej i dwukolumnowej. Drugie rozwiązanie pozwala na ciągłą dostawę wody (w czasie regeneracji jednej kolumny pracuje druga).   .
 
 Proces wymiany jonowej wymaga wody określonej jakości i powinien być stosowany jako II stopień uzdatniania. W szczególności woda powinna być pozbawiona żelaza i manganu (< 0,1 mg/dm3), a także mętności i zanieczyszczeń biologicznych. Nie powinna też zawierać  zbyt dużych ilości wolnego chloru (< 0,3 mg/dm3 ) i tlenu rozpuszczonego. Wszystkie te substancje mogą powodować przyspieszoną degradację jonitów i zmniejszać ich zdolność jonowymienną.
 
Odwrócona osmoza
 
                Zjawisko osmozy polega na przenikaniu rozpuszczalnika (wody) przez membranę półprzepuszczalną (tzn. przepuszczalną dla rozpuszczalnika, a nieprzepuszczalną dla soli), z roztworu o mniejszym nasyceniu do roztworu o większym nasyceniu, aż do całkowitego wyrównania stężeń obu roztworów.  Siłą napędowa jest ciśnienie osmotyczne związane z różnicą stężeń.
W procesach uzdatniania wody wykorzystuje się zjawisko odwrotne, czyli przenikanie rozpuszczalnika  od roztworu bardziej stężonego do roztworu mniej stężonego, pokonując ciśnienie osmotyczne przez odpowiednio wysokie ciśnienie wody po stronie roztworu stężonego. Proces ten nosi nazwę „odwróconej osmozy”.
W urządzeniach odwróconej osmozy woda surowa po wstępnej filtracji przechodzi do modułu membranowego, gdzie zostaje „przeciśnięta” przez bardzo gęstą błonę. Krystalicznie czysty filtrat „tzw. permeat”, przechodzi do zasobnika wody, a zatrzymane sole „tzw. koncentrat” usuwane są do kanalizacji. Zaletą rozwiązania jest brak dodatkowych reagentów w procesie uzdatniania i neutralne pH ścieków, wadą – straty wody sięgające 25%.
  Urządzenia odwróconej osmozy „OO”, mogą mieć rożną budowę, w zależności od zastosowania. Urządzenia przemysłowe pracują jako wysokociśnieniowe, mają wbudowaną pompę wysokiego ciśnienia i dostępne są w wersjach wolnostojących i wiszących (do zamocowania na ścianie). Mogą być zasilane prądem jednofazowym lub trójfazowym, a wydajność  poszczególnych jednostek waha się od 40-100000 l/h.  Urządzenia domowe produkowane są zwykle jako niskociśnieniowe, pracujące pod ciśnieniem wody w sieci. Charakteryzują się małą wydajnością (filtrują do kilku litrów wody na godzinę) i niewielkimi wymiarami (mieszczą się w szafce zlewozmywakowej). Wszystkie jednostki oferowane są w układach kompaktowych ze wstępną filtracją wody i zasobnikiem wody przefiltrowanej. Dostępne są jednocześnie filtry 4, 5 lub 6 stopniowe, gdzie 1 lub 2 stopnie – to filtry mechaniczne o różnej dokładności filtracji, stopień 2 lub 3 – to filtr z wkładem węglowym zabezpieczający membranę przed działaniem chloru, stopień 3 lub 4 – to membrana osmotyczna.  Ostatni stopień stanowi kolejny filtr węglowy oraz opcjonalnie ( w urządzeniach 6 stopniowych) filtr mineralizujący.
 
Tabela 3 Typy membran w urządzeniach odwróconej osmozy
Typ membrany
Zakres temperatur wody uzdatnianej
Zakres pH wody
Właściwości
octanowa
0-30°C
4-6,5
Hydrolizuje w wodzie, mało stabilna chemicznie, wysokoodporna na chlor wolny, tania
aromatyczno poliamidowa (PA)
0-35°C
4-11
Dobra stabilność chemiczna, wrażliwa na działanie chloru
Poliamidowa cienkowarstwowa (TFC)
0-40
2-12
Bardzo dobra stabilność chemiczna, mało odporna na działanie chloru
 
Membrany w urządzeniach OO mogą być pochodzenia organicznego lub nieorganicznego (zob. tabela 3). Wszystkie typy membran ulegają stopniowej degradacji wskutek:
-          zarastania osadami
-          zagęszczania (kompresji) porów w membranie
-          nieodwracalnej sorpcji cząsteczek na powierzchni
 Zjawiska te powodują stopniowy wzrost oporów przepływu i zmniejszenie się prędkości filtracji, aż do całkowitego zablokowania membrany. Średni czas żywotności membran wynosi od 3-5 lat; po tym okresie membrany powinny być wymienione.
Zastosowanie odwróconej osmozy do zmiękczania wody do picia  ma ograniczone zastosowanie, ze względu na nadmierne usuwanie jonów z wody. W wielu wypadkach jakość filtratu niewiele się różni od wody destylowanej i wymaga mineralizacji. W układach 6 stopniowych rolę tę pełni filtr wypełniony kalcytem dostarczający do wody węglanów wapnia i magnezu.
 Odwrócona osmoza wymaga na wejściu wody wstępnie oczyszczonej, pozbawionej mętności, zanieczyszczeń koloidalnych, o małej zawartości trudno rozpuszczalnych soli (np. CaCO3, CaSO4). Blokadę membran mogą też powodować jony żelaza.
 
 
UWAGI KOŃCOWE
 
             Problem zmiękczania wody jest bardzo często nieprzemyślany przez inwestorów. Należy tutaj wyraźnie rozgraniczyć pojęcie wody twardej w odniesieniu do urządzeń domowych i samych domowników. W procesach wymiany jonowej i OO, twardość szczątkowa wody jest na tyle mała, że nie nadaje się ona do częstego spożywania. Jeśli woda przed zmiękczeniem nie zawierała substancji kancerogennych dla zdrowia, zostawmy zawsze w instalacji punkt poboru wody surowej, lub zastosujmy mieszacz. Sztuczne mineralizowanie wody już zmiękczonej jest trudne w ocenie i stanowi dodatkowy, niepotrzebny koszt.
 Wybór metody zmiękczania tak naprawdę należy zawsze powierzyć specjaliście, który dobierze urządzenie indywidualnie do naszego ujęcia. Często przy małym zapotrzebowaniu na miękką wodę, lub jej okresowym zużyciu (domki letniskowe), zamiast drogiego zmiękczacza kolumnowego wystarczy filtr z wymiennym wkładem jonitowym.
                Decydując się na konkretne rozwiązanie zwróćmy uwagę na koszty eksploatacji instalacji. Zmiękczacze jonowe wymagają okresowego zakupu soli i poboru prądu, jednak wydatki związane z ich eksploatacją wiążą się też z koniecznością okresowego czyszczenia głowicy sterującej. Sprawdźmy więc, ile będzie kosztowała ewentualna naprawy takiej głowicy. W OO koszty związane będą z wymianą wkładów w filtrach i raz na kilka lat samej membrany. Trzeba też omówić ze sprzedawcą sprawę wielodniowego wyjazdu. Długotrwały brak poboru wody może bowiem powodować przyspieszoną degradację membran. Usuwanie przez jonit żelaza i manganu znacznie zmniejsza jego zdolność jonowymienną, należy to uwzględnić przy projektowaniu objętości żywicy wprowadzając współczynniki korekcyjne. Jeśli w wodzie obecny jest dodatkowo tlen rozpuszczony, to może dojść do wytrącania się form koloidalnych żelaza i manganu nieodwracalnie blokujących jonit.    
 
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});