Под "жёсткостью воды" принято понимать наличие в воде солей (гидрокарбонатов, сульфатов, силикатов и пр.) главным образом кальция, магния, стронция, бария. Для обывателя использование такой воды черевато образованием известкового камня на поверхностях, контактирующих с водой (в особенности с горячей). В подавляющем большинстве случаев проблемы доставляют именно гидрокарбонаты и сульфаты кальция и магния (остальные соединения обычно встречаются в незначительных концентрациях) поэтому рассмотрим эти соединения более предметно.
Гидрокарбонаты кальция и магния при нагревании (кипячение) разрушаются поэтому эту составляющую "жёсткости" принято считать временной (устраняемой кипячением), а составляющую, состоящую из сульфатов, силикатов и пр. - постоянной. Суммируя концентрации этих соединений мы получим величину "общей жёсткости", которой и оперируют в анализах и при расчёте оборудования. Исходя из фактического значения общей "жёсткости воду" принято классифицировать следующим образом: - при "общей жёсткости" до 1,5 ммоль/л (мг-Экв/л) воду принято считать очень мягкой; при "общей жёсткости" - 1,5 - 4 ммоль/л мягкой ; при "общей жёсткости" 4 - 8 ммоль/л жёсткой, а от 8 ммоль/л очень жёсткой. Таким образом при значении жёсткости выше 2 -3 ммоль/л следует рассмотреть возможность умягчения воды, если это предполагает экономическую целесообразность. Например покупать оборудование умягчения воды для одного бойлера при суточном расходе 200 - 400 л воды экономически не имеет смысла. Проще купить новые нагревательные элементы или сам бойлер.
Итак, чтобы сделать воду мягче следует убрать из неё соли кальция, магния, о которых шла речь выше. Как это возможно сделать? Первым на ум приходит распространённый метод опреснения воды, а именно обратный осмос, в частности получивший широкое распространение среди бытовых систем получения питьевой воды. Действительно этот метод подходит для целей умягчения, но аппаратное решение будет очень сложным и дорогим, если рассматривать системы с производительностью 200 - 300л в час. Поэтому использование обратного осмоса для умягчения воды целесообразно при работе с жёсткой и солёной водой (сухой остаток более 1500 мг/л), а не для умягчения воды с жёсткостью 5 - 20 ммоль/л.
Применять малогабаритные системы обратного осмоса целесообразно в случае снижения "общей жёсткости" для питьевой воды, так как в этом случае система обладает приемлимой стоимостью и не добавляет в воду катионы натрия, как технология умягчения воды ионным обменом, речь о которой пойдёт ниже.
Следующей технологией по умягчению воды является технология ионного обмена. Суть технологии заключается в том, что катионы кальция и магния "удаляются" из воды на специальных материалах, а в воду добавляется вместо них добавляются катионы натрия, соли которого растворимы в воде и поэтому не образуют накипь, т.е. происходит обмен одних катионов (ионов) на другие. Поэтому данный метод и получил название ионного обмена. Технически для бытового применения это выглядит следующим образом:
В фильтрующую ёмкость (синяя колба; бывают разного размера исходя из фактических задач, требуемой производительности, величины "общей жёсткости") засыпается ионообменный фильтрующий материал. В бытовой водоподготовке применяются синтетические ионобменные фильтрующие материалы, имеющие форму шариков размером 1 -2 мм. Жёсткая вода поступает в верхнюю часть колонны и проходит сквозь толщу фильтрующего материала, где происходит реакция ионного обмена. В результате катионы кальция и магния остаются на фильтрующем материале, а после фильтра поступает уже мягкая вода с катионами натрия. Следует отметить, что фильтрующий материал обладает определённой ёмкостью по связыванию катионов кальция и магния и когда ресурс материала иссякает он перестаёт работать - умягчать воду. Для восстановления ресурса фильтрующего материала через него следует пропустить раствор поваренной соли в концентрации 10 - 12 %, что вызовет обратное замещение. Катионы кальция и магния уйдут вместо с раствором в канализацию и на их место встанут катионы натрия и фильтрующий материал будет снова готов к эксплуатации. Для приготовления раствора служит серый бак, который находится рядом с фильтром. Собственно говоря, задача пользователя в этом случае просто засыпать соль в бак (для этих целей она продаётся прессованной в таблетки в мешках различной фасовки). Автоматика фильтра сама заливает воду в бак, где образуется насыщенный раствор поваренной соли и во время регенерации (восстановление фильтрующей способности ионобменного фильтрующего материала) засасывает этот раствор в корпус фильтра. Задача пользователя следить за наличием соли в солевом баке (например, если остаётся 30 % от предыдущей загрузки мешка 25 кг, необходимо засыпать новый мешок соли. При жёсткости воды 8 ммоль/л (мг-Экв/л) расход соли составляет величину порядка 600 г на один кубометр умягчённой воды. Отметим, что весь поток воды вовсе не обязательно пропускать через фильтр, наоборот это даже не желательно. При фильтровании всего потока воды жёсткость уменьшается до значений 0,2-0,3 мг-Экв/л, и вода становиться избыточно мягкой - мылкой. Такая избыточная мягкость воды не нужна ни для техники ни для человека. К тому же понапрасну расходуется солевой раствор. Поэтому принято умягчать не весь поток воды, пуская часть воды мимо фильтра умягчителя. Таким образом регулируя процент подмеса жёсткой воды мы можем настроить оптимальную жёсткость (около 2 мг-Экв/л).
Для расчёта фильтра умягчения воды ионным обменом необходимо делать полноценный анализ воды, который должен включать как минимум следующие показатели: "жёсткость общая", "железо", "марганец", "мутность", "цветность", "пермангантная окисляемость", кроме того при подозрении на солёную воду необходимо знать величину солесодержания (сухой остаток). Технология не применима при наличии тухлого запаха от воды.
Поговорим о недостатках метода, первым из которых является то, что он реагентный. При "общей жёсткости" 8 ммоль/л и текущих ценах на соль (24 р/кг) стоимость одного кубометра очищенной воды будет составлять величину порядка 15 рублей. Кроме того, осуществляются сливы солёной воды в очистные сооружения, но к примеру при "общей жёсткости 8 ммоль/л" и установке наиболее распространённого типоразмера фильтра умягчителя на колонне типоразмером 10*54 (40 л фильтрующего материала) регенерация фильтра будет производиться через каждые 7 кубометров очищенной воды и сток будет содержать в себе 5 кг соли, что в принципе не является критической величиной, так как объём воды в 7 кубометров расходуется в среднем до двух недель. Еще одним негативным фактором является, что в очищенную воду добавляется катион натрия (на каждый 1 ммоль/л "общей жёсткости" в 1 литр умягчаемой воды добавляется 23 мг натрия). Рекомендуемый норматив по концентрации натрия в питьевой воде высшей категории составляет величину не более 20 мг/л, то есть получаемая после умягчения вода содержит избыточную концентрацию натрия для качественной питьевой воды. Впрочем, этот вопрос несложно решить установкой обратного осмоса.
Помимо недостатков у метода ионного обмена для умягчения воды есть и преимущества. Этот метод, в отличие от обратного осмоса не является дорогостоящим, не дорог в обслуживании и эффективен. Поэтому на текущий момент он является наиболее распространённым.
Нельзя не отметить магнитные методы борьбы с жёсткостью воды. В общих чертах, обрабатываемая вода с определённой скоростью и турбулентностью потока проходит через приложенное перпендикулярно магнитное поле, которое может создаваться постоянными магнитами или электромагнитами. Такая обработка имеет целью не убрать из воды катионы кальция и магния, а образовать посредством процесса кристаллизации их солей в воде рыхлый осадок, который не будет липнуть на контактирующие с водой поверхности, т.е. образовывать известковый камень (накипь). Казалось бы, что проблема решена, но практике всё совсем не однозначно. Расчётами таких систем для бытового применения никто не занимается, но за то расплодилась куча жуликов, торгующих красивыми приборами с волшебными свойствами. Поэтому потребитель не видит каких либо значащих результатов от омагничивания воды. Что касается промышленного применения, где значащие параметры хотя бы как то пытаются учитывать - сталкиваются с постоянными проблемами, такими как "магнитная релаксация", осаждение образующегося осадка в технологических полостях и прочие трудности.