Очистка воды от магнезии

Здравствуйте. Очень нужен совет профессионалов. В Крыму в роднике вода содержит магнезию,от чего начинаются проблемы с желудком, подскажите чем чистить? Надеюсь на ответ.

Здравствуйте, Сергей!

Спасибо за интерес к нашему сайту.

Присутствие солей магния Mg²⁺ и кальция Са²⁺ обуславливает жёсткость воды. Жесткость определяют по спе­циальной методике, описанной в ГОСТах на питьевую воду, единицы ее измерения — моль на ку­бический метр (моль/м³) или миллимоль на литр (ммоль/л).

Различаются несколько видов жесткости — общая, карбонатная, некарбонатная, устранимая и неустранимая; но чаще всего гово­рят об общей жесткости, связанной с сум­мой концентраций ионов кальция и магния.

Вода, содержащая небольшое количество (менее 4 мг-экв/л) минеральных солей, в основном солей кальция и магния, считается мягкой, при значительном их содержании (более 7 мг-экв/л) -жесткой. Жесткость пресных природных водоемов меняется в течение года, имея минимум в период паводка. Например, в Москве, которую обслуживают четыре станции водоочистки, забор воды производится из Москвы-реки и из Волги (через канал им. Москвы), поэтому жесткость воды различна в разных районах Москвы но в среднем составляет ~ 5 мг-экв/л. Артезианская вода, как правило, более жесткая, чем из поверхностных источников. В Подмосковье, например, жесткость артезианских вод, меняется от 3 до 15-20 мг-экв/л в зависимости от места и глубины скважины.

Жесткость воды - это проблема не только воды для питья и приготовления пищи, но и воды, используемой в быту для стирки, мытья посуды и т. д. А для современной бытовой техники (стиральные, посудомоечные машины и т.д.), систем горячего водоснабжения и отопления, новейших образцов сантехники – жесткость воды – крайне нежелательна. Поэтому борьба с ней очень актуальна. Соли жесткости при нагревании выпадают в осадок - накипь, которая вызывает преждевременный выход из строя сантехники, бытовой техники, нагревательных котлов и труб. Потери от жесткости воды в быту – это перерасход на 30-50% моющих средств при стирке белья и купании, плохие потребительские свойства воды: при заваривании кофе или чая в такой воде может выпасть бурый осадок, при кипячении на поверхности образуется пленка, вода приобретает характерный привкус; в жесткой воде хуже разваривается мясо, потому что соли жесткости с белками мяса образуют нерастворимые соединения, что, в свою очередь приводит к снижению усвояемости белков.

В настоящее время существует несколько способов очистки воды от солей магния и кальция, которые изложены ниже:

Ионный обмен

Принцип ионного обмена используется во многих имеющихся сегодня на рынке бытовых системах очистки воды от солей жёсткости.

Фильтр ионного обмена состоит из гранулированных компонентов умягчения воды через который и проходит поток воды. По мере того как вода протекает через слой умягчающих воду гранул ионообменной смолы, происходит удаление солей жесткости и в результате вода становится мягкой и абсолютно пригодной для использования в быту.

Ионообменные смолы нашли широкое применение во всем мире в устройствах по водоочистке. Они представляют собой мелкие шарики из полимерных материалов, насыщенных ионами, которые назвали назвали “ионообменными смолами” – ионитами, способными извлекать из воды различные ионы, взамен отдавая свои. Таким образом, происходит "замещение" одних ионов на другие.

Рис. Схема действия ионообменного фильтра для умягчения воды.

Иониты производятся из специальных ионообменных соединений. Обычно они состоят из нерастворимых в воде углеродных матриц  в которых зафиксированы активные ионогенные группы, заряд которых нейтрализуется расположенными внутри полимера ионами противоположного знака – противоионы, которые вступают в реакцию обмена с ионами того же знака, присутствующими в растворе.

По структуре иониты подразделяются на гелевые, способные к ионообмену только в набухшем состоянии, макропористые и промежуточной структуры.

Если заряд фиксированной группы отрицательный, то ионит обменивает катионы, если положительный то анионы. Таким образом, иониты делятся на катиониты и аниониты.

Аниониты в свою очередь классифицируются как сильноосновные (обмен анионов происходит при любых значениях рН), слабоосновные (обмен анионов из кислот – рН 16), смешанной активности.

Аниониты:

R⁺ОНгидроксильная форма анионита, аналогичная обычному гидроксилсодержащему основанию,

R⁺Х^- - солевая форма анионита, аналогичная структуре соли.

Катиониты бывают сильнокислотные, способные к ионообмену при любых значениях рН, и слабокислотные – ионообмен при рН больше 7.

Катиониты:

R^-H – водородная форма катионита, аналогичная обычной водородной кислоте

R^-Ме⁺ - солевая форма катионита, аналогичная структуре соли;

Основные уравнения ионного обмена, схематически описывающие реакции взаимодействия ионов раствора с ионитами, следующие:

Для катионитов

R^-H⁺+Ме⁺ R^-Ме⁺ + Н⁺

Эта реакция обратима, так как слева направо происходит поглощение ионитом катионов солей (Ме⁺) из раствора, а справа налево происходит регенерация кислотой ионита от солевой формы до исходной водородной формы;

Для анионитов

R⁺OH^- + R⁺X^- + OH^-

Основными показателями ионообменных смол являются влажность, которая химически связана в смоле, весовая и объемная (определяющиеся стандартными методами) и рабочая ионообменная (зависящая от размеров слоя смолы, от свойств растворов) емкости

Проходя сквозь ионообменную смолу, жесткая вода, насыщенная ионами кальция и магния, отдает их смоле и забирает из нее ионы натрия, которые не образуют отложений.

Ионный обмен эффективно применяется для решения таких проблем с водой, как умягчение жёсткой воды и удаление из воды солей кальция, магния и железа, карбонаты которых представляют собой соли жесткости, они приносят множество неудобств, отлагаясь наростами на всех поверхностях, с которыми соприкасается насыщенная ими вода. Кроме этого с помощью ионного обмена осуществляется очистка воды от ионов тяжелых металлов: Zn, Cr, Hg, Cu, Ni, аммиака и аммойных солей, анионов: Cl^-, SO₄^2-,CHS^-,CN^- и т.д. а также от радиактивных загрязнений

Электрохимическая очистка воды

Основана на сложных окислительно-восстановительных реакциях и так называемой электрохимической активации воды в электрическом поле, которая происходят в воде при воздействии на нее сильного электрического тока и приводят к образованию так называемой "живой" и "мертвой" воды.

В результате электрохимической активации вода переходит в метастабильное состояние, которое характеризуется аномальными значениями активности электронов и других физико-химических параметров (В.М. Бахир и др., 2001).

Если через воду протекает постоянный электрический ток, то поступление в воду у катода, так же как и удаление электронов из воды у анода, сопровождается серией электрохимических реакций на поверхности катода и анода. В результате образуются новые вещества, изменяется система межмолекулярных взаимодействий, состав воды, в том числе  структура воды как раствора. Получают такую воду с помощью диафрагменного проточного электрохимического реактора (СТЭЛ), включающего в свой состав специальную мембрану (диафрагму), разделяющую воду, находящуюся у катода и воду, находящуюся у анода. Состав электродов (анода и катода) таков, что они могут обмениваться только электронами.

Этот способ экономичен, так как позволяет достигнуть высокой производительности при небольших затратах.

Впервые такую воду впервые получил изобретатель Кратов, исцелившийся с их помощью от аденомы и радику­лита. Эти жидкости производят с помощью элек­тролиза обычной воды, причем кислую воду, которая собирается у положительно заряженного анода, называют «мертвой», а щелочную (концентрирующуюся около отрицательного катода) — «живой».

Рис. Электролизер для получения активированных растворов
1, 2 – стаканы, стекло; 3 – большой электрод, графитовое волокно; 4 – малый электрод, графитовое волокно; 5 – гидрозатвор, стекло; 6 – магнитная мешалка

В результате катодной (католит) обработки вода приобретает щёлочную реакцию, её окислительно-восстановительный потенциал снижается, уменьшается поверхностное натяжение, снижается количество растворённого кислорода и азота, возрастает концентрация водорода, свободных гидроксильных групп, уменьшается электропроводность, изменяется структура не только гидратных оболочек ионов, но и свободного объёма воды. Католит – мягкая, светлая, с щелочным привкусом вода, иногда с белым осадком; её рН = 10-11 ед.

При анодной (анолит) электрохимической обработке кислотность воды увеличивается, окислительно-восстановительный потенциал возрастает, несколько уменьшается поверхностное натяжение, увеличивается электропроводность, возрастает количество растворённого кислорода, хлора, уменьшается концентрация водорода, азота, изменяется структура воды (Бахир В.М., 1999). Анолит— коричневатая, кисловатая, с характерным запахом и рН = 4—5 ед.

Электрохимическая очистка распространена в России, но не применяется в быту на Западе (используется только для промышленной очистки, но не для очистки питьевой воды).

ВНИИМТ НПО ЭКРАН выпускается электролизная установка для получения активированных растворов воды СТЭЛ, имеющая сертификат Санэпиднадзора РФ, которая модернизирована для получения строго стандартных растворов католита и анолита (устройство и способ получения растворов патентуются). Она состоит из стеклянного стакана, двух электродов – катода и анода и гидрозатвора.

Электрохимическая очистка действительно позволяет очистить воду от примесей. Но при этом в воде происходят и деструктивные процессы. Кроме того, поскольку точный состав исходной воды неизвестен, никто не знает, как при воздействии на эту воду сильного электрического тока содержащиеся в ней вещества прореагируют между собой. В результате этих реакций могут образоваться не полезные для организма соединения, в т.ч. радикалы и др.

Магнитная обработка воды

Принцип действия таких магнитных приборов - магнитное взаимодействие ионов металлов, присутствующих в воде (магнитный резонанс) и одновременно протекающий процесс химической кристаллизации. Ферромагнитные частицы, растворенные в воде, под действием постоянных магнитов с весьма сильным магнитным полем, становятся центрами электрохимической кристаллизации, связывая при этом ионы кальция и магния, которые составляют основу жесткости воды.

Существует ряд гипотез воздействия магнитного поля на ионы солей, растворенных в воде. Первая состоит в том, что под влиянием магнитного поля происходит поляризация и деформация ионов, сопровождающаяся уменьшением их гидрации (степени «рассеянности» в толще воды), повышающей вероятность их сближения и, в конечном счете, образования центров кристаллизации; вторая предполагает действие магнитного поля на коллоидные примеси воды; третья гипотеза объединяет представления о возможном влиянии магнитного поля на структуру воды. Это влияние, с одной стороны, может вызвать изменения в агрегации молекул воды, с другой – нарушить ориентацию ядерных спинов водорода в ее молекулах.

В генерируемом приборе магнитном поле молекулы воды под действием силы Лоренца начинают совершать колебательные движения. Магниты расположены определенным образом - так, чтобы магнитное поле устройства вызвало резонанс диполей воды. За счет имеющийся в данной системе топографии поля, достигается максимальная эффективность воздействия магнитного поля на воду Вызванный таким образом резонанс приводит к отделению молекул воды от микровключений, которые под действием силы взаимного притяжения вступают во взаимодействие друг с другом. При этом ионы кальция начинают осаждаться на поверхности этих свободных примесей - центрах кристаллизации, образуя так называемые микрокристаллы. В свою очередь образовавшиеся микрокристаллы будут предотвращать нарастание накипи на внутренних поверхностях системы. Процесс этот лавинообразный - новые ионы кальция прикрепляются к уже высадившемуся кальцию на поверхности микрокристаллов. Таким образом, ионы кальция не выпадают в виде накипи на нагреваемых поверхностях и стенках труб.

Микрокристаллы остаются в толще воды и выносятся в дренаж. Кроме того ионы кальция из уже выпавшего осадка на поверхности оборудования начинают отрываться и присоединяются ко вновь образованным микрокристаллам в толще воды. Со временем старая накипь разрыхляется и полностью вымывается с поверхности труб и нагревательных элементов. Таким образом, понижая поверхностное натяжение воды, стабилизируя ее pH-фактор и создавая режим мягкой воды, магнитный активатор растворяет обычно нерастворимую накипь и жестко связанные минеральные отложения в трубах. Прочный кристаллический кальцит формируется в каллоидную взвесь, которая свободно вымывается водой или может быть отфильтрована, промыта или механически очищена в закрытой системе циркуляции как легко устранимый шлам.

Метод магнитной обработки воды не требует каких-либо химических реактивов и поэтому является абсолютно экологически чистым.

Обработка воды в магнитном поле в основном применяется для борьбы с солями жёсткости и накипеобразованием. Сущность метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий катионы солей жесткости выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Метод эффективен при обработке вод кальциево-карбонатного класса, которые составляют около 80% вод всех водоемов нашей страны и охватывают примерно 85% ее территории.

Уменьшение образования накипи и других отложений солей остается наиболее широкой областью применения магнитной обработки. Если в воде присутствуют диссоциирующие соли (реальная вода), при магнитной обработке происходит несколько процессов:

-смещение электромагнитными силами полей равновесия между структурными компонентами воды;

-физико-химический механизм увеличения центров кристаллизации в объеме жидкости после ее магнитной обработки, а также изменение скорости коагуляции (слипания и укрупнения) дисперсных частиц в потоке жидкости.

Магнитная обработка водных систем приводит к следующим физико-химическим изменениям: скорость растворения неорганических солей увеличивается в десятки раз (для MgSO4 - в 120 раз!), в воде после магнитной обработки увеличивается концентрация растворенного кислорода.

Также имеются данные, указывающие на бактерицидное действие магнитной обработки воды. По сравнению с традиционным умягчением воды ее магнитная обработка более проста, безопасна и экономична. Обработанная магнитным способом вода не приобретает никаких побочных, вредных для здоровья человека свойств и не меняет солевой состав, сохраняя вкусовые качества питьевой воды. На затравочных кристаллах образуются дополнительные центры кристаллизации солей кальция и магния. Образованные агрегатные структуры остаются во взвешенном мелкодисперсном состоянии и вымываются потоком воды. Рост кристаллов особенно наглядно проявляется при нагреве воды. При этом вода слегка мутнеет. Это обусловлено тем, что, медленно разрастаясь, кристаллы начинают рассеивать свет. Максимально их величина может достигать лишь тысячной доли миллиметра, что не дает им возможности образовывать твердые отложения в виде осадка и накипи. Обработанная таким образом вода сохраняет антинакипный эффект в течение 28 суток. Магнитная обработка воды также влияет на электрокинетический потенциал и агрегативную устойчивость взвешенных частиц, благодаря чему ускоряет их осаждение, т.е. способствует извлечению из воды разного рода взвесей. Прямое воздействие магнитного поля на ионы примесей способствует активации процессов адсорбции и открывает широкие перспективы для водоподготовки в целом.

Рис. Гидромагнитные насадки.

Гидромагнитные системы (ГМС) могут быть установлены как в промышленных, так и бытовых условиях: в магистралях подающих воду в водопроводные сети горячей и холодной воды в доме, бойлерах, проточных водонагревателях, паровых и водяных котлах, системах охлаждения различного технологического оборудования (компрессорные станции, мощные электрические машины, термическое оборудование), стиральных и посудомоечных машинах. Хотя ГМС рассчитаны на расход воды от 0,08 до 1100 м3/час, соответственно на трубопроводы диаметром 15-325 мм, однако есть опыт создания магнитных аппаратов для ТЭЦ с размерами трубопровода 4000 х 2000 мм.

ГМС выгодно отличаются от подобных устройств на основе электромагнитов и магнитотвердых ферритов: отсутствуют - потребление электроэнергии и проблемы, связанные с ремонтом при электрическом пробое обмоток электромагнита, имеют более высокие градиенты магнитных полей, необходимых для эффективной работы устройства.

Обратный осмос

В настоящее время все более популярными для полной очистки воды от многих солей становятся фильтры, работающие по принципу обратного осмоса. В таких фильтрах имеется специальная мембрана, а движение воды через нее из более концентрированного раствора в направление менее концентрированного.

Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся солесодержащие растворы с разной концентрацией, молекулы воды будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Из-за явления осмоса процесс проникновения воды через мембрану наблюдается даже в том случае, когда оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением.

Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется "осмотическим давлением".

В случае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление, превышающее осмотическое, молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Этот процесс называется "обратным осмосом". По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса.

В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем все выше описанные традиционные методы фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.

По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса. Процесс обратного осмоса осуществляется на осмотических фильтрах, содержащих специальные мембранах, задерживающих растворенные в воде органические и минеральные примеси, бактерии и вирусы. Очистка воды происходит на уровне молекул и ионов, заметно уменьшается общее солесодержание в воде. Много домашних фильтров обратного осмоса используются в США и Европе для очистки муниципальной воды с содержанием солей от 500 до 1000 мг/л; обратноосмотические системы высокого давления очищают солоноватую и даже морскую воду (36000 мг/л) до качества нормальной питьевой воды.

Фильтры на основе обратного осмоса удаляют из воды ионы Na, Са, Cl, Fe,Ca, Mg, тяжелых металлов, инсектициды, удобрения, мышьяк и многие другие примеси. «Молекулярное сито», которое представляют собой обратноосмотические мембраны, задерживает практически все примесные элементы, содержащиеся в воде, независимо от их природы, что оберегает потребителя воды от неприятных сюрпризов, связанных с неточным или неполным анализом исходной воды, особенно из индивидуальных скважин.

В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.

Основным элементом обратноосмотических установок является мембрана. Исходная, загрязненная различными примесями и частицами, вода пропускается через поры мембраны, столь мелкие, что загрязнения сквозь них практически не проходят. Для того чтобы поры мембраны не забивались, входной поток направляется вдоль мембранной поверхности, который вымывает загрязнения. Таким образом, один входной поток разделяется на два выходных потока: раствор, проходящий через мембранную поверхность (пермеат) и часть исходного потока, не прошедшего через мембрану (концентрат).

Обратноосмотическая полупроницаемая мембрана представляет собой композитный полимер неравномерной плотности, изготовленный из нитрата целлюлозы. Как показала многолетняя практика, этот материал обеспечивает оптимальные условия роста задержанных микроорганизмов, исключая получение ложного отрицательного результата.

Мембранный фильтр состоит из нескольких слоев, которые соединены вместе и обмотаны вокруг пластиковой трубки. Материал мембраны полупроницаем. Вода продавливается через полупроницаемую мембрану, которая отторгает даже низкомолекулярные соединения. Схематическое изображение мембраны приведено ниже.

Этот полимер образован из двух слоев, неразрывно соединенных между собой. Наружный очень плотный барьерный слой толщиной около 10 миллионных см лежит на менее плотном пористом слое, толщина которого составляет пять тысячных см. Осмотическая мембрана действует как барьер для всех растворенных солей и неорганических молекул, а также органических молекул с молекулярной массой более 100. Молекулы воды свободно проходят через мембрану, создавая поток пермеата. Качество пермеата сопоставимо с качеством обессоленной воды, полученной по традиционной схеме Н-ОН-ионирования, а по некоторым параметрам (окисляемость, содержание кремниевой кислоты, железа и др.) превосходит её.

Обратноосмотическая мембрана — это прекрасный фильтр и теоретически содержание растворенных минеральных веществ в полученной в результате фильтрации чистой воде должно составлять 0 мг/л, неза­висимо от их концентрации во входящей воде.

В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Фактически же, в нормальных рабочих условиях, из входящей воды извлекается 98 – 99 % растворенных в ней минеральных веществ. В полученной в результате фильтрации чистой воде, остается 6 – 7 мг/л растворенных минеральных веществ.

Обратноосмотические фильтры получают все большую популярность в бытовом использовании благодаря надежности, компактности, удобству в эксплуатации и, конечно же, стабильно высокому качеству получаемой воды. Многие потребители утверждают, что только благодаря обратному осмосу узнали настоящий цвет чистой воды.

Большинство фильтров на основе обратного осмоса, используемых в жилых помещениях, комплектуются композитными тонкопленочными мембранами, способными задерживать от 95 до 99% всех растворенных веществ. Эти мембраны могут работать в широком диапазоне рН и температуры, а также при высоких концентрациях растворенных в воде примесей.

Ключевая компонента такой системы – полупроницаемая мембрана, обеспечивающая степень очистки воды до 98-99% в отношении практически любых загрязнителей. Мембрана пропускает через себя лишь молекулы воды, отфильтровывая всё остальное. Характерный размер пор мембраны – 1 Ангстрем (10^-10 м). Благодаря такой очистке из воды удаляются растворенные неорганические и органические соединения, а также тяжелые металлы, бактерии и вирусы.

В некоторых случаях применение обратного осмоса необходимо. Например, для умягчения воды. Обычно для этого применяют ионообменные смолы, которые заменяют в воде ионы кальция и магния, "ответственные" за жесткость, на ионы натрия. Соли натрия не образуют накипи и допустимые концентрации натрия в воде намного больше, чем кальция и магния. Поэтому обычно всё нормально. Но если жесткость очень большая, более 30 мг/экв/л, то при этом процессе происходит превышение и по натрию. Накипи не будет, но пить такую воду нельзя. Тут-то и нужен обратный осмос, чтобы убрать избыток натрия - произвести "умягчение" воды.

Сегодня на российском рынке представлены и другие разновидности фильтров мембранно-сорбционного класса. Отечественной промышленностью выпускаются и компактные обратноосмотические фильтры, предназначенные для очистки воды в походных или экстремальных условиях. Их основное достоинство - универсальность и компактность, их всегда можно взять с собой и иметь возможность воспользоваться фильтром в любой момент. Это телескопические трубки по форме и размерам с обычную авторучку. Несмотря на миниатюрность, подобные аппараты способны надежно очистить 10 л воды от бактерий, вирусов, хлора, фенола и токсичных металлов.

Но, несмотря на свои достоинства, осмотические фильтры нравятся не всем. Главный аргумент: "Что хорошего, когда вода идеально чистая? Ведь в ней нет микроэлементов". Ученые из НИИЭС и ГОС РАМН доказали, что в лит­ре питье­вой воды должно содержаться не менее 30 мг кальция и 10 мг магния – иначе нарушается водно-солевой баланс и даже повышается риск сер­дечно-сосудистых заболеваний. Дистиллированная вода не дает никаких микроэлементов, а наоборот, выводит их из организма, по­этому пить ее постоянно нельзя. Так что вместо мембранных фильтров, которые производят воду, близкую по составу к дистиллированной, может быть Вам лучше использовать фильт­ры на основе ионного обмена, или попробовать другие альтернативные методы очистки воды с использованием природных сорбен­тов - шунгита, цеоли­та, диатомита и др. Они очистят воду не хуже любого фильтра и добавят в нее минералы.

С уважением,

К.х.н. О.В. Мосин