Фильтрациюводы проводят на фильтрах разных конструкций. Наиболее известными из используемых в промышленности являются следующие: механические и песчаные фильтры, барабанные и ленточные вакуум-фильтры.

Умягчение воды относится к основным процессам водоподготовки, которые состоят в удалении солей кальция и магния из воды. Способы умягчения делятся на физические, химические и физико-химические.

Физические способы – термический (кипячение), дистилляция и вымораживание. Термическим способом выделяются соли временной жесткости, например:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + СО₂;

2Mg(НСО₃)₂ = MgСО₃  Mg(OH)₂ + Н₂О + 3СО₂.

Химические способы умягчения воды заключаются в обработке ее химическими соединениями (гидроксиды кальция, натрия, карбонат натрия (кальцинированная сода), фосфат натрия), в результате чего образуются труднорастворимые соединения кальция и магния. Например:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃ + 2Н₂О;

Mg(НСО₃)₂ + 2Са(ОН)₂ = 2СаСО₃ + Mg(OH)₂+ 2Н₂О;

Са(НСО₃)₂ + 2NaOH = CaCO₃ + Na₂CO₃ + 2Н₂О;

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃ + Na₂SO₄;

3Са(НСО₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 6NaHCO₃;

3MgCl₂ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂ + 6NaCl₂;

2СаSO₄ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 2Na₂SO₄.

Из химических способов наиболее эффективным является комбинированный известково-содовый в сочетании с фосфатным. Процесс умягчения основывается на следующих реакциях:

1. обработка гашеной известью для устранения временной жесткости, удаления ионов железа и связывания СО₂

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃ + 2Н₂О;

Mg(НСО₃)₂ + 2Са(ОН)₂ = 2СаСО₃ + Mg(OH)₂+ 2Н₂О;

FeSO₄+ Са(ОН)₂=Fe(ОН)₂+ СаSO₄;

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ + Н₂О;

2. обработка кальцинированной содой для устранения постоянной жесткости

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃ + Na₂SO₄;

MgCl₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃ + 2NaCl;

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + Na₂SO₄;

3. обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения катионов Са²⁺ и Mg²⁺

3Са(НСО₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 6NaHCO₃;

3MgCl₂ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂ + 6NaCl₂.

Растворимость фосфатов кальция и магния ничтожно мала, что обеспечивает высокую эффективность фосфатного метода.

Физико-химические методы умягчения воды делятся на электрохимические, основанные на использовании электродиализа, электроосмоса, и ионообменные.

Наиболее широко применяют методы ионного обмена, основанные на свойствах некоторых труднорастворимых твердых веществ (ионитов) замещать свои подвижные функциональные группы ионов на ионы солей, растворенных в воде. Иониты делятся на катиониты (с подвижным катионом) и аниониты (с подвижным анионом). Катиониты, в свою очередь, делятся на Na-катиониты, Н-катиониты и NH₄-катиониты. Аниониты, как правило, имеют подвижные гидроксильные группы, поэтому они называются ОН-анионитами. Неподвижная часть ионита называется матрицей или каркасом. По своему происхождению иониты делятся на природные и синтетические. Например, в качестве Na-катионита используются алюмосиликаты (цеолиты, пермутиты) с общей формулой Na₂O[Al₂O₃  2Si₂O₃  nH₂O], глауконит и другие, а также органические синтетические вещества – синтетические смолы, сульфированные угли, сополимеры стирола с дивинилбензолом. К Н-катионитам относятся синтетические смолы, например карбамидные.

Основными характеристиками ионитов являются: статическая и динамическая объемная емкость, набухание, механическая и химическая устойчивость, термоустойчивость.

Процессы умягчения воды методом ионообмена можно представить следующим образом:

Na₂O[R] + CaCl₂  CaO[R] + 2NaCl;

2H[R] + CaSO₄  Ca[R]₂ + H₂SO₄;

2H[R] + Ca(HCO₃)₂  Ca[R] + 2H₂O + 2CO₂,

где R – не принимающая участия в ионообмене часть молекул ионита.

Катионообменная емкость катионитов постепенно уменьшается, поэтому их регенерируют промывкой растворами NaCl (для Na-катионитов) или кислоты (для Н-катионитов):

СаО[R]₂ + 2NaCl  2Na[R] + CaCl₂;

СаО[R]₂ + 2HCl  2H[R] + CaCl₂;

MgO[R]₂ + H₂SO₄  2H[R] + MgSO₄.

Преимущества катионообменного метода умягчения воды – это простота аппаратурного оформления и компактность, высокая степень умягчения воды (до 0,04–0,07 ммоль эквл), простота обслуживания. Недостатки – наличие сточных вод, образующихся при регенерации катионитов.

Применение для подготовки воды, наряду с катионитами, анионитов позволяет удалить не только все растворенные в ней соли (обессоливание воды), но и содержащиеся кислоты и щелочи, т. е. провести деионизацию. Схема ионообменной установки для деионизации воды приведена на рис. 2.

Вода после предварительной очистки от гетерогенных и коллоидных примесей в отстойнике сначала подается на Н-катионитовый фильтр (1), где очищается от катионов (Са²⁺, Mg²⁺, Na²⁺), далее поступает на анионитовый фильтр (2) для удаления анионных групп.

Рис. 2. Схема ионообменной установки:

1 − катионитовый фильтр; 2 − анионитовый фильтр; 3, − дегазатор; 4 − сборник очищенной воды; 5 − слой песка; 6 − слой катионита

Протекающие при этом процессы можно описать следующими уравнениями:

– катионный обмен

2Н[R] + CaSO₄  H₂SO₄ + Ca[R]₂;

2H[R] + Mg(NO₃)₂  2HNO₃ + Mg[R]₂;

H[R] + NaCl  HCl + Na[R];

H[R] + NaОН  Na[R] + Н₂О;

2Н[R] + Na₂CO₃  2Na[R] + Н₂О + CO₂;

– анионный обмен

2[R]OH + H₂SO₄  2H₂O + [R]₂SO₄;

[R]OH + HNO₃  H₂O + [R]NO₃;

[R]OH + HCl  H₂O + [R]Cl.

Для удаления из воды углекислого газа ее пропускают через дегазатор (3) и направляют потребителям.

С целью регенерации ионитов используют регенерирующие растворы – кислоты и щелочи. В то время как один блок ионообменной установки работает на очистку, другой – на регенерацию. Регенерация ионитов осуществляется их промывкой растворами кислоты или щелочи:

Са[R]₂ + H₂SO₄  2H[R] + CaSO₄;

Са[R]₂ + 2HCl  2H[R] + CaCl₂;

[R]₂SO₄ + NaOH  Na₂SO₄ + [R]₂OH;

[R]NO₃ + NaOH  NaNO₃ + [R]OH.

Дегазация – это выделение из воды растворенных газов с целью уменьшения коррозии оборудования. Выполняется физическими и химическими способами.

Физические способы выделения из воды газов включают методы десорбции путем нагревания паром (термической деаэрации) в соответствующих аппаратах – деаэраторах (вакуумных и повышенного давления). Сущность химических методов дегазации – связывание растворенных газов при помощи реагентов в труднорастворимые химические соединения. Например, для выделения углекислого газа воду пропускают через фильтр с гашеной известью или добавляют к воде известковое молоко. Для выделения из воды кислорода используют фильтры с железными стружками:

Са(ОН)₂ + СО₂  СаСО₃ + Н₂О;

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃.

Обеззараживаниеводы включает удаление из нее микроорганизмов, бактерий путем хлорирования, озонирования и кипячения. Например, для хлорирования воды используется жидкий хлор, гипохлорит кальция, хлорамин. Так, при обработке воды гипохлоритом кальция протекают следующие реакции:

Са(ClO)₂ + CO₂ + H₂O = CaCO₃ + 2HClO;

HClO  HCl + O.

Вода обеззараживается также ионами серебра, под воздействием ультрафиолетовых лучей и ультразвуковых волн.