Bennett P. Boffardi. Водоподготовка для систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и холодильных установок // Журн. По отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной физике (АВОК). — 1999. — № 6. — C. 40-51

Рассмотрим последовательно основные используемые методы водоподготовки.

Умягчение воды
Данный метод снижает жесткость воды без изменения количества электролита, растворенного в воде. При этом осуществляется замещение ионов, ответственных за избыточную жесткость. В частности, ионы кальция (Ca) и магния (Mg) замещаются ионами натрия (Na), что предотвращает образование известковых отложений при нагревании воды, поскольку в отличие от карбонатов кальция и магния, формирующих переменную составляющую жесткости, карбонат натрия остается растворенным в воде при повышенной температуре. Обычно процесс умягчения воды реализуется с использованием ионообменных смол. При использовании натриевых ионообменных смол (ReNa) химические реакции выглядят следующим образом:
постоянная жесткость

переменная жесткость

Таким образом, происходит фиксирование на ионообменных смолах ионов, ответственных за избыточную жесткость (в данном случае Ca++) и растворение Na+ ионов.

Поскольку ионообменные смолы постепенно насыщаются ионами кальция и магния, эффективность их действия со временем снижается и требуется проведение регенерации, которая осуществляется обратной промывкой разбавленным раствором хлорида натрия (поваренная соль).

Образуемые хлориды кальция или магния являются растворимыми и уносятся вместе с промывающей водой. Вместе с тем, следует учитывать, что умягченная вода обладает повышенной химической коррозионной активностью, а также увеличенной удельной проводимостью, что интенсифицирует имеющие место электрохимические процессы. На рис. 6 показано в сравнительном плане коррозионное воздействие жесткой, умягченной и деминерализованной воды.

Следует иметь в виду, что, несмотря на наличие патентованной системы предотвращения пенообразования (Anti Foaming system, AFS), использование умягченной воды в изотермических увлажнителях всех типов может привести к образованию пены и, в конечном итоге, к сбоям в работе. В результате умягчение воды при водоподготовке в системах увлажнения воздуха имеет не столько самостоятельное значение, сколько служит вспомогательным средством снижения жесткости воды перед ее деминерализацией, широко используемой для обеспечения работы увлажнителей адиабатического типа.

Полифосфататная обработка
Данный метод позволяет на время «связать» соли жесткости, не давая им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи. Полифосфаты обладают способностью образовывать связи с кристаллами CaCO3, сохраняя их в состоянии суспензии и, тем самым, приостанавливая процесс их агрегирования (образование хелатных связей). Однако следует иметь ввиду, что данный механизм работоспособен только при температурах, не превышающих 70-75 °С. При более высоких температурах имеет место склонность к гидролизу и эффективность метода резко снижается.

Oбработка воды полифосфатами не уменьшает количества растворенных солей,поэтому использование такой воды, как и в предыдущем случае, в изотермических увлажнителях может привести к пенообразованию и, следовательно, к нестабильной их работе.

Магнитное или электрическое кондиционирование
Под действием сильных магнитных полей происходит аллотропная модификация кристаллов солей, ответственных за переменную жесткость, в результате чего соли накипеобразователей превращаются в мелкодисперсный шлам, который не откладывается на поверхностях и не склонен к образованию компактных форм.

Сходные явления имеют место при использовании электрических разрядов, снижающих способность выпадающих в осадок солей к их агрегатированию. Однако до настоящего времени отсутствуют достаточно надежные данные, касающиеся эффективности работы подобного рода устройств, особенно при высоких темпратурах, близких к точке кипения.

Деминерализация
Рассмотренные выше методы водоподготовки не изменяют количество растворенных в воде химических веществ и, следовательно, не решают полностью возникающих проблем. При работе изотермических увлажнителей они могут уменьшить количество образуемых твердых отложений, что в наибольшей степени относится к методам умягчения воды. Деминерализация, осуществляемая путем извлечения тем или иным способом растворенных в воде веществ, имеет ограниченное действие для изотермических увлажнителей с погружными электродами, поскольку принцип их действия основан на протекании электрического тока в растворе солей. Однако для всех остальных типов увлажнителей воздуха деминерализация является наиболее радикальным способом водоподготовки, особенно это касается увлажнителей воздуха адиабатического типа. Она также может применяться в полной мере для изотермических увлажнителей с электронагревательными элементами и газовых увлажнителей, при использовании которых другие способы водоподготовки, рассмотренные выше, уменьшая количество образуемых твердых отложений, создают сопутствующие проблемы, связанные с увеличением концентрации сильных электролитов при испарении воды.

Одним из негативных моментов, связанных с отсутствием деминерализации воды, является образование тонкодисперсного солевого аэрозоля при подаче влаги в обслуживаемые помещения. В наибольшей степени это относится к предприятиям электронной промышленности («чистые» комнаты) и медицинским учреждениям (микрохирургия глаза, акушерство и гинекология). С помощью деминерализации данной проблемы можно полностью избежать, за исключением использования изотермических увлажнителей с погружными электродами. Степень деминерализации обычно оценивается по удельной проводимости, которая приблизительно пропорциональна суммарной концентрации растворенных электролитов в соотношениях, приведенных в табл. 7.

В природе почти никогда не встречается вода с удельной проводимостью менее 80-100 мкС/см. Ультра высокая деминерализация необходима в исключительных случаях (бактериологические лаборатории, камеры выращивания кристаллов). В большинстве же практических приложений достаточны высокая и очень высокая степени деминерализации. Наибольшая степень деминерализации (вплоть до теоретически достижимой) обеспечивается путем дистилляции воды, в том числе двойной и тройной. Однако этот процесс является дорогостоящим как с точки зрения капитальных затрат, так и эксплуатационных расходов. В связи с этим в целях водоподготовки при увлажнении воздуха наибольшее применение получили следующие два метода деминерализации.

Обратный осмос
В соответствии с этим методом, вода прокачивается под высоким давлением через полупроницаемую мембрану с порами, имеющими диаметр менее 0,05 мкм. Большинство растворенных ионов фильтруются на мембране. В зависимости от используемой мембраны и других характеристик осуществляемого процесса фильтрации от 90 до 98 % растворенных в воде ионов удаляются. Достижение более высокой эффективности деминерализации при этом является проблематичной. Возможность осуществления процесса обратного осмоса полностью автоматически, а также отсутствие необходимости в использовании химических реагентов делают его особо привлекательным в рассматриваемых целях. Процесс является достаточно экономичным, потребляя электроэнергию в количестве 1-2 кВт.час на 1 м3 обрабатываемой воды. Стоимость оборудования постоянно снижается в связи с увеличением объема его выпуска за счет постоянного расширения сфер использования.

Обратный осмос, однако, уязвим если обрабатываемая вода является очень жесткой и/или содержит большое количество механических загрязнений. В связи с этим в целях увеличения срока службы используемых мембран зачастую требуется предварительное умягчение воды или ее полифосфататная обработка, или магнитное/электрическое кондиционирование и фильтрация.

Деионизация
В соответствии с этим методом, для удаления растворенных веществ используются слои ионообменных смол (колонки ионитов), которые обладают способностью обменивать ионы водорода на катионы и гидроксильные ионы на анионы растворенных солей.

Катионовые ионообменные смолы (катиониты, полимерные кислоты) обменивают один ион водорода на катион вступающего в контакт со смолой растворенного вещества (например, Na++, Ca++, Al+++). Анионные ионообменные смолы (аниониты, полимерные основания) обменивают один гидроксильный ион (гидроксильную группу) на соответствующий анион (например, Cl-). Ионы водорода, освообождаемые катионитами, и гидроксильные группы, освобождаемые анионитами, образуют молекулы воды.

На примере карбоната кальция (CaCo3) химические реакции выглядят следующим образом:
в колонке катионита

в колонке анионита

По мере расходования ионообменными смолами ионов водорода и/или гидроксильных групп они должны быть подвергнуты процессу регенерации, используя обработкуколонки катионита соляной (хлористо-водородной) кислоты

Колонка анионита обрабатывается гидроокисью натрия (каустической содой)

Процесс регенерации завершается промывкой, которая обеспечивает удаление солей, образуемых в результате рассмотренных химических реакций. В современных деминерализаторах поток воды организуется «сверху вниз», что предотвращает разделение гравийного слоя и обеспечивает непрерывную работу установки без ухудшения качества очистки. Кроме того, слой ионита работает как фильтр очистки воды от механических загрязнений.

Эффективность деминерализации данным методом сопоставима с дистилляцией. При этом эксплуатационные расходы, свойственные деионизации, существенно ниже по сравнению с дистилляцией. Теоретически, вода, деминерализованная рассмотренными методами (обратный осмос, деионизация), является химически нейтральной (pH = 7), но в ней легко растворяются различные вещества, с которыми она впоследствии контактирует. На практике, деминерализованная вода является слабо кислой благодаря процессу деминерализации как таковому. Указанное происходит в результате того, что остаточные количества ионов и газовых примесей понижают pH. В случае обратного осмоса это объясняется дифференциальной селективностью мембран. В случае деионизации указанные остаточные количества объясняются истощением или нарушением целостности колонок ионитов. В случае повышенной кислотности вода может растворять окислы металлов, открывая путь коррозии. Особенно подверженными коррозии оказываются углеродистая сталь и цинк. Типичным явлением служит, как отмечалось ранее, потеря латунным сплавом цинка. Вода, имеющая удельную проводимость менее 20-30 мкС/см, не должна контактировать с углеродистой сталью, цинком и латунью.