ChSTU repository

 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
КАФЕДРА ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ВОДООЧИЩЕННЯ 
 
Реєстраційний №________  
          «Допущено до захисту» 
     Завідувач кафедри  д.т.н., 
професор 
     _________Геннадій 
СТОЛЯРЕНКО 
                                                                   «____»  _________________2024р. 
 
 
 
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА 
на тему 
«ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПОМ’ЯКШЕННЯ ВОДИ  
В ТЕХНОЛОГІЇ ФАРБУВАННЯ ТКАНИНИ  
НА ПрАТ «ЧЕРКАСЬКИЙ ШОВКОВИЙ КОМБІНАТ» 
за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія» 
 
        Науковий керівник            Виконавець роботи 
        к.т.н., доцентка            магістрантка 
  
__________Мирослава КОВАЛЬ  _____________Аліна ОРИШЕЧКО  
  
  
  
      Нормоконтроль                         Наталія ФОМІНА 
  
 
 
Черкаси 2024 
1 АНАЛІЗ ТА ОПИС ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ ІНФРМАЦІЇ 
 
Приватне акціонерне товариство «Черкаський шовковий комбінат» 
(«ЧШК») – одне із найбільших підприємств легкої промисловості України, 
яке випускає готові  тканини із хімічних волокон і ниток, змішаних 
(незмішаних) волокон, штучних і натуральних волокон,  бавовняних волокон, 
залежно від замовлень споживачів [1].  
Сучасні текстильні комбінати середньої потужності (500-700 тис. м 
тканини за добу) витрачають близько 25 тис. м3 свіжої води і більше 80% 
скидають в каналізацію. 
Система підготовки води для технологічних процесів оздоблювальних 
виробництв текстильної промисловості включає освітлення, знебарвлення і 
пом’якшення вихідної води і стабілізацію її складу. При цьому ступінь 
очищення води за показниками прозорості, кольоровості, мінералізації, 
активної реакції, відсутності токсичних речовин і синтетичних ПАР 
практично однакова із ступенем очищення води для господарсько-питних 
цілей. 
До якості води, що використовується для технологічних цілей 
оброблювального виробництва, в ряді випадків пред’являються підвищені 
вимоги, зумовлені характером технологічних процесів: 
1) загальна твердість пом’якшеної води не більше 0,5 мг·екв./л; 
2) при фарбуванні волокна і пряжі загальна твердість гарячої води складає 0,5 
мг·екв./л, а холодної 1,5 мг·екв./л; 
3) загальна твердість води для приготування розчину пероксиду водню 
становить не менше 3 мг·екв./л; 
4) карбонатна твердість не повинна перевищувати 0,25 мг·екв/л. 
На ПрАТ «ЧШК», так як і на будь-якому іншому підприємстві із 
виробництва тканин, необхідно використовувати пом’якшену воду для всіх її 
етапів підготовки до випуску тканини. 
Твердість води, зумовлена наявністю в ній солей кальцію та магнію, 
створює негативні ефекти під час мокрої обробки тканини: 
 зменшення розчинності текстильних барвників, які фарбують із 
технологічної фарбувальної ванни; 
 послаблення інтенсивності кольору та зміна відтінку барвника на 
тканині; 
 осадження на тканині йонів кальцію та магнію у вигляді білих 
карбонатів та гідроксидів цих металів під час процесу промивання 
(омилення) тканини при нагріванні чи при контакті з лугами під час 
фарбування [2]; 
 закріплення на волокнімалорозчинних олеатів і стеаратівпід час прання 
тканини та утримування адсорбційних часток забруднень, що веде до 
утворення плям, нерівномірності фарбувань, особливо темних відтінків. 
Для технологічних процесів обробки текстильних матеріалів необхідна 
вода певної якості. Для приготування розчинів мила, барвників, кислот і 
лугів можна використовувати воду, твердість якої не повинна бути вищою 
0,178-0,356 ммоль/дм3. Без пом’якшення допускається використання води з 
вмістом солей заліза до 0,1 мг/дм3, твердістю до 1,43ммоль/л[4]. Проблема 
використання твердої води для деяких обробок може бути частково 
дозволена використанням замість мила нових миючих засобів, нечутливих 
до солей, що створюють твердість води. 
Пом’якшення води використовують для забезпечення рівномірного 
профарбовування тканини та певної економії витрат барвників та інших 
матеріалів. 
Якщо воду не пом’якшувати, то тоді зменшиться вибір хімічних 
реактивів та барвників, які можна використовувати при фарбуванні та 
обробці тканин, збільшиться їх кількісне використання. Це відбувається в 
зв’язку з тим, що солі твердості зв’язують хімічні матеріали, барвники і цей 
осад залишається на поверхні тканини. Утворений осад погано вимивається з 
тканини та зменшує рівень її міцності. 
При твердості більшій ніж 0,15 - 0,20 мг·екв./л, барвник не 
закріплюється на тканині і через це виникає необхідність повторної обробки 
та фарбування, що призводить до утилізації сувою бракованої тканини.  
В зв’язку з цим, було прийняте рішення про встановлення спеціального 
обладнання на території фарбувального цеху, яке забезпечуватиме всі 
процеси і етапи виробництва пом’якшеною водою, що, в свою чергу, відразу 
забезпечить отримання тканини заданого та якісного кольору. 
 
1.1 Характеристика методів пом’якшення води 
 
При проведенні технологічних операцій фарбувально-
опоряджувального виробництва вода використовується у великих кількостях 
в якості розчинника для різних хімічних матеріалів при наповнюванні ванн, 
вона є середовищем для здійснення хімічних процесів обробки і засобом для 
видалення забруднень і хімічних матеріалів шляхом промивання. 
Для видалення завислих частинок з метою отримання прозорої і не 
кольорової води, використовують фільтрацію і відстоювання в спеціальних 
резервуарах - відстійниках. 
Види виробництв до технологічної води пред'являють вимоги 
глибокого її пом'якшення, тобто до 0,05-0,1 мг-екв/л. На очищення повинна 
надходити вода після попереднього очищення, з мутністю не більше 5-8 мг/л, 
окислюваністю не більше 15 мг/л.  
Відомо, що вода, яка надходить із різних джерел водопостачання, 
містить в різних кількостях і відношеннях мінеральні розчинні, колоїдні і 
нерозчинні речовини, а також органічні добавки. Наявність у воді 
різноманітних мінеральних і органічних з’єднань може слугувати джерелом 
виникнення на волокні текстильних виробів при взаємодії з хімічними 
матеріалами, що використовуються для обробки чи присутніми на самому 
волокні, різних дефектів, важко або тими, що зовсім не видаляються в 
наступних операціях [3].  
Пом’якшення води - це процес видалення з неї катіонів кальцію і 
магнію, які обумовлюють твердість води.  
Для пом’якшення води можна застосувати такі методи: реагентний, 
термохімічний, катіонітовий  [4].  
Реагентний метод полягає у зв’язуванні іонів кальцію та магнію 
хімічними речовинами в малорозчинні та осідаючі – кальцію карбонат і 
магнію гідроксид. Залежно від використаної хімічної речовини цей метод 
поділяється на вапняний, содовий, їдконатрієвий, фосфатний. Реагентне 
пом’якшення води здійснюють на установках, до складу яких належить 
реагентне господарство, змішувач або вихровий реактор, прояснювачі із 
завислим осадом або відстійники з камерами утворення пластівців, швидкі 
фільтри, пристрої для стабілізаційної обробки пом’якшення води. 
Термохімічний методґрунтується на нагріванні води до температури 
100-165°С разом із реагентом – вапном, содою. Термохімічний метод 
використовується при обробці підігрітої води парових котлів. При більш 
гарячій воді утворюються великі і важкі пластівці, які краще затримуються у 
відстійниках або прояснювачах із шаром завислого осаду та фільтрах.  
Катіонітовий метод передбачає обмін іонообмінними матеріалами 
катіонів натрію або водню на катіони кальцію та магнію (Na-катіонування, 
Н-катіонування). Суть іонного обміну полягає в здатності іонообмінних 
матеріалів або іонітів поглинати з води (розчинів електроліту) позитивні або 
негативні іони в обмін на еквівалентну кількість іонів іоніту. Процес обробки 
води методом іонного обміну, в результаті якого відбувається обмін катіонів, 
називається катіонообмінним. Катіони у воді розбухають, збільшуючись в 
об'ємі. Відношення об'ємів однакових мас катіонітів в набряклому і 
повітряно-сухому стані називають коефіцієнтом набухання. Коефіцієнт 
виражається відношенням насипної щільності повітряно-сухого і набряклого 
іонітів. 
Катіоніт має певну обмінну ємність, яка визначається кількістю 
катіонів, котрі він може обміняти протягом фільтроциклу. Обмінна ємність 
поділяється на повну й робочу. Повна обмінна ємність визначає кількість 
грам-еквівалентів катіонів затриманих одним м3катіоніту до моменту 
зрівняння твердості вихідної води й фільтрату [4]. Робоча обмінна ємність 
має менше значення та обмежується моментом проникнення у фільтрат 
катіонів. Вона дорівнює: 
 
Eроб = α β Епов – 0,5 qпитТв, 
 
де α – коефіцієнт ефективності регенерації, який враховує неповноту 
регенерації катіоніту і приймається залежно від питомих витрат солі на 
регенерацію (0,62 при питомих витратах 100 г/г-екв, 0,74 – 150 г/г-екв);  
Епов – повна обмінна ємність, г-екв/м3;  
qпит – питомі витрати води на відмивку, м3/м3катіоніту (для 
сульфовугілля – 4, для КУ-2 – 6);  
Тв – загальна твердість вихідної води, г-екв/м3;  
β – коефіцієнт зниження ємності катіоніту через вплив катіонів натрію. 
 
Після використання обмінної ємності фільтра катіоніту він 
регенерується розчином технічної вивареної солі (Na-катіонітові) чи 
сульфатної кислоти (Н-катіонітові), які у зворотному напрямку обмінюють 
катіони.  
У результаті процесу лужність води зменшується, а солевміст збільшується. 
Для зменшення твердості води в оброблювальному виробництві 
використовують натрій гексаметафосфат, який комплексно зв’язує іони кальцію і 
магнію, усуваючи їх взаємозв’язок з милом та барвниками. Схему реакції між 
натрій гексаметафосфатом і солями кальцію та магнію можна представити в 
наступному вигляді: 
 
Na2[Na4(PО3)6] + СаСО3 → Na2[Na2Ca(PО3)6] + Na2CО3; 
Na2[Na2Ca(PО3)6] + СаСО3→ Na2[Ca2(PО3)6] + Na2CО3. 
 
Для пом’якшення води достатньо ввести до 0,15 г реагенту на кожні 0,356 
мг-екв солей твердості в 1 л води. Необхідно враховувати, що при температурі 
вище 70°С і особливо при кип’ятінні натрій гексаметафосфат гідролізується в 
ортофосфат, не проявляючи пом’якшувальних властивостей [1]. 
У фарбувальному цеху «ЧШК» встановлені Na-катіонітові фільтри 
вертикального типу. Вертикальні фільтри мають діаметр від 1 до 3,4 м та висоту 
3,7-5,3 м, горизонтальні – діаметром 3 м мають довжину 5,5 м. Вертикальні 
фільтри можуть бути двох типів: Na-катіонітовий та Н-катіонітовий. 
Використовувані водні джерела мають твердість, що відповідає нормам 
господарсько-питних вод, і в пом'якшенні не потребують. Пом'якшення води 
здійснюють в основному при її підготовці для технічних цілей [4].  
Вибір методу пом'якшення води визначається її якістю, необхідної глибини 
пом'якшення і техніко-економічними міркуваннями. У відповідності з 
рекомендаціями СНіПа, при пом'якшенні підземних вод слід застосовувати 
іонообмінні методи; при пом’якшенні поверхневих вод, коли одночасно потрібно 
і освітлення води - вапняний або вапняно-содовий метод, а при глибокому 
пом'якшенні води - подальше катіонування. 
На ПрАТ «ЧШК» використовують Na-катіонітові фільтри, резервуари 
для перебігу цього процесу заповненні іонообмінними смолами. 
Іонообмінні смоли - це речовини, здатні до іонного обміну при 
контакті з розчинами електролітів. Іонообмінне очищення дозволяє 
витягувати і утилізувати широкий спектр забруднюючих речовин: важкі 
метали, хром, нітрати і нітрити, ПАР, ціанисті сполуки, радіоактивні 
речовини, а також пом’якшує і видаляє залізо з води. При цьому досягається 
висока ступінь очищення (до рівня ГДК). 
Крім того, іоніти використовуються для знесолення води в процесі 
водопідготовки. Неорганічні й органічні іоніти можуть бути природними 
(наприклад: цеоліти, целюлоза, торф, деревина) і синтетичними (силікагель, 
сульфазол і найбільш важливі іонообмінні смоли). За знаком заряду обміну 
іонів всі іоніти поділяють на катіоніти, що виявляють кислотні властивості і 
аніоніти, що володіють основними властивостями. Залежно від ступеня 
дисоціації іонообмінні смоли можуть бути сильними і слабкими. Залежно від 
роду іонів, які пов'язані з активними групами іоніту, розрізняють наступні 
його форми: для катіонітів - водневу форму (Н - форма) та сольову форму, 
коли активні групи пов'язані з іонами металів (наприклад, Na- форму, NH4- 
форму), для аніонітів ОН-форму, Сl-форму та інші.Спроможністьіонітів до 
повного обміну характеризується обмінною ємністю, що дорівнює числу 
його активних груп, які беруть участь в обміні. Для кількісної 
характеристики іонообмінних властивостей іонітів зазвичай визначають їх 
динамічну, а іноді повну (загальну) обмінну ємність (статичну). 
Основні вимоги до іоніту, який використовується для очищення води: 
висока обмінна ємність, висока швидкість іонного обміну, достатня стійкість 
по відношенню до кислот, лугів, окислювачів і відновників, нерозчинність у 
воді, органічних розчинниках і розчинах електролітів, обмеження в 
набуханні. У водопідготовці в побутових умовах часто використовуються 
сильно-кислотні катіоніти вітчизняних та імпортних виробників переважно 
для пом'якшення і знезалізнення води. Наприклад, склад катіоніту можна 
виразити формулою Na2R, де Na+ - дуже рухливий катіон. Якщо пропускати 
тверду воду через шари катіоніту, то іони натрію обмінюються на іони 
кальцію і магнію: 
Са2 + + Na2R = 2Na+ +  CaR; 
Mg2 + + Na2R =2Na+ +MgR 
 
Таким чином, іони Ca2+і Mg2+переходять з розчину в катіоніт, а іони 
Na+ - з катіоніту в розчин, і твердість усувається. Після збіднення катіоніту 
іонами Na+катіоніти зазвичай регенерують. Їх витримують у розчині NaCl, де 
відбувається зворотне заміщення - іони Na+ переходять в катіоніт, а іони Са2+ 
і Mg2+ - в розчин: 
CaR + 2Na+ = Na2R + Са2+; 
MgR + 2Na+ = Na2R + Mg2+. 
Після цього регенерований катіоніт може бути використаний для 
пом'якшення нових порцій твердої води. Аналогічно і для аніонітів. 
На ступінь регенерації впливає тип іоніту, склад насиченого шару, 
природа, концентрація і розчин регенеруючої речовини, температура, час 
контакту і витрати реагентів. Відновлення обмінної ємності при регенерації 
звичайно становить 60 - 100%. 
У таблиці - 1.2 наведено основні катіони металів, що викликають 
твердість, і головні аніони, з якими вони асоціюються [3]. 
 
Таблиця 1.2 – Катіони металів, що викликають твердість води 
Катіони Аніони 
Кальцій (Са2+) Гідрокарбонат (HCO -
3 )  
Магній (Mg2+) Сульфат (SO 2-
4 ) 
Стронцій (Sr2+) Хлорид (Cl-) 
Ферум(Fe2+) Нітрат (NO -
3 ) 
Марганець (Mn2+) Силікат (SiO 2-
3 ) 
На практиці, стронцій, залізо і марганець здійснюють на твердість 
настільки невеликий вплив, що ними, як правило, нехтують. Алюміній (А13+) 
ітривалентне залізо (Fe3+) також впливають на твердість, але при рівнях pH, 
що зустрічаються в природних водах, їх розчинність і, відповідно, "внесок" у 
твердість мізерно малі. Аналогічно, не враховується і не значний вплив барію 
(Ва2+). 
 
1.2 Обґрунтування норм технологічних режимів 
 
До технологічного режиму пом’якшення води на Na-катіонітовому 
фільтрі відносять такі стадії: 
 - подача водних ресурсів; 
 - проходження води крізь механічні фільтри; 
 - надходження води в резервуари для пом’якшення води; 
 - процес пом’якшення води; 
 - постачання до накопичувальних баків; 
 - регенерація іонообміної смоли; 
 - відмивання смоли для подальшого використання; 
 - подача води в різні цехи виробництва.  
Спочатку вода із свердловин та з місцевого водопостачання проходить 
двома потоками через механічні фільтри, де очищається від піску та 
дрібнихзабруднень. 
Після механічного очищення, вода прямує на Na-катіонітовий фільтр 
для проходження процесу пом’якшення. У фільтрах встановлений клапан, 
який відкриває і закриває потік води при виникненні потреби. 
Пройшовши процес пом’якшення, вода по трубопроводу надходить до 
накопичувальних баків, де зберігається та очікує своєї подачі на виробничі 
установки. 
Виконавши заданий режим, блок управління автоматично розпочинає 
процес регенерації іонообмінної смоли. Він відбувається за допомогою 
спеціально приготованої солі. 
Сіль готується на хімічній станції, де її варять при температурі 90°С, 
щоб вона швидше розтанула. Після чого, її переливають в прийомні 
накопичувальні баки, щоб завжди був резерв солі.  
З накопичувальних баків сіль надходить до спеціальних резервуарів, 
які розташовані поряд з фільтром. В них сіль знаходиться в повній готовності 
для початку процесу регенерації.  
Іонний склад і ступінь розбухання частинок іонообмінної смоли є 
результатом рівноваги рушійних сил в системі частинка - вода. Разом з 
невеликою часткою енергії, що звільняється внаслідок гідратації 
функціональних груп, рушійні сили виникають в основному із-за різниці 
концентрацій між внутрішньою набряклою частинкою зерна і водою, що 
його оточує. Слідуючи за перепадом концентрації, протиіонифункціональних 
груп намагаються покинути частинку смоли і проштовхнути в неї молекули 
води. Це спричиняє за собою зсув потенціалу на граничній поверхні 
частинки. Міграція протиіонів і набухання смоли припиняються після 
досягнення умов мінімального запасу енергії. Усередині частинки 
акумулюються ті багатоатомні протиіони з невеликим радіусом, які 
асоціюються з функціональними групами з малим запасом енергії. Ця 
селективність, що є основою процесу, знижується із збільшенням 
концентрації середовища і зменшенням ступеню «зшивання» іонообмінника. 
Енергія входження різних катіонів в катіоніт по величині їх динамічної 
активності може бути охарактеризована для однакових умов наступним 
рядом: Nа+, < NH +,< К+< Mg2+
4 < Cа2+< Al3+< Fе3+, тобто чим більше заряд 
катіонів, тим більше їх енергія входження в катіоніт. Для катіонів однакової  
валентності енергія входження в катіоніт залежить від їх гідратації; що 
стосується енергії входження іона водню в катіоніт, то вона в 17 разів більше, ніж 
у натрію, і в 4 рази більше, ніж у кальцію. 
Основоположним чинником кінетики процесу є швидкість іонообміну між 
іонами води і омиваною частинкою смоли. Безпосередньо на зовнішній поверхні 
омиваної частинки утворюється нерухома водяна плівка, товщина якої залежить 
від швидкості потоку пом'якшуваної води і розмірів зерна смоли. Іон Са2+ або 
Мg2+, який прагне потрапити всередину частинки смоли, у функціональну групу, 
повинен дифундувати з води через плівку, пройти через граничну поверхню 
частинки і усередині смоли в розчині набухання спрямуватися до асоціації з 
функціональною групою. 
Швидкість обміну катіонів залежить від їх дифузії до поверхні розділу 
катіоніт — вода і визначається структурою катіоніту. При компактній структурі 
катіоніту обмін відбувається швидко і в основному на зовнішніх поверхнях — 
екстраміцелярний обмін . Проте, при цьому не повністю використовується 
сорбційна ємкість катіоніту. При пористій структурі катіоніту, коли розміри 
капілярних каналів більше діаметру гідратованих іонів, обмін відбувається на 
внутрішніх поверхнях — інтерміцелярний обмін. Швидкість його менша, а 
обмінна здатність катіоніту більша. Швидкості реакції обміну іонів в катіонітах і 
досягнення повної рівноваги досить великі. Навіть в пористих катіонітах реакція 
обміну Са2+, Мg2+, Nа+ на іони водню досягає 90 - 98% протягом долі хвилини, а 
рівновага встановлюється за 5 - 6 хвилин. Тому є допустимими великі швидкості 
фільтрування пом'якшуваної води через катіоніти. 
Кожен катіоніт володіє певною обмінною ємкістю (здатністю), що 
виражається кількістю катіонів, які катіоніт може обміняти протягом 
фільтроциклу. Обмінну ємкість катіоніту вимірюють в грам-еквівалентах 
затриманих катіонів на 1 м3катіоніту, що знаходиться в набряклому (робочому) 
стані після перебування у воді, тобто в такому стані, в якому катіоніт знаходиться 
у фільтрі. Розрізняють повну і робочу обмінну ємкість катіоніту.  
 
1.2.1 Пом'якшення води натрій - катіонуванням 
 
Натрій - катіонітовий метод застосовують для пом'якшення води із 
вмістом суспензії не більше 8 мг/л і кольоровістю не більше 30 град. 
Жорсткість води знижується при одноступінчатому натрій-катіонуванні до 
0,05-0,1, при двоступінчатому — до 0,01 мг-екв/л. Процес Na-катіонування 
описується наступним реакціями обміну: 
 
Ca[HCO ] Ca[K]
2Na[K]  3 2  2  2NaHCO ; 
3
Mg[HCO ] Mg[K]
3 2 2
 
CaCl Ca[K]
2Na[K]  2  2  2NaCl ; 
MgCl Mg[K]
2 2
 
CaSO Ca[K]
2Na[K]  4  2  Na SO ; 
2 4
MgSO Mg[K]
4 2
 
CaSiO Ca[K]
2Na[K]  3  2  Na SiO . 
2 3
MgSiO Mg[K]
3 2
де [K] - нерозчинна матриця полімеру. 
 
Після виснаження робочої обмінної ємкості катіоніту він втрачає 
здатність пом'якшувати воду і його необхідно регенерувати. Процес 
пом'якшення води на катіонітових фільтрах складається з наступних 
послідовних операцій: фільтрування води через шар катіоніту до моменту 
досягнення твердості, що гранично допускається, у фільтраті (швидкість 
фільтрування в межах 10 - 25 м/год); розпушування шару катіоніту 
висхідним потоком пом'якшеної води, відпрацьованого регенерату або 
відмивних вод (інтенсивність потоку 3 - 4 л/(с-м2); зливання водяної подушки 
щоб уникнути розбавлення регенеруючого розчину; регенерації катіоніту за 
допомогою фільтрування відповідного розчину (швидкість фільтрування 3 - 5 
м/год); відмивання катіоніту непом'якшеною водою (швидкість фільтрування 
8 - 10 м/год). На регенерацію зазвичай витрачають близько 2 годин, з них на 
розпушування — 10 - 15, на фільтрування регенеруючого розчину — 25 - 40, 
на відмивання - 30 - 60 хв. 
Вибір методу катіонування диктується вимогами, що пред'являються 
до пом'якшеної води, властивостями початкової води і техніко-економічними 
міркуваннями. Найбільш простою є схема одноступінчатогоNa-катіонітової 
установки який представлено на рисунку 1.1.  
Вода, пройшовши Nа-катіонітові фільтри, відводиться в збірний бак, 
звідки насосом подається споживачеві. При роботі за цією схемою відсутні 
вода і розчини з кислою реакцією, відпадає необхідність в застосуванні 
кислотостійкої арматури труб і захисних покриттів фільтрів. 
Регенерація Nа-катіоніту досягається фільтруванням через нього із 
швидкістю 3 - 4 м/год хлористого натрію концентрацією 5 - 8%. При 
жорсткості пом'якшеної води до 0,2 мг-екв/л приймають концентрацію солі 
5%, при жорсткості менше 0,05 мг-екв/л передбачають ступінчасту 
регенерацію: спочатку 5%-вим розчином NaCl в кількості 1,2 м3 розчину на 1 
м3катіоніту, потім рештою кількості солі у вигляді 8%-го розчину. 
Процес регенерації описується наступною реакцією: 
 
Ca[K] CaCl
2  2NaCl 2Na[K]  2 . 
Mg[K] MgCl
2 2
 
 
 
1,7 - подача вихідної води, відведення пом’якшеної води; 2 - натрій-
катіонітовий фільтр; 3 - бак з розчином повареної солі; 4 - бак с частково 
пом’якшеною водою для зрихлениякатіоніту; 5 - резервуар пом’якшеної 
води; 6 – насос. 
Рисунок 1.1 - Схема одноступінчастого натрій - катіонування води. 
 
Кухонну сіль застосовують для регенерації, знаючи про її доступність, 
дешевизну, а також унаслідок того, що отримують при цьому добре розчинні 
солі СаС12 і МgС12 , що легко видаляються з регенераційним розчином і 
відмивочною водою. 
При фільтруванні розчину кухонної солі зверху вниз при регенерації 
повний обмін іонів натрію на ті, що містяться в катіоніті Са2+ і Мg2+ 
відбувається у верхніх шарах іонообмінника, при цьому у фільтрі зростає 
концентрація витіснених з катіоніту Са2+ і Мg2+ та знижується концентрація 
іонів натрію. Зростання концентрації протионів (у даному випадку Са(П) і 
Мg(П) в регенераційному розчині пригнічує дисоціацію виснаженого 
катіоніту і ослабляє процес іонного обміну. Протиіонний ефект, що 
утворюється при цьому, гальмує регенерацію, внаслідок чого у міру 
просування регенераційного розчину в нижні шари катіоніту їх регенерація 
відбувається не повно, і деяка кількість катіонів Са(П) і Мg(П) залишаються 
невитісненими з нижніх шарів катіоніту. Усунення цього недоліку можливе 
пропуском через катіоніт свіжих порцій розчину реагенту. На практиці 
обмежуються одноразовим пропуском солі при твердості пом'якшеної води 
до 0,20 мг-екв/л або двократним — при твердості нижче 0,05 мг-екв/л. 
Аналогічно, при фільтруванні пом'якшуваної води зверху вниз також виникає 
протиіонний ефект, що знижує глибину пом'якшення води, при цьому 
протиіонами є катіони натрію. Цей недолік усувається шляхом подачі 
регенераційного розчину і пом'якшуваної води в різних напрямках, остання, 
фільтруючись від низу до верху при виході з фільтру, стикається з найбільш 
повно відрегенерованими шарами катіоніту, завдяки чому забезпечується 
глибше пом'якшення води. Такий метод пом'якшення води називається 
методом протиточного катіонування. При цьому значно знижується витрати 
реагентів на регенерацію катіоніту без зменшення глибини пом'якшення.  
 
1.2.2  Пом'якшення води Н-фільтром 
 
При використанні Н-фільтрів у схемах пом'якшення фільтр на 
регенерацію відключають по проскоку катіонів Ca2+ і Mg2+, а в схемах 
знесолення - по Na+.  
Н-катіонована вода є м'якою, оскільки не містить катіонів твердості, і 
тому більш придатна для отримання води пом’якшеної, тому що має кисле 
середовище, і кислотність її тим вище, чим вище сумарний вміст у вихідній 
воді аніонів сильних кислот. 
При використанні Н-катіонування в схемах знесолення води на Н-
фільтрі будуть протікати реакції з натрієвими солями, наявними у воді: 
 
NaCl + HR  NaR + HCl,    
Na2SO4 + 2HR  2NaR + H2SO4.    
 
1.3 Перспективи удосконалення існуючих технологій 
 
Особлива увага сьогодні приділяється пошукам нових 
високоефективних способів пом'якшення води. 
Існує спосіб отримання високо чистої води, що включає іонообмінну 
обробку, термічну дистиляцію, обробку на фільтрах змішаної дії, який 
відрізняється тим, що з метою підвищення ступеню очистки води, термічну 
дистиляцію ведуть перед іонообмінною очисткою та після термічної 
отриманий дистилят фільтрують через механічні фільтри [4]. 
Існує спосіб пом'якшення розчинів, що включає сорбцію видалених 
компонентів шаром сорбенту з наступною регенерацією сорбенту в умовах 
протитоку, що відрізняється тим, що з метою інтесифікації процесу за 
рахунок зниження гідродинамічного опору сорбенту, в якості сорбенту 
використовують механічну суміш іоніту та інертного матеріалу, густина 
якого є близькою до густини іоніту, а регенерації іоніт піддіають після 
видалення із нього інертного матеріалу [5]. 
Існує спосіб фільтрації розчинів в процесі очищення і фільтрації 
природних та стічних вод з використанням іонообмінників, що включає дію 
магнітного поля на вихідний розчин, який відрізняється тим, що з метою 
інтенсифікації зниження витрат на процес, останній ведуть при одночасній 
дії магнітного поля на вихідний розчин та іонообмінник [6]. 
Існує спосіб обробки води шляхом пропускання його через 
іонообміний фільтр протитоком до регенераційного розчину з відбором води 
із середньої частини іонітового шару, який відрізняється тим, що з метою 
зниження витрат на процес за рахунок підвищення продуктивності фільтру та 
збільшення обмінної ємкості іоніту, через шар іоніту пропускають 
протитоком 50 – 70% відпрацьованої води при одночасному пропусканні 
залишившогося об’єму води прямотоком [7]. 
Існує пристрій для отримання глибокоочищеної води двоступеневим 
пом'якшенням, що включає приймальний вузол вихідної води та послідовно 
з’єднані підігрівач, катіоновий фільтр і дегазатор першої ступені, іонітовий 
фільтр другої ступені і бак – збірник, який відрізняється тим, що з метою 
інтенсифікації процесу знесолення води та зниження відповідної площі, 
другий ступінь виконана у вигляді іонітового фільтру змішаної дії [8]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 ВИБІР І ОБГРУНТУВАННЯ ТЕОРЕТИЧНИХ МЕТОДІВ ДОСЛІДЖЕНЬ 
 
Іонообмінний метод пом'якшення води, а саме використання 
триступеневої схеми очищення води дозволяє знизити кількість солей у воді 
до концентрації 0,1 мг/дм3 (сухий залишок), а вміст кремнієвої кислоти 
знижується до 0,05 мг/дм3 [2, с. 261]. 
Іонообмінний метод використовується для пом'якшення води із 
загальним вмістом солей не більше ніж 3000мг/дм3 при наявності зависі не 
більше ніж 8 мг/дм3, кольоровості води не більше ніж 300, вміст хлоридів і 
сульфатів не більшому ніж 5мг/дм3, перманганатній окиснюваності не 
більшій ніж 7 мг/дм3 [15, с. 269]. 
Сутність іонообмінного методу полягає в здатності деяких практично 
нерозчинних у воді матеріалів (іонітів) змінювати в бажаному напрямку 
іонний склад води. Здатність іонітів до такого обміну пояснюється їх 
будовою. Вони складаються з твердої основи - матриці, на яку нанесені 
функціональні групи, здатні в розчині до утворення на поверхні 
потенціалоутворюючих іонів. Внаслідок цього навколо твердої фази 
утворюється дифузійний шар з протилежно заряджених іонів. Вони мають 
високу кінетичної енергією, здатні виходити з шару, а їх місце займає 
еквівалентна кількість інших іонів того ж знака. 
У роботі іонообмінних фільтрів розрізняють такі стадії : 
1 ) іонування води (видалення домішок); 
2 ) регенерація після виснаження іонообмінної ємності; 
2.1) розпушування шару іоніту (вода подається в зворотному 
напрямку, об’єм іоніту збільшується на 30 - 40 %); 
2.2) безпосередньо регенерація (пропуск розчину певної 
концентрації); 
2.3) відмивання від продуктів регенерації і надлишку реагентів. 
Після освітлення вода надходить на Н- катіонітові фільтри першого 
ступеню. У процесі Н- катіонування вода пом’якшується за рахунок 
видалення з неї всіх катіонів (у тому числі катіонів жорсткості), і 
відбувається зміна аніонного складу за рахунок розкладу у кислому 
середовищі бікарбонатів з виділенням СО2.  
Фільтр завантажений сильнокислотним катіонітом. Фільтрат є 
сумішшю сильних і слабких кислот. 
 
CaCl2, MgSO4,
Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2
H
HCl, H2SO4, H2CO3 и т.д.
 
 
Реакції, що протікають при роботі фільтра: 
 
CaCl2 + 2HR  CaR2 + 2HCl,    (2.1) 
MgSO4 + 2HR  MgR2 + H2SO4,   (2.2) 
Ca(HCO3)2 + 2HR  CaR2 + 2H2O + 2CO2,   (2.3) 
Mg(HCO3)2 + 2HR  MgR2 + 2H2O + 2CO2.   (2.4) 
 
Регенерацію таких фільтрів проводять 1 - 1,5% розчином H2SO4, при 
цьому протікають наступні реакції: 
 
CaR2 + H2SO4  CaSO4 + 2HR,   (2.5) 
MgR2 + H2SO4  MgSO4 + 2HR.   (2.6) 
 
Продуктами регенерації є сульфати Ca і Mg – стоки, що містять солі 
твердості.  
При використанні Н-катіонування в схемах знесолення води на Н-
фільтрі будуть протікати реакції з натрієвими солями, наявними у воді: 
 
NaCl + HR  NaR + HCl,   (2.7) 
Na2SO4 + 2HR  2NaR + H2SO4.   (2.8) 
 
При використанні Н-фільтрів у схемах пом'якшення фільтр на 
регенерацію відключають по проскоку катіонів Ca і Mg, а в схемах 
знесолення - по Na.  
Н-катіонована вода є м'якою, оскільки не містить катіонів жорсткості, 
вона більш придатна для отримання «води очищеної», тому що має кисле 
середовище, і кислотність її тим вище, чим вище сумарний вміст у вихідній 
воді аніонів сильних кислот. 
Після Н1 вода потрапляє в групу фільтрів А1, завантажених 
низькоосновним аніонітом. У цьому фільтрі відбувається видалення аніонів 
сильних кислот. 
 
HCl, H2SO4,
HNO3, HSiO3
ОH
Н2O
 
Реакції, що протікають при роботі фільтра: 
 
HCl + OH  RCl + H2O,    (2.9) 
H2NO3 + ROH  RNO3 + H2O,   (2.10) 
H2SO4 + 2ROH  R2SO4 + 2H2O.   (2.11) 
 
Регенерація слабо- і сильноосновних аніонітів здійснюється 4 -% 
розчином NaOH: 
 
RCl + NaOH  ROH + NaCl,    (2.12) 
R2SO4 + 2NaOH  2ROH + Na2SO4,   (2.13) 
R2SiO3 + 2NaOH  2ROH + Na2SiO3.   (2.14) 
 
Група фільтрів А2 служить для видалення аніонів слабких кислот і 
проскоків сильних. Вона завантажена сильноосновним аніонітом. У цій групі 
фільтрів протікають такі реакції: 
 
H2SiO3 + ROH  R2SiO3 + 2H2O,   (2.15) 
H2CO3 + 2ROH  R2CO3 + 2H2O.   (2.16) 
 
У схемі також використовуються фільтри змішаної дії (ФЗД), 
призначені для глибокого знесолення і знекремнювання води. 
У ФЗД завантажується одночасно сильнокислотний катіоніт і 
високоосновної аніоніт. 
У схемі встановлені ФЗД з внутрішньої регенерацією. Фільтри 
обладнані середньою дренажною системою. Швидкість води обмежується до 
50 м/год. Поділ іонітів проводиться в самому фільтрі висхідним потоком 
розпушуючої води . Аніоніт розташовується у верхньому шарі, катіоніт - у 
нижньому. 
Для видалення з оброблюваної води СО2 в схемі встановлено 
декарбонізатор. Він являє собою циліндричний апарат, що має штуцера 
підведення оброблюваної води, виведення обробленої води, виведення СО2, 
що виділився і зливу в дренаж. На ефективність декарбонізатора впливають:  
1) температура оброблюваної води;  
2) рН середовища;  
3) витрата повітря, що подається;  
4) площа поверхні контакту. 
 
Кількість поглинених іонів за робочий цикл називають робочою 
ємкістю іоніту.  
При роботі іонообмінних фільтрів фільтрування припиняється зазвичай 
в момент, коли концентрація іона, який поглинається, в обробленому розчині 
досягне заданого, дуже малого значення, котре визначається аналітично. У 
цьому випадку обмінна ємність іоніту визначається як робоча. Якщо 
фільтрування закінчується в момент проскакування іона, який поглинається,  
при його концентрації, котра трохи відрізняється від середньої за 
фільтроцикл, то така обмінна ємність іоніту називатиметься ємністю "до 
проскакування". На практиці значення робочої і "до проскакування" 
обмінних ємностей іонітів досить близькі і їх можна приймати рівними один 
одному. 
Співвідношення між повною, робочою і "до проскакування" обмінними 
ємностями можна продемонструвати за допомогою вихідної кривої 
іонообмінного фільтра, що знімається в динамічних умовах (рисунку 2.1). На 
цьому рисунку повна кількість поглинених фільтром іонів характеризується 
моментом вирівнювання концентрацій іона, що поглинається, тобто площею 
поверхні з координатами 1235; кількість поглинених іонів "до 
проскакування" - площею прямокутника 1237, кількість поглинених іонів у 
робочому циклі - площею поверхні з координатами 1246.  
 
 
1- вихідна концентрація видаляємого іону; 2- концентрація видаляємого із 
фільтрату іону; 3- об’єм обробленого розчину «до проскоку»; 4 - об’єм 
обробленого розчину за робочий цикл 
Рисунок 2.1 – Вихідна крива іонообмінного фільтру 
За вихідною кривою можна розрахувати значення робочої обмінної 
ємності іоніту ( Eр ), завантаженого у фільтр: 
 
     (2.17) 
 
де Cвих, Cф – концентрація очищуваних іонів на вихідна та у фільтраті 
відповідно, г-екв/м3; 
Q – кількість обробленої води за фільтроцикл, м3; 
f – площа фільтрації, м2; 
h - висота шару іоніту, м 
 
2.1 Технологічна характеристика катіонітів й аніонітів 
 
Швидкість іонного обміну залежить також від швидкості їх дифузії до 
поверхні розділу іон-вода і визначається його структурою. При компактній 
структурі іоніта обмін відбувається швидко і в основному на зовнішніх 
поверхнях-екстраміцелярний обмін, але при цьому не повністю 
використовується сорбційна ємність іоніту. У випадку пористої структури 
іоніт, коли коли розміри капілярних каналів більша діаметру гідратованих 
іонів, обмін здійснюється на внутрішній поверхнях –інтерміцелярний обмін. 
Швидкість його менша, а обмінна ємкість іоніту більша. 
У технології водопідготовки в основному використовують органічні 
іоніти штучного походження. Технологічна характеристика катіонітів і 
аніонітів, які найчастіше використовуються для знесолення і опріснення води 
представлена у таблицях 2.1 та 2.2. 
 
 
 
 
 
Таблиця 2.1 – Технологічна характеристика катіонітів 
Насипна густина Повна 
Марка Активна продукту, т/м3 Розмір об’ємна 
катіоніту група зерен, мм ємкість, 
Товарного Набухлого 
г-екв/м3 
Сульфовуггілля 
(сорт СК-1 – SO3H 0,67 – 0,70 0,42 0,50 – 1,20 500 
крупні) 
КУ – 1  – SO3H 0,60 – 0,75 0,33 0,30 – 2,00 650 
КУ – 2 – 8  – SO3H 0,60 – 0,75 0,33 0,35 – 1,25 1700 
КУ – 2  – SO3H 0,73 0,65 0,30 – 1,50 1700 
КУ – 2 – 8чС – SO3H 0,70 – 0,90 0,33 0,40 – 1,50 1700 
КБ – 4 П2 – COOH 0,68 – 0,82 0,17 – 0,33 0,25 – 1,00 2800 
Емберлайт IRC 
– COOH 0,50 0,42 0,30 – 1,00 2800 
– 50  
 
Таблиця 2.2 – Технологічна характеристика аніонітів 
Насипна густина Повна 
продукту, т/м3 об’ємна 
Марка Активна Розмір 
ємкість, 
аніоніту група зерен, мм 
Товарного Набухлого г-екв/м3, 
за SO 2- 
4
АН – 31  ≡N, =NH 0,72 – 0,75 0,31 0,4 – 2  1500 
АВ – 17 – 8  – N+ R3 0,74 0,33 0,355 – 1,25 – 
АВ – 17 – 8гЭ – N+ R3 0,74 0,33 0,4 – 1,25 – 
ЭДЭ – 10П 
≡N, =NH 0,6 0,45 0,4 – 1,6 1200 
Эмберлайт 
IRA – 400 – N+ R3 0,71 0,45 0,3 – 0,85 – 
IRA – 400 – N+ R3 0,75 0,46 0,3 – 0,85 – 
 
Якість іонітів характеризується їх фізичними властивостями, хімічною і 
термічною стійкістю, робочою обмінною ємкістю та іншими характеристиками. 
Фізичні властивості іонітів залежать від їх фракційного складу, механічної 
міцності і насипної густини [6].  Фракційний склад характеризує експлуатаційні 
властивості іонітів. Так мілкозернистий іоніт має більш розвинену поверхню, 
більшу обмінну ємність. Однак із зменшенням зерен іоніту збільшується 
гідравлічний опір фільтрів і витрати електроенергії на фільтрування  води. 
Виходячи з цього оптимальний розмір іоніту складає 0,3-1,5 мм. 
Механічна міцність має важливе значення для встановлення зносу 
іонітів в процесах експлуатації та вибір їх марки. 
Недодержування хімічних і термічних умов експлуатації іонітів 
призводить до пептизації (переходу із нерозчинного стану в стан колоїдного 
розчину), руйнування і втрат обмінних властивостей. 
Іоніти характеризуються набухлістю, тобто вони у воді набухають, 
збільшуючись в об’ємі. Ступінь набухання іонітів визначається відношенням 
насипних густин однієї і тієї ж маси іоніту у повітряно-сухому і набухлому 
станах-коефіцієнтом набухання. 
Робоча обмінна здатність іонітів залежить від виду видалених з води 
іонітів, співвідношення сольових компонентів в обробляє мій воді, значення 
рН води, висоту шару іоніту, швидкості фільтрування, режиму експлуатації, 
питомих витрат регенераційних розчинів і від інших факторів. 
Регенерація Н-катіонітових фільтрів проводиться розчином сульфатної 
кислоти Н2SO4, з масовою часткою 1,5-2,0 %. Регенерація ОН-аніонітових 
фільтрів проводиться розчином лугу NaOH з масовою часткою 4,0%. 
Регенерація Н-катіонітових і ОН-аніонітових фільтрів відбувається за 
реакціями: 
Ca[Кат]2+ H2SO4↔2H[Кат]+CaSO4, 
 
Mq[Кат]2+H2SO4↔2H[Кат]+MqSO4, 
 
2Na[Кат]+H2SO4↔2H[Кат]+Na2SO4, 
 
2K[Кат]+H2SO4↔2H[Кат]+K2SO4, 
 
                         [Ан]2SO42NaOH↔2[Ан]OH+Na2SO4, 
 
                          [Ан]Cl+NaOH↔[Ан]OH+NaCl, 
 
[Ан]2SiO3+2NaOH↔2[Ан]OH+Na2SiO3. 
 
 
2.2  Метод визначення значення pH 
 
Визначення pH здійснюють потенціометричним, візуально-
колориметричним або фотоколориметричним методами. 
Використання приладу pH -метра дозволяє вимірювати pH в більшому 
діапазоні і більш точно (до 0,01 одиниці pH), ніж за допомогою 
універсальних індикаторів. Спосіб відрізняється зручністю і високою 
точністю, особливо після калібрування індикаторного електроду в обраному 
діапазоні рН.   
рН =  lg [H+] 
 
Величина рН характеризує стан водного середовища: 
 в нейтральному середовищі [H+] = [OH] = 107 моль/дм3,  рН = 7; 
 якщо [H+]  [OH], рН  7 – середовище кисле; 
 якщо [H+]  [OH], 7 рН  14 – середовище лужне. 
Для проведення вимірювання використовувався портативний 
високоточний pH-метр Kelilong РН-061 для води і водних розчинів. 
Даний рН - метр Kelilong PH-061 представлено на рисунку 2.2. Він 
вимірює рівень кислотності води та розчинів від 0 до 14 pH з кроком 0,01 pH 
і оснащений вбудованим сенсором для автоматичного температурної 
компенсації (АТС) від 0 до 50°C. рH- метр відрізняється великим і 
контрастним дисплеєм та має широкий діапазон застосування - від 
побутового до лабораторного і промислового.  
 
Рисунок 2.2  рН - метр Kelilong PH-061 [7] 
 
Методика вимірювання: 
• Зняти ковпачок. Перед першим використанням промити електрод pH- 
метра дистильованої водою і висушити серветкою. 
• Увімкнути прилад натисненням кнопки ON / OFF. 
• Опустити електрод pH- метра в розчин для проведення вимірювань до 
зазначеного на корпусі рівня. 
• Злегка помішуючи, дочекатись стабілізації результату вимірювання на 
дисплеї. 
• Після використання, промити електрод водою і зберігайте з декількома 
краплями кошти для зберігання MA9015 або pH7 буферного розчину (M10007) в 
ковпачку. 
• Завжди вимикати прилад і одягати ковпачок, якщо не користуватись  pH 
метром [ 8 ]. 
2.3 Метод визначення масової концентрації іонів заліза 
 
 Для визначення масової концентрації іонів заліза у воді використовувався 
спектрофотометр Ulab 102  який представлено на рисунку 2.3 
 
 
 
Рисунок 2.3  Спектрофотометр Ulab 102 
       
Даний прилад призначений для вимірювання коефіцієнта пропускання, 
оптичної щільності досліджуваних твердих і рідких проб при проведенні 
різного роду аналізів та обчислення оптичної щільності. Відмінні 
особливості спектрофотометра Ulab 102: 
 • програмна установка довжини хвилі; 
• автоматична установка темнового струму при зміні довжини хвилі; 
• підвищена стабільність результатів вимірювань в порівнянні з 
поширеними аналогами; 
• режим кількісного аналізу з побудовою градуювань зі стандартних 
зразків або вводиться коефіцієнтам 
• великий РК-дисплей (128x64); 
• збереження в пам'яті приладу до 50 груп даних і до 100 
градуювальних кривих [9]. 
Спектрофотометр Ulab 102 оснащений матричним РК-дисплеєм для 
фотометричних результатів, відрізняється простотою експлуатації, діапазон 
довжин хвиль 325 нм до 1000 нм. Цей прилад ідеально підходить для 
вимірювань у видимому і ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль 
спектра. 
Спектрофотометр складається з п'яти частин:  
1) галогенною або дейтерієвої лампи як джерела світла;  
2) монохроматора для відділення необхідної довжини хвилі і усунення 
небажаного випромінювання другого порядку; 
 3) кюветного відділення для приміщення досліджуваного розчину; 
 4) детектора для реєстрації пропущеного світла і його перетворення в 
електричний сигнал; 
 5) цифрового екрану для відображення значень поглиненого або 
минулого світла.  
Методика вимірювання: 
1. Ввімкнути спектрофотометр Ulab 102 на 20 хв. для прогрівання, при 
цьому кюветне відділення повинно бути закритим. Після прогрівання 
система переходить до основного меню. 
2. Для вимірювання оптичної густини у фіксованій точці довжини 
хвилі натиснути кнопку MODE для переміщення курсору на функцію 
«А».Натиснути кнопку ENTER для безперервного виміру. 
3. Для установки довжини хвилі потрібно натиснути GOTO ʎ, вибрати 
значення довжини хвилі стрілкою, потім натиснути ENTER для 
підтвердження.  
4. Для проведення калібрування 100% Т/0Abs потрібно поставити 
еталонний розчин на світлому шляху та натиснути ZERO. 
5. Для вимірювання оптичної густини зразка необхідно поставити 
кювету, заповнену розчином на шляху світла, натиснути кнопку START для в 
вимірювання , і результат відобразиться в даних [ 9]. 
Для приготування розчину використовується наступна методика : 
у колби місткістю 25 см3 додати 20 см3 досліджуваної води та по 2 
см3 розчинів сульфосаліцилової кислоти та амоніаку.   
Лише після цього можна виміряти на спектрофотометрі оптичну 
густину для досліджуваних проб та визначити концентрацію заліза за 
калібрувальним графіком [10]. 
 
2.4 Метод визначення твердості води 
 
Твердість води визначається кількістю розчинених у ній солей 
карбонатної, сульфатної, хлоридної, ортофосфатної, нітратної кислот, 
переважно кальцію і магнію.  
Метод ґрунтується на утворенні міцної комплексної сполуки трилону Б 
(двонатрієвої солі етилендіамідтетраоцтової кислоти - ЕДТА) з іонами 
кальцію і магнію. Визначення проводять титруванням проби трилоном Б при 
рН=10 в присутності індикатора. 
Для перевірки якості дистильованої води до 100см3 додають 1см3 
буферного розчину і 5-7 крапель індикатора. В чистій воді з'явиться спік з 
бузковим відтінком забарвлення. 
У колбу наливають 100мл досліджуваної води, додають 5мл 
буферного розчину та 7-8 крапель індикатора хромогену чорного. Забарвлення 
розчину - винне. 
Розчин титрують 0,05 н розчином трилону Б до переходу забарвлення в 
зелено-синє. 
Розрахунок проводять за формулою, (мг ек/вл) : 
 
                 Х=                а• 0,05• 1000 
                                                 V 
де а - кількість трилону Б, використаного на титрування; 
V - об'єм досліджуваної води, мл; 
0,05 - нормальність титру [11].  
3 РЕЗУЛЬТАТИ ТЕОРЕТИЧНИХ ТА ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНИХ 
ДОСЛІДЖЕНЬ 
 
У різних цехах використовується пом’якшена вода різного типу та 
рівня обробки. Для холодної промивки можна використовувати ту воду, яка 
подається нам із централізованого водопостачання, а вже для інших процесів 
виробництва воду обов’язково треба довести до відповідного пом’якшеного 
стану. Адже, для роботи  кожного з пристроїв є певні вимоги та норми до 
води без якої, власне, більшість процесів на даному виробництві неможливі. 
 На території виробництва знаходиться дві власні свердловини, вода із 
яких використовується в даному цеху. Так як, у воді що надходить з них, 
багато мулу, піску та інших забруднювачів, перед поданням на 
пом’якшувальну установку вода проходить через механічні фільтри, що 
встановлені на вході резервуарів для пом’якшення. Головною їх задачею є 
максимальне очищення від піщинок та всіляких дрібних часточок, що 
дозволить використовувати іонізовану смолу більш тривалий час. 
Вода надходить по трубопроводах в Na-катіонітові фільтри, що 
видаляють з води катіони кальцію та магнію, які обумовлюють твердість 
води. В цих фільтрах встановлені клапани, що автоматично відкривають та 
закривають потік води. Перекачування та постачання води відбувається за 
допомогою насосів. 
Натрій-катіонітовий метод застосовують для пом'якшення підземних 
вод і вод поверхневих джерел з каламутністю не більше 5-8 мг /дм3 і 
кольоровістю не більше 30 град. При натрій-катіонуванню лужність води не 
змінюється. 
Вихідна вода через верхній дренаж подається до резервуарів, які 
наповненні іонообмінною смолою. При проходженні відбувається послідовне 
фільтрування через водень-катіони і слабоосновні аніоніти з подальшим 
видаленням двоокису вуглецю з води на дегазатор, а також видалення з неї 
катіонів Ca2+, Nа+ і Mg2+ в процесі натрій-водень або амоній-натрій-
катіонування, а також сульфатних, хлоридних і нітратних аніонів в процесі 
знесолення природних вод. Вище перераховані катіони заміняються на 
катіони Р+ в схемах пом'якшення та хімічного знесолення води. Загальна 
твердість води може бути знижена до 0,05-0,1 г-екв/дм3. Солевміст води має 
становити не більше 20 мг/дм3, вміст кремнію при цьому не знижується. 
На днищі цього резервуару розміщені головки для уловлювання 
піщинок та витіснення полідисперсних смол монодисперсними. Після 
пом’якшення вода проходить через нижній дренаж і надходить в центральну 
трубу і виводиться із установки.  
                 Аналітичні показники  води на вході на механічний фільтр 
представлено в таблиці 3.1 
 
Таблиця 3.1- Аналітичні показники  води зі свердловини на вході на 
механічний фільтр 
№ Аналітичні показники питної води на вході на механічний 
дослі фільтр 
ду РН Твердість Залізо Електропро- Сухий 
мг-екв./дм3 загальне, відність, залишок, 
мг/дм3 мкС∙см-1 мг/дм3 
1 7,6 7,1 0,3 550 900,0 
2 7,3 6,5 0,25 510 870 
3 7,0 6,0 0,2 500 860 
4 7,1 5,5 0,18 500 856 
5 7,1 4,5 0,15 500 848 
6 7,2 4,0 0,13 490 847 
 
3.1 Методика  проведення і обробка результатів експериментів 
Після очищення води зі свердловини вона поступає на  Na-катіонітовий 
фільтр для усунення солей твердості. 
  Параметри води, що подається на Na-катіонітовий фільтр після 
міханічного фільтру представлено в таблиці 3.2. 
 
Таблиця 3.2 – Параметри води, що подається на Na-катіонітовий фільтр 
після міханічного фільтру 
№ Аналітичні показники  води на виході з Na-катіонітового 
дос фільтру 
лід РН Твердість Залізо Електропро- Сухий 
у мг-екв./дм3 загальне, відність, залишок, 
мг/дм3 мкС∙см-1 мг/дм3 
1 6,9 5 0,22 355 612 
2 6,75 4,6 0,18 340 590 
3 6,64 4,2 0,14 340 586 
4 6,6 3,9 0,13 335 586 
5 6,5 3,2 0,13 335 580 
6 6,5 2,9 0,1 337 580 
 
Na-катіонітовий фільтр завантажений катіонітом марки КУ-2-8 
вітчизняного виробництва.  
Катіоніт КУ-2-8 ― дуже кислотна іонообмінна смола, має гелеву 
структуру, випускається у вигляді мілких гранул. Для лабораторної 
установки застосовано фракцію крупністю 0,8-1,2 мм. Параметри  роботи Na-
катіонітового фільтру  при  виконанні експериментів наведені в таблиці 3.3 
 
Таблиця 3.3 – Параметри роботи Na-катіонітового фільтру. 
Параметр Одиниці Фактичне 
вимірювання значення 
Режим пом’якшення  води 
Фракція КУ-2-8 мм 0,8-1,2 
Швидкість фільтрації м/год. (см3/хв..) 15 (250) 
Інтенсивність подачі води до дм3/с*м2 4 
розпушування 
Тривалість розпушування хвилин 20 
Висота шару катіоніту м 0,25 
Втрати напору при заданій м 0,045 
швидкості фільтрування 
Обмінна ємкість катіоніту мг-екв./100 см3  150 
Обєм катіоніту см3 1000 
Режим регенерації 
Реагент NаСІ, розчин % мас. 5,5 
концентрації  
Швидкість регенераційного м/год. . (см3/хв.) 4 (0,07) 
розчину 
Питома витрата води на дм3/10 см3катіоніту 5 
відмивання 
        
        Результати очищення  води за допомогою використання механічного і 
Na-катіонітовому фільтрів наочно представлені графіком залежності ступеня 
очистки від концентрації солей жорсткості на рисунку 2.3. 
Таблиця 3.3- Результати очищення води зі свердловини після механічного і 
Na-катіонітового фільтрів 
1 5 29,58 0,22 26,7 355 35,45 612 32 6,9 
2 4,6 29,5 0,18 28 340 33,3 590 32,2 6,75 
3 4,2 30 0,14 30 340 33,3 586 31,9 6,64 
4 3,9 29,4 0,13 33 335 33 586 31,5 6,6 
5 3,2 28,9 0,13 34 335 33 580 31,48 6,5 
6 2,9 27,5 0,1 35 337 32,6 580 31,4 6,5 
  
      Результати очищення  води зі скважени за допомогою використання 
механічного і Na-катіонітовому фільтрах наочно представлені графіком 
залежності ступеня очистки від концентрації загального заліза  на рисунку 3.1 
№ досліду 
Твердість 
мг-екв./дм3 
 
Ступінь 
очищення, % 
Залізо загальне, 
мг/дм3 
Ступінь 
очищення, % 
Електропро- 
відність, 
мкС∙см 
Ступінь 
очищення, % 
Сухий 
залишок, 
мг/дм3 
Ступінь 
очищення, % 
РН 
  
 Рисунок 3.1 – Графік залежності ступеня очистки на Na-
катіонітовому фільтрі від концентрації солей твердості вихідної води. 
            Результати очищення  води  зі свердловини за допомогою використання 
механічного і Na-катіонітовому фільтрах наочно представлені графіком 
залежності ступеня очистки від концентрації загального заліза  на рисунку 2.4 
 
Рисунок 3.2 – Графік залежності ступеня очищення на Na-катіонітовому 
фільтрі від концентрації солей загального заліза вихідної води. 
     
 Результати очищення  води зі свердловини за допомогою використання 
механічного і Na-катіонітовому фільтрах наочно представлені графіком 
залежності ступеня очистки від електропровідності вихідної води  на рисунку 2.5 
 
                                                        Електропрвідність,мкС*см-1 
Рисунок 3.3 – Графік залежності ступеня очищення на Na-
катіонітовому фільтрі від електропровідності  вихідної води. 
     Аналізуючи отримані дані видно, що максимальна ступінь очищення 
досягаєься при концентрації солей жорсткості в вихідній воді від 5 до 4 мг-
екв./дм3. Фактично, в досліджуваній питній воді вміст солей жорсткості в 
залежності від пори року  коливається в широких межах і необхідно 
застосовувати спосіб очистки, який ефективний в діапазоні 4-7 мг-екв./дм3. 
    Результати очистки питної води за допомогою використання 
механічного і Na-катіонітовому фільтрах наочно представлені графіком 
залежності ступеня очистки від концентрації сухих речовин  на рисунку 3.4. 
 
 
Рисунок 3.4 – Графік залежності ступеня очищення на Na-
катіонітовому фільтрі від концентрації сухих речовин  вихідної води 
 
Після пом’якшення вода вже  придатна для проведення різноманітних 
технологічних процесів фарбування та набивання малюнку на тканині, що 
виготовляє ПрАТ «ЧШК». Фізико-хімічні властивості пом’якшеної води 
представлено в таблиці 3.4 
 
 
Таблиця 3.4 – Фізико-хімічні властивості пом’якшеної води 
 Значення фізичної Одиниця 
Назва властивості (константи) величини вимірювання 
Масова концентрація 100 мкг/дм3 
кремнекислоти 
Масова концентрація заліза (ІІ) і 0,05 мг/дм3 
(ІІІ) 
Масова концентрація 2,5 мг/дм3 
розчинених солей (солевміст) 
Масова концентрація іонів хлору 0,1 мг/дм3 
Перманганат на окисність 2,0 мгО/дм3 
Водневий показник 3,5-9,5 рН 
Питома електрична провідність 0,55 МСм/м 
Твердість  0,01 ммоль/дм3 
Густина (при температурі 20°) 1000 кг/м3 
Питома теплоємність 4190 кДж/кгК 
Температура кипіння при тиску 100 °С 
 0,1 МПа 
Температура замерзання при 0 °С 
тиску  
0,1 МПа 
Динамічна в’язкість при 1003 Па·с 
температурі 20°С 
Константа дисоціації 1,1  
Зовнішній вигляд Безбарвна речовина  
 
Для зберігання вже пом’якшеної води, використовують накопичувальні 
баки. Вода в них зберігається до того часу, доки не буде виявлено потребу 
для її використання на одному із промислових джигерів.  
До них вода надходить шляхом перекачування, яке в свою чергу 
відбувається за допомогою насосів. 
Подача води відбувається по трубопроводах, які приєднані до джигерів. 
Розпочинається робота джигера з наповнення ванни водою. Для постачання 
води на всі джигера, які встановленні на підприємстві, використовують 
насоси, що допомагають швидше доправляти воду до їх місце встановлення. 
Одним із важливих етапів пом’якшення води є регенерація 
іонообмінної смоли, за рахунок якої власне, здійснюється даний процес. Для 
проведення регенерації використовують сіль для промислового 
перероблення, яка повинна відповідати встановленому державному 
стандарту – ДСТУ 4246:2003 [5]. Цей стандарт поширюється на сіль для 
промислового перероблення, до складу якої входять галіт, домішки хлоридів 
і сульфатів кальцію, магнію, калію і який встановлює вимоги до якості 
продукту. Характеристика  сировини, матеріалів і напівпродуктів що 
використовувались в експериментах представлено в таблиці 3.5. 
Порівняльний аналіз досліджених водних систем представлено в таблиці 3.6. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Таблиця 3.5 - Характеристика  сировини, матеріалів і напівпродуктів 
що використовувались в експериментах 
Назва та хімічна Позначення та Показники Одиниці Норми 
формула сировини, назва обов’язкові вимірювання показників, що 
матеріалів, нормативного для регламентуються 
напівпродуктів документа, по перевірки з допустимими 
якому повинні відхиленнями 
відповідати 
сировина, 
матеріали, 
напівпродукти 
1 2 3 4 5 
Кислота сірчана ГОСТ 2184-77 масова % не менше 92,5 
технічна частка 
моногідрату 
(H2SO4) 
Натр їдкий ГОСТ 2263-79 масова % не менше ніж44-
технічний частка 46 
гідроксиду 
натрію 
Сода каустична ТУ У 24.2- масова % не менше 48 
3319683- частка 
002:2010 гідроксиду 
натрію 
Сіль для ДСТУ масова % 97,7 
промислового 4216:2003 частка 
переробляння хлористого 
натрію 
Катіоніт КУ-2-8 ГОСТ 20298- повна ммоль/см3 не менше 1,8 
74 статична 
обмінна 
ємність 
Стиснуте повітря  тиск МПа 0,6 
Таблиця 3.6 - Порівняльний аналіз досліджених водних систем  
Вода із 
Пом'якшена 
свердловини на 
Показник технологічна вода 
території ПрАТ 
ПрАТ «ЧШК» 
«ЧШК» 
Забарвлення (колір) безбаврний безбарвний 
Мутність, мг/дм3 0,3 0,1 
Запах, бали при 20°С 1 0 
Осад і плаваючі домішки відсутні відсутні 
Загальна лужність, ммоль/дм3 8,5 7,5 
рН 7,9 7,36 
Хімічнеспоживаннякиснюдихрома
3 4,5 2,79 
тне (ХСК), мгО2/дм  
Сульфати (SO 2-
4 ), мг/дм3 5,3 3,57 
Хлориди (Cl-), мг/дм3 1,72 0,12 
Ортофосфати (PO 3-), мг/дм3
4  не виявлено не виявлено 
Азот амонійний, мг/дм3ґ 1,01 0,09 
В’язкість, μ 0,998 0,993 
Загальна твердість⃰, ммоль/дм3 0,9 0,1 
 
Допустимий загальний вміст твердості для технологічної води під час 
фарбування тканини знаходиться в межах 0-25 ppm (0-0,25 ммоль/дм3) [45]. 
При твердості більшій ніж 0,25 ммоль/дм3,барвник не закріплюється на 
тканині, що призводить до необхідності повторної обробки та фарбування, а 
в подальшому до утилізації сувою бракованої тканини.