С жесткой водой сталкивается каждый, достаточно вспомнить о накипи в чайнике. В жесткой воде хуже пенится стиральный порошок и мыло. Жесткая вода не годится при окрашивании тканей водорастворимыми красками, в пивоварении, производстве водки, негативно влияет на стабильность майонезов и соусов. Чай и кофе тоже лучше заваривать мягкой водой.
Жесткость воды определяется суммарным содержанием в ней растворенных солей кальция и магния. Гидрокарботаны кальция и магния образуют карбонатную или временную жесткость воды, которая полностью устраняется при кипячении воды в течение часа. В процессе кипячения растворимые гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты, выпадающие в виде белого осадка или накипи, с выделением при этом углекислого газа. Соли же сильных кислот, например, сульфаты и хлориды кальция и магния – образуют некарбонатную или постоянную жесткость, не изменяющуюся при нагревании воды.
Высокая гидрокарбонатная (временная) жесткость воды делает её непригодной для питания котлов и бойлеров. Стенки котлов постепенно покрываются слоем накипи. Слой накипи в 1,5 мм снижает теплоотдачу на 15%, а слой толщиной 10 мм – снижает теплоотдачу уже на 50%. Снижение теплоотдачи ведет к увеличению расхода топлива или электроэнергии.

Распространено мнение, что жесткая вода – это плохая вода. В действительности ситуация с солями жесткости не так однозначна. Чрезмерная мягкость воды, с другой стороны, является одним из основных факторов, влияющих на её коррозионную активность. Коррозия ведет не только к утечкам в металлических трубопроводах, разрушению и поломке оборудования, но и к ухудшению химического и микробиологического состава воды в водопроводе
В тех случаях, когда вода слишком жесткая и её необходимо умягчить, применяют следующие методы – термический, дистилляцию или вымораживание, реагентныи, ионообменный, комбинированный, представляющего собой различные сочетания перечисленных методов.

Термический способ, связан с нагревом воды, снижает только временную (карбонатную) жесткость. В бытовых условиях этот способ применяет каждая хозяйка, кипятя воду; в промышленности этот метод практически не применяют.

Реагентное умягчение воды производится за счет добавления в воду соды или гашеной извести. При этом ионы кальция и магния переходят в нерастворимые соединения, выпадающие в виде осадка. Реагентный метод хорош только для больших станция водоподготовки, поскольку связан с рядом специфических проблем: утилизации твердого осадка, необходимости точной дозировки химикатов и их правильной подачи в исходную воду.

Умягчение воды катионированием наиболее широкое распространение получили установки умягчения воды с ионообменной смолой. Ионообменные смолы при контакте с водой поглощает ионы кальция и магния, отдавая взамен ионы натрия или водорода, называясь, соответственно, Na-катионитовой и Н-катионитовой. Na-катионитовые загрузки регенерируются раствором поваренной соли (NaCI) или сернокислого натрия (Na2S04). Н-катионитовые згрузки регенерируют раствором серной (H2SO4) или соляной (НСl) кислот.
При регенерации происходит обратный ионный обмен – ионы кальция и магния удаляются из катионита, который вновь насыщается ионами натрия или водорода. Частота регенерации рассчитывается исходя из жесткости исходной воды, водопотребления и емкости катионита по отношению к солям жесткости.
Натрий-катионированиее применяют для умягчения воды с содержанием, не более: взвеси – 8 мг/л, цветностью – 30 град платиново-кобальтовой шкалы, солесодержания 1000 мг/л, окисляемостью перманганатной – 5 мгО/л. Жесткость воды снижается при параллельноточном одноступенчатом катионировании – до 0,05-1,0 ммоль/л, при двухступенчатом – до 0,005-0,02 ммоль/л. Показатель жесткости зависит от многих факторов, в том числе от скорости фильтрования, исходной минерализации воды и т.д. По мере протекания воды через слой катионита, ранее заряженный ионами натрия, последние замещаются ионами кальция и магния, то есть катионит «истощается». Тогда его следует регенерировать. Регенерация Na-катионита достигается фильтрованием через него раствора хлорида натрия (поваренной соли).
Поваренную соль применяют для регенерации из-за ее доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получают при этом хорошо растворимые соли СаСl2 и МgСl2 легко удаляемые с регенерационным раствором и отмывочной водой.
Метод умягчения, при котором подача фильтруемой воды и регенерирующего раствора осуществляется в противоположных направлениях называется противоточным катионированием. При таком способе фильтруемая вода соприкасается с наиболее полно отрегенерированными слоями катионита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. При этом значительно снижается расход реагентов на регенерацию катионита без уменьшения глубины умягчения.
Водород-катионирование (Н-катионирование) основано на фильтровании воды через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов ион водорода. При Н-катионировании воды значительно снижается ее рН из-за кислот, образующихся в фильтрате. Н-катионирование чаще используют для удаления “временной” карбонатной жесткости т. е. происходит “декарбонизация” воды. Выделяющийся при Н-катионировании оксид углерода (IV) можно удалить дегазацией, и в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию сульфатов и хлоридов в исходной воде.

Некарбонатная жесткость – называемая также «остаточная» жесткость – при этом остается. Следовательно, пропорционально смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со щелочным фильтратом после Na-катионитовых фильтров, можно получить умягченную воду с различной щелочностью. В этом заключается сущность и преимущество Н-Na-катионитового метода умягчения воды. Применяют параллельное, последовательное и смешанное (совместное) Н-Na-катионирование.
Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями. В соответствии с рекомендациями СНиП при умягчении подземных вод следует применять ионообменные методы; при умягчении поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды – известковый или известково-содовый метод, а при глубоком умягчении воды – последующее катионирование.