Свойства воды н водных растворов

Тем а № 1. С войства воды н водных растворов 1.1. Структура м олекул воды Природные воды представляют собой сложные системы, основу которых составляет химическое соединение, имеющее простую формулу Н2 О. Вода обладает рядом удивительных свойств. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Для состава воды характерно следующее массовое содержание элементов: водорода 11,19% и кислорода 88,81%. Ядра атомов в молекуле воды расположены по углам равнобедренного треугольника, в вершине которого находится ядро атома кислорода. Молекула воды - плоская угловая. В невозбужденных молекулах воды угол НОН, образованный направлениями связей кислород - водород, составляет 104°27' (для парообразного состояния) и 104°ЗГ (для жидкого) (рис. 1). € Рисунок 1 Строение молекулы воды - Межьядерное расстояние О-Н в молекулах воды равно 0,96 А (в жидкой фазе) и 0,99 А (в фазе льда). Т.е. в фазе льда плотность уменьшается и лед плавает. Атом кислорода имеет восемь электронов: два из которых расположены около ядра, два других связаны с атомами водорода, а две неподеленные пары электронов образуют ветви, расположенные в противоположном направлении по отношению к электронным облакам водорода (электронные орбитали). Эти ветви электронных облаков являются областями состредоточенных отрицательных зарядов. Они обуславливают водородную связь между молекулами воды и другими веществами. + + Рисунок 2 - Направленность электронных орбиталей (а) и схема распределения зарядов в молекуле воды (6) Таким образом, электронное облако молекулы воды имеет вид четырех лепестков, направленных к вершинам неправильного тетраэдра. В двух вершинах одной грани находятся электронные пары, осуществляющие связь О - Н, а в двух вершинах противоположной грани находятся неподеленные электронные пары атома кислорода (рис. 2). Электронное облако в молекуле воды смещается к атому кислорода, так как он имеет большую электроотрицательность. Вследствие этого вблизи ядер атомов водорода создается избыток положительного заряда. Поэтому молекула воды полярна. Полярные молекулы характеризуются электрическим моментом диполя, который влияет на свойства веществ, состоящих из таких молекул. Электрический момент диполя представляет собой произведение одного из зарядов на расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. Благодаря большому значению электрического момента диполя между молекулами воды проявляется сильное взаимодействие за счет образования водородных связей между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой. Возникновение водородных связей объясняется свойством атома водорода взаимодействовать с сильноотрицательным элементом, которым в молекуле воды является кислород другой молекулы воды. Эта особенность атома водорода обуславливается тем, что отдавая свой единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом, он остается в виде «голого» ядра очень малого размера, лишенного электронной оболочки. Поэтому он не испытывает опал кивания от электронной оболочки кислорода другой молекулы, а притягивается и может вступать во взаимодействие. Каждая молекула воды может образовать четыре водородных связи: две возникают при взаимодействии неподеленных электронных пар атома кислорода с атомами водорода соседних молекул воды и две дают атомы водорода, взаимодействующие с атомами кислорода двух других молекул воды. Наибольшей устойчивостью обладают удвоенные молекулы ^ 0 )2 , образование которой сопровождается возникновением двух водородных связей (на рисунке пунктиром показана водородная связь). О - н н /\\ \ \ // н н -о / Водородные связи обусловливают высокое внутреннее давление, которое способствует появлению у воды некоторых особых свойств. Тем а № 1. С войства воды н водных растворов 1.2. Изотопный состав воды Вода - продукт соединения двух химических элементов: водорода и кислорода. Оба эти элемента имеют несколько изотопов. Для водорода известны три изотопа: 1. протий *Н с массой 1,007822 у. е. (углеродных единиц); 2. дейтерий 2 H(D) -2,0141 у. е.; 3. тритий JH(T) -3,017001 у. е. (последний образуется при процессе ядерных распадов). Содержание D в природной смеси изотопов водорода 0,014 - 0,015%. Для кислорода известны также три изотопа с массовыми числами 16, 17 и 18. Соотношение их в природной смеси изотопов следующее 2070 :1 : 5. Природная вода является смесью различных видов молекул следу.щего состава: Н2 1<50 , Н2 1 7 0 , Н2 1 8 0 , H D ^O , HD 1 7 0 , HD 1 8 0 , D ^ O . 1 >2 1 7 0 , ЕЬ180 Вода, отвечающая химическим формулам I>2 1 6 0 , D 2 1 7 0 , D 2 1 8 0 , называется тяжелой водой, а вода, в состав которой входит тритий, называется сверхтяжелой водой Т 2 О. Тяжелая вода выделяется при длительном электролизе природном воды. Она труднее подвергается электролизному разложению. По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной. Она замерзает при 3,8°С, кипит при 101,4еС, плотность ее 1,1059 (при 20°С). Максимальную плотность тяжелая вода имеет при 11°С. Растворимость солей в такой воде ниже, чем в обычной. Тяжелая вода оказывает тормозящее действие на протекание жизненных процессов в животных и растительных организмах. Применяется тяжелая вода в урановых котлах в качестве замедлителя ядерного распада. Сверхтяжелая вода Т 2 О имеет следующие (приблизительные) константы: т.пл. -9°С , т. кип. 104®С, пл. 1,33. Итак, вода - это смесь девяти различных видов молекул, потому и зависимости от их количественного соотношения все свойства воды, особенно плотность ее, не являются строго постоянными. Например, сравним значения плотности воды. Вода Плотность при 4°С Снеговая 0,9999977 Дождевая 0,9999990 Речная 1 ,0 Океанская 1,0000015 Кристаллизационная вода минералов 1,0000024 Тем а № 1. С войства воды и водных растворов 1.3. Ф изические свойства воды Чистая вода - бесцветная прозрачная жидкость, не имеющая ни вкуса, ни запаха. Один мл. очищенной речной воды принят за единицу массы - 1 грамм. Ниже приводятся некоторые физико-химические свойства воды. 1. 2. 3. 4. 5. Удельная электропроводность чистой воды при 18°С очень низкая 4,3*10 *8 Ом*см ' 1 Температура замерзания при 760 мм рт. ст. 0°С Температура кипения 100,00°С Диэлектрическая проницаемость: при 0°С - 88,3: при 18°С - 81,0 Теплопроводность-0,00143 кал'(см*с*град) Теплопроводность воды очень незначительна по сравнению с теплопроводностью других веществ: так, теплопроводность, пробки 0,1 калсм*с*град; асбеста - 0,3-0, 6 : бетона - 2-3; дерева - 0,3-1,0; кирпича-1,5-2,0; льда - 5,5 кал/ см*с*град. Малая теплопроводность воды и большая теплоемкость обусловливают ее использование в качестве теплоносителя. Из-за высокой теплоемкости она в зимнее время медленно остывает, а летом медленно нагревается, являясь, таким образом, естественным регулятором температуры на земном шаре. Химически чистая вода обладает рядом свойств, резко отличающих ее от других природных тел. Эти особые свойства известны под названием аномалии воды. 1. 2. При нагревании от 0 до 4°С объем воды не увеличивается, а уменьшается и максимальная плотность ее достигается не в точке замерзания (0°С), а при 4°С (точнее 3,98°С). Вода при замерзании расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается. л Аномалия плотности заключается в том, что плотность льда меньше, чем жидкой воды. Плотность льда - 0,91 г/см . Это объясняется внутренней структурой воды. Лед имеет кристаллическую структуру. В кристалле льда каждая молекула воды окружена четырьмя другими молекулами, образующими с ней водородные связи. Такое соединение молекул способствует образованию пустот в кристаллической решетке льда. Поэтому рыхлой структурой объястняется аномально малая плотность воды в твердом состоянии на 1 0 % ниже, чем плотность воды. Рисунок 3 Взаимное расположение молекул воды в структре льда: химические связи, водородные связи. - -------------- ---------------------- Теорий строения жидкой воды множество. Многие ученые придерживаются мнения о сохранении ажурной решетки льда в жидкой воде и частичном заполнении пустот молекулами воды, т.е. взаимное расположение соседних молекул воды аналогично кристаллическому каркасу льда слегка нарушенному тепловым движением молекул, в пустотах которого находятся одинокие молекулы воды. При плавлении льда часть рыхлых комплексов разрушается. В воде, наряду с участками кристаллической решетки, появляются одинокие молекулы. Это сопровождается повышением плотности и уменьшением объема, т.к. одинокие молекулы заполняют полости в участках с льдоподобной структурой. С повышением температуры проявляется действие двух факторов: теплового расширения и нарушения регулярной структуры льда. Тепловое расширение, сопровождающееся незначительным увеличением объема, связано с уменьшением упорядоченности расположения молекул. При 4°С эти два фактора одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по направленности действия. При дальнейшем повышении температуры снижается действие второго фактора, сильнее проявляется действие теплового расширения и плотность воды уменьшается. Тот факт, что лед легче воды, играет огромную роль в природе. С наступлением морозов поверхностный слой воды в водоеме охлаждается до температуры +4°С и как более тяжелый опускается на дно, вытесняя более теплые на поверхность. В результате замерзание воды начинается с поверхности, а не со дна. Этому же способствует и малая теплопроводность льда. Хорошей защитой водоемов является и снег, покрывающий слой льда. Теплопроводность снега при пл. 0 ,1 г/см 5 соответствует теплопроводности шерсти, и при пл. 0 ,2 г/см^ - теплопроводности бумаги. 3. 4. Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается, как этого следовало бы ожидать. Вода обладает максимальной теплоемкостью по сравнению с другими веществами. Работа необходимая для перевода вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого состояния в газообразное состояние у воды имеет максимальную величину по сравнению с другими веществами. Это объясняется распадом ассоциированных молекул при нагревании. Силы межмолекулярного взаимодействия в воде обусловливают большую величину работы, необходимой для преодоления этих сил притяжения и перевода воды из жидкого в газообразное состояние. Эта работа характеризуется теплотой испарения. Вода по сравнению с другими жидкостями имеет наибольшую теплоту испарения, т.к. при нагревании воды теплота расходуется не только на повышении температуры, но и на распад ассоциированных молекул. Работа, необходимая для перевода вещества из твердого состояния в жидкое, - теплота плавления - у воды имеет максимальное значение. При охлаждении водяного пара и при замерзании воды выделяется эквивалентное количество теплоты. Вода обладает максимальной теплоемкостью по сравнению с другими жидкими и твердыми веществами. Эта аномалия воды имеет очень важное значение для существования жизни на Земле. Благодаря ей возможно возникновение огромных теплых и холодных океанических течений, сглаживающих климат теплых и холодных областей Земли. Массы воды океанов и морей служат тепловым аккумулятором. Эта аномалия способствует поддержанию нормальной температуры тела у теплокровных при переходе от одной температурной обстановки к другой. 5. Вследствие высокой диэлектрической постоянной равной 81, вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью, чем другие жидкости, т.е способностью растворять многие вещества и диссоциировать на ионы. У большинства растворителей диэлектрическая постоянная находится в пределах 10...50. 6. Аномально и изменение вязкости воды при повышении давления. В интервале температур 0...30°С вязкость воды с повышением давления уменьшается. 7. Вода обладает самым большим поверхностным натяжением из всех жидкостей - 75 эрг*см *2 (глицерин - 65 эрг*см*2, аммиак - 42, а все остальные - ниже 30 эрг*см*2), за исключением ртути - 436 эрг*см*2. Поверхностное натяжение и плотность определяют высоту, на которую может подняться жидкость в капиллярной системе при фильтровании через пористые преграды. Теплопроводность тела определяется коэффициентом теплопроводности - количество теплоты в калориях, которое проходит в 1 с через 1 см 2 пластинки толщиной в 1 см при разности температур в 1®С. Поверхностное натяжение - величина, характеризующая состояние поверхности жидкости, численно равная работе, которая затрачивается при образование единицы поверхности, в эрг*см 2 Если Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите Сtri-Enter. @2008-2014 Интеркемок Тем а № 1. С войства воды и водных растворов 1.4. Х имические свойства воды Вода - весьма реакционноспособное вещество. Она взаимодействует с окислами металлов и неметаллов, образуя гидраты основного и кислотного характера. Вода обладает амфотерными свойствами. При взаимодействии со щелочами она ведет себя как кислота, а с кислотами как основание. Активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода. Например, калий и натрий разлагают воду без нагревания, магний при нагревании, а железо при сильном нагревании. Вода взаимодействует с некоторыми солями, вызывая процесс обменного разложения (гидролиз). Тем а № 2. Растворимость вещ еств в воде 2.1. Дисперсные системы Если в каком-либо веществе (среде) распределено (диспергировано) в ввде очень мелких частиц другое вещество, то такая система называется дисперсной. В зависимости от агрегатного состояния распределенного вещества и среды возможны девять типов дисперсных систем (табл. 1 ). Свойства дисперсных систем, в первую очередь их устойчивость, сильно зависят от размеров распределенных частиц. 1. ГДП системы, В грубодисперсных системах частицы очень велики (более 10*4 мм) по сравнению с размерами молекул, эти системы непрочны, и распределенное вещество сравнительно быстро оседает или поднимается вверх. Такие малоустойчивые системы называются взвесями. В зависимости от агрегатного состояния распределенного вещества взвеси подразделяются на суспензии и эмульсии. Суспензии образуются при распределении твердых частиц в жидкости, а эмульсии состоят из двух несмачивающихся (расслаивающихся) жидкостей. Таблица 1 Типы дисперсных систем - 2. 3. Распределенное вещество Среда Условное обозначение Пример Газ Газ г+г Смесь газов Жидкость » ж+г Туман Твердое вещество » т+ г Дым Газ Жидкость г+ж Кислород в воде Жидкость » ж+ж Спирт в воде Твердое вещество » т+ ж Соль в воде Газ Твердое вещество г+т Раствор водорода в палладии Жидкость То же ж+т Жемчуг (мельчайшие капельки воды распылены в массе карбоната кальция) Твердое вещество » т+ т Твердые растворы (сплав золота и серебра в твердом состоянии) Молекулярные системы . Если раздробленное вещество доведено до размеров молекулярного состояния (1*10 *6 мм), такие высокодисперсные системы очень устойчивы, не разделяются при сколь угодно долгом стоянии. Эти системы общеизвестны и называются молекулярными или истинными растворами, обычно просто растворами. Коллоидые системы . Промежуточное положение между взвесями и молекулярными растворами занимают коллоидные системы (от 1*10*6 до 1*1<И мм). При неизменных внешних условиях коллоидные растворы достаточно устойчивы. Следовательно, всякий раствор состоит из растворенного вещества и растворителя. Часто бывает трудно установить, что является растворителем, а что - растворенным веществом. Условно принято считать растворителем то вещество, которое находится в избытке. Например, в 10%-ном растворе спирта спирт - растворенное вещество, а вода - растворитель. В системе, представляющей собой 96%-ный спирт, вода является растворенным веществом, а спирт - растворителем. Молекулярные растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями и механическими смесями. Однородность растворов и изменение теплового эффекта при растворении приближают растворы к химическим соединениям. Возможность изменения концентрации растворенного вещества в довольно широких пределах сближает растворы с механическими смесями. Общие законы, определяющие количественную сторону растворимости, не установлены. Руководствуются найденным на опыте правилом: подобное растворяется в подобном. В свете современных взглядов на строение молекул смысл его состоит в том, что если у растворителя молекулы полярны, то они будут хорошо растворять полярные и ионные молекулы и плохо - вещества с неполярными молекулами, и наоборот. Т е м а № 2. Растворим ость в е щ еств в воде 2.2. Растворимость газов в жидкостях Растворимость (абсорбция) газов в жидкостях различна. Например, при обычных условиях один объем воды может растворить 0,02 объема водорода, 400 объемом НС1 и 700 объемов NH3. Газы, состоящие из полярных молекул (НО) растворяются в воде лучше, чем газообразные неполярные соединения (Н, N). Большая часть газов растворяется в менее полярных растворителях лучше, чем в воде. Растворимость кислорода в воде в два раза выше, чем азота. Поэтому воздух, растворенный в воде, имеет другой состав, чем атмосферный. В атмосфере 21,2% кислорода, в воздухе, растворенном в воде всего 3,41%. Растворимость газов увеличивается с понижением температуры и уменьшается с ее повышением. Поэтому при кипячении жидкости происходит практически полное удаление из нее растворенных газов. Растворимость газов в жидкостях подчиняется закону Генри - Дальтона: при постоянной температуре растворимость каждого из компонентов газовой смеси в данной жидкости прямо пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью и не зависит or общего давления газовой смеси и содержания других компонентов (т. е. каждый газ растворяется так, как если бы он находился один в данном объеме). Так, вода при соприкосновении с воздухом растворяет столько же кислорода, сколько она растворила бы его, соприкасаясь с чистым кислородом, находящимся под давлением 0,2 атм (парциальное давление кислорода в воздухе). С изменением давления растворимость газов сильно изменяется, под растворимостью газа подразумевается масса газа, насыщающая данный объем жидкости при данном давлении этого газа над раствором. Примером, иллюстрирующим закон Генри - Дальтона, может служить газированная вода, представляющая собой приготовленным под давлением в несколько атмосфер насыщенный раствор двуокиси углерода. При снижении давления и соприкосновении газированной воды с воздухом, в котором парциальное давление СО2 составляет всего 0,2 мм рт. ст., растворенная двуокись углерода выделяется пузырьками в свободном виде. Математическое выражение закона Генри Дальтона: Ег = кРг где gs - вес газа, растворенного в единице объема, мг/л; к - коэффициент растворимости Освальдда (постоянная величина), его значение зависит от природы газа и растворителя к = g/p - определяется экспериментально; рг - парциальное давление над раствором мм. рт. Столба. Зависимость между растворимостью газа и температурой выражается уравнением Клазиуса | | щ где N2 и N] - растворимость газов в воде при Tj и 7$; X - мольная теплота растворения (испарения); R - универсальная газовая постоянная (8.31 Дж/(моль*К); Присутствие в воде солей уменьшает растворимость газов (установлено Сеченовым) \g — = K C N где N q, N - растворимость в чистой воде и электролите; С - концентрация солей; К - постоянная, зависящая от природы газа. Так растворимость кислорода в воде уменьшается на 25% в солевом растворе концентрацией 40 г/л. Поэтому в океане количество кислорода ниже. Т ем а № 2. Растворим ость в ещ еств в воде 2.3. Растворимость твердых веществ в воде Пределы растворимости твердых веществ в воде весьма широки: от 3*10'^ г, например для HgS, до 2570 г для AgN03 в 1 л воды. Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и температуры. Изменение давления крайне незначительно влияет на растворимость твердых: веществ в воде, так как жидкости практически не сжимаются. Лучше растворяются в воде те соединения, которые взаимодействуют с водой, образуя гидраты. Растворимость твердых веществ изменяется с повышением температуры различно. Так, растворимость KNO3 при изменении температуры от 0 до 100°С увеличивается в 18,5 раз, а растворимость ХаС1 - всего на 10%. Растворимость CaS04*2H20 и Са(ОН)2 с повышением температуры несколько уменьшается отрицательная растворимость. При растворении многих соединений происходит поглощение теплоты, так как энергия, выделяющаяся в процессе гидратации, меньше количества энергии, необходимого для разрушения кристаллической решетки. Поэтому при повышении температуры растворимость этих веществ в воде увеличивается. При обратном соотношении величин энергии гидратации и энергии, затрачиваемой на разрушение кристаллической решетки твердого вещества, растворимость соединений с повышением температуры уменьшается. Тем а № 2. Растворимость вещ еств в воде 2.4. Взаимная растворимость жидкостей Способность одной жидкости растворяться в другой жидкости определяется характером химической связи в молекулах этих соединений. Полярные жидкости хорошо растворяются в полярных, неполярные - в неполярных жидкостях. Взаимная растворимость жидкостей изменяется в самых широких пределах: от неограниченной способности растворяться их друг в друге до практически полной нерастворимости. При контакте двух ограниченно растворимых друг в друге жидкостей образуется система, состоящая из двух слоев, каждый из которых представляет собой насыщенный при данной температуре раствор одной жидкости в другой. Например, в системе вода - этилацетат верхний слой будет представлять собой раствор воды в этилацетате, а нижний - этилацетата в воде. Изменение количества одного или другого компонентов системы не влияет на равновесное распределение соединений в слоях, т. е. при постоянной температуре состав их остается постоянным. При повышении температуры растворимость ограниченно растворимых друг в друге жидкостей увеличивается и при определенной температуре (критической температуре растворения) они становятся неограниченно растворимыми одна в другой. В некоторых системах подобное изменение растворимости происходит и при понижении температуры. Взаимная растворимость жидкостей не сопровождается заметным изменением объема, поэтому незначительно зависит от давления. Температура кипения таких смесей ниже, чем температура кипения каждого из компонентов. Это так называемые азеотропные или нераздельно кипящие смеси. При полном испарении одного соединения температура кипения резко возрастает в результате значительного снижения давления пара над жидкостью. Это свойство азеотропных смесей используется для очистки производственных сточных вод от органических примесей (фенола, органических кислот) методом перегонки с водяным паром. Тем а № 2. Растворимость вещ еств в воде 2.5. С войства растворов Между жидкой водой и паром устанавливается равновесие, которому соответствует при данной температуре определенное давление насыщенного пара. В водных растворах концентрация молекул воды снижается и тем сильнее, чем больше содержание растворенного вещества. Поэтому из фазы пара в жидкую начинают переходил» молекулы воды до установления нового состояния равновесия. Вследствие этого давление насыщенного пара над раствором будет меньше, чем давление насыщенного пара над растворителем при той же температуре. Эта зависимость для разбавленных растворов выражается законом Рауля : относительное понижение давления насыщенного пара над раствором равно отношению числа молей растворенного вещества к сумме молей растворителя и растворенного вещества (молярной доле растворенного вещества). Ро~Р_ Ро * n+ N ’ где РО - давление насыщенного пара чистого растворителя: р - давление насыщенного пара над раствором; п - число молей растворенного вещества; JV- число молей растворителя. Понижение давления насыщенного пара над раствором вызывает изменение температуры кипения и замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем. Так как давление насыщенного пара над раствором ниже, чем над чистым растворителем при этой же температуре, то растворы кипят при более высокой температуре. Повышение температуры кипения раствора сравнительно с растворителем будет тем значительнее, чем выше его концентрация. Это соотношение, полученное Ванг-Гоффом (1886), выражается уравнением АТК= Ет> где АТК- повышение температуры кипения, °С; m - моляльная концентрация раствора; Е - эбуллиоскопическая постоянная растворителя, равная для воды 0,52°С. Понижение температуры замерзания растворов АТ3 также связано с уменьшением давления насыщенного пара над раствором и так же подчиняется закону Ванг-Гоффа Д Т3 = Km, где К - криоскопическая постоянная растворителя, для воды равная 1,8б°С. Поэтому морская вода содержащая до 3,5% солей замерзает при температуре -1,9°С. Осмотический перенос. Движущей силой осмотического переноса молекул является разность концентрации по обеим сторонам полупроницаемой мембраны. При равенстве концентраций осмотическое давление равно 0. Зависимость осмотического давления от концентрации подчиняется закону Ванг-Гоффа ж- cRT, где с - молярная концентрация раствора, г/моль; R- газовая постоянная, л.атм'град.моль; Т - абсолютная температура, град. Все разбавленные растворы проявляют осмотическое давление, численно равное тому газовому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы оно находилось в газообразном состоянии и занимало бы объем, равный объему раствора. Эта закономерность справедлива для растворов неэлектролитов. В растворах электролитов вследствие диссоциации находится большое число частиц. Поэтому уравнения, характеризующие свойства растворов неэлектролитов, можно использовать для электролитов, если ввести поправочный коэффициент Ванг-Гоффа - i, показывающий во сколько раз число растворенных частиц в растворе электролита больше, чем в растворе неэлектролита. i = Д Т31/АТ3 = АТК1/АТК = АР1/АР = ж1/к, где в числителе величина, полученная экспериментальным путем. Тем а № 2. Растворимость вещ еств в воде 2.6. Теория сильны х электролитов Под действием полярных молекул воды при растворении электролитов происходит диссоциация их молекул на ионы. По способности к образованию ионов в водных растворах электролиты делятся на ионизированные полностью, когда в растворе находятся только ионы (сильные электролиты), и слабые, в растворах которых наряду с ионами находятся и молекулы растворенного вещества. Способность вещества к образованию ионов количественно выражается степенью диссоциации а, представляющей собой отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества. При уменьшении концентрации она возрастает и в сильно разбавленных растворах приближается к 100%. Процесс диссоциации слабых электролитов является обратимым. Поэтому, применив закон действия масс к процессу электролитической диссоциации, получим величину константы диссоциации, выраженную отношением числа продиссоциированных молекул к числу недиссоциированных молекул. Так, константа диссоциации угольной кислоты по первой ступени имеет следующее выражение: Н2 С 0 3 = Н* + Н С03- Ki = [ H i [НСО3 -] / [Н2 С 0 3]. При изучении растворов сильных электролитов было установлено, что они не подчиняются закону действия масс. Константа диссоциации сильных электролитов зависит от концентрации, а именно при повышении концентрации она уменьшается. В 1923 г. П. Дебай и Э. Хюккель предложили теорию сильных электролитов, согласно которой в растворах сильных электролитов находятся только ионы. Между ионами осуществляется взаимодействие, приводящее к тому, что каждый ион оказывается окруженным ионами противоположного знака (ионной сферой). Ионы, входящие в состав сферы, в свою очередь, являются центрами, вокруг которых располагаются ионы противоположного знака. Ионы в растворе распределяются так же, как и в кристаллах, но на значительно большем расстоянии друг от друга. При этом их взаимное влияние ослабляется присутствием молекул растворителя. В сильно разбавленных растворах действие межионных сил выражено незначительно и кажущаяся степень диссоциации становится близкой к 100%. Увеличение концентрации раствора сопровождается усилением взаимодействия между ионами, что способствует уменьшению их подвижности в электрическом поле и снижением кажущейся степени диссоциации электролита. В растворах сильных электролитов претерпевает изменение и структура растворителя (воды) вследствие гидратации, поляризации молекул воды под действием ионов. При увеличении концентрации раствора подвижность ионов снижается и поэтому растворы сильных электролитов характеризуются величиной эффективной концентрации, которая меньше истинной. Она называется активной концентрацией или активностью электролита. Между активной и истинной концентрацией существует зависимость * = Л С ], где а - активная концентрация, или активность, мольл; С - истинная концентрация раствора, моль-л (г*ионл); / - коэффициент активности. Из соотношения следует, что коэффициент активности представляет собой отношение активности к истинной концентрации. В сильноразбавленных растворах f стремится к единице и а = с. Если в растворе находится смесь электролитов, то электростатическое действие ионов друг на друга характеризуется ионной силой раствора ц.: _CjZj н c2z\ +...c„z* г где С, Ср , ..., Сп - истинные концентрации отдельных ионов: Zj, Z2 , . .. , Zn - заряды ионов (валентность). Коэффициент активности не зависит от химической природы иона и одинаков для всех равнозарядных ионов при определенной ионной силе раствора . В водах с малым солесодержанием (до 200 мг/л) коэффициент активности не принимается во внимание / = 1 . При большей концентрации раствором электролитов в расчетах необходимо учитывать коэффициент активности. Для растворов с ионной силой до /г < 0,01 коэффициент активности f будет равен l g / = -0 .5 Z 2^ . Для растворов с ц - 0,5... 0,01 коэффициент активности f будет равен , 0,5 г 2& i g / = — -— v 1+1*5# Эта формула применима для расчетов растворов с концентрацией до 50 мг-экв/л. Молярные или ионные концентрации принято обозначать химической формулой соединения в квадратных скобках либо буквой а с индексом иона. Например: ионные концентрации [НСО3 "*], [Са2+]: активные концентрации (НСОз“), (Са2+), аНС03“ аСа2+; Т е м а № 2. Растворим ость в ещ еств в вод е 2.7. Произведение растворимости (ПР) Растворимость некоторых веществ (СаСОз, AgCl, FeS, CuS) не может быть выражена обычными методами, ввиду их очень малой растворимости. Но абсолютно нерастворимых веществ нет. Для выражения растворимости практически нерастворимых нерастворимых веществ пользуются условной величиной - ПР. Труднорастворимые вещества всегда имеют над осадком насыщенный раствор. Между твердым веществом и раствором происходит взаимный обмен ионами. С поверхности вещества ионы переходят в раствор и наоборот. При образовании насыщенного раствора в системе устанавливается динамическое равновесие, т.е. скорости растворения и осаждения будут равны. Например: в насыщенном растворе СаСОз существует динамическое равновесие СаС03 <-»• Са2+ + С032" теердое вещество раствор Применим закон действия масс к этой системе [а 2 2 +] [ с о | “] * . ------ —— — = К (константа равновесия) [СаСОгХ ^ В обратимой системе: осадок «-►насыщенный раствор, равновесная концентрация [СаСОз]осад. При данной концентрации есть величина постоянная и ее можно объединить с константой равновесия К. Тогда [Са2+][С032- ] = К[СаС03]осад = ПРСаС03> т.к. произведение концентрации ионов электролита характеризует способность растворятся, то эту величину называют произведением растворимости (ПР). Смысл уравнения в следующем: как бы не менялась концентрация отдельных ионов в насыщенном растворе, их произведение при данной температуре сохраняет одну ту же величину. Так ПРсаС0 3 = 4,8* 10'^ г*ион/л (моль/л) при 25°С, ПРсаС0 3 = 9,9* 10‘^ г*ион/л при 15°С. Если определяется растворимость соединения, состоящего из одного катиона А и одного аниона В (например CaSCXj), то растворимость S определяется по формуле S = у 4 ПРАВ ^МОЛЬ/Лу где f - коэффициент активности ионов. Если при диссоциации электролита образуется несколько одинаковы ионов, то ПР будет равно произведению активных ионов в степени, соответствующей количеству образующихся ионов. Например: nPMg3(P04)2 = [Mg2*]3. [РО43-]2 . В сильноразбавленных растворах молярная концентрация насыщенного раствора электролита будет S = C = -JIlP Пример 1: ПРА§С1= 1,61*10-10 при 20°С. Определить концентрацию ионов серебра и хлора в насыщенном растворе AgCl, не содержащем других веществ. [Ag^CCT] = 1,б1*10-10. Для насыщенного раствора X = [Ag*] = [СГ]/ Х=лД.61*10"ш = 1 .2 7 * 10"5 г*ион/л (молыл). Пример 2: Определить концентрацию ионов серебра в растворе NaCl однонормальной концентрации, насыщенном относительно AgCl и сравнил» результаты. Концентрация С1 - концентрации NaCl, т.е. равна 1г*ион/л. Так как растворимость AgCl очень мала, количеством СГ при растворении AgCl можно пренебречь. Тогда [Ag*] = nPAgo / [СГ] = (1,б1*10‘10)/1 = 1,б1*10'10 г*ион/л, т.е. в присутствии NaCl концентрация серебра понизилась в (1,27*10'5)/ (1,61 * 1 0 '^ = 80000 раз Пример 3: IIPcaS04 = 6,25*10'5 г*ион/л при 25°С. nPcaS 0 4 = 6,25*10° г*ион'л при 25°С. Определил» концентрацию соли без учета ионной силы раствора и с учетом коэффициента активности, а) без учета коэф. активности. [Ca2 +][S 0 42"] = nP. [Са2 :] = [SO 4 2-] = X, где х - л /П Р - ^ = ^ /б , 2 5 * 1 0 ”5 = 7,91*10*3 г*ио»л или CcaS0 4 = Х*М = 7,91*10‘3 *136 = 1,0757 г/л. б) определим ионную силу раствора ц. ц. = l/2(C iZ i 2 -i- C2 Z22) = 1/2(7,91*10*3*22 + 7,91*10-3*22) = 31,64*10*3 в) определил! коэффициент активности ионной силы раствора lg f = -0,5 § $ , = -0,5*2 2 ^ 31 j64* 1 0 - 3 = -0, 3624 f = 0,434/ г) определим концентрацию СаБОд с учетом коэффициента активности f. x CaS04 = J / 6 ,2 5 -10'5 7,91-10‘3 V 0,434-0,434 0,434 .............. , , —------- -jr -------LI------ ---------------- = —--------------= 18,22*10 j г*иок/л. С = 18,22*10°*136 = 2,477 г/л, т.е. 2,2 раза выше, чем без учета коэф. активности. Присутствие посторонних солей также увеличивает ионную силу раствора и также сказывается на повышении растворимости труднорастворимых веществ. Это явление называется солевым эффектом. В насыщенных растворах малорастворимых соединений концентрация ионов так мала и силы взаимодействия между ионами выражены так слабо, что при расчетах растворимости веществ принимают коэф. активности ионов равными 1 (f = 1) - Еслн Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите Сtri-Enter. 2008-2014. Иктарка?-; Тем а № 2. Растворимость вещ еств в воде 2.8. И онное произведение воды Вода - очень слабый амфотерный электролит, диссоциирующий на ион водорода и гидроксила. Уравнение имеет вид Н20 <-> 1Г + ОН" В соответствие с законом действия масс можно записать [ н * ж > т — K Ht0 - константа диссоциации. Она определяется опытным путем и при t = 25®С равна 1,86*10*^. Т.К. степень диссоциации очень мала, то можно принять концентрацию недиссоциированных молекул воды постоянной. Тогда [Н* ]+ [ОН- ] = Kh ^o № 0 ] = Кв - ионное произведение воды. При постоянной температуре Кв будет постоянной величиной, при t = 25°С будет равна Кв —1*10*14 г*ио»л. Это очень важная величина, Она остается постоянной при любых концентрациях Н" и ОН-, то Кв будет постоянной при t = const. Ионное произведение воды дает возможность вычислить концентрацию ОН“ при известной концентрации ионов Н* и наоборот. Любое повышение концентрации иона водорода уменьшает концентрацию гидроксила. Например: [Н^ ]= 1 * 1 0 ' 2 г*ион/л. Определить [ОН" ]. [Н* ] [ОН" ] = 1*10- 1 4 г*ио»л. [ОН" ].= 1*10-14 /1*10-2= 1*10- 1 2 г*ион/л. Пользуясь ионным произведением воды можно дать количественную характеристику любой реакции среды с помощью концентрации водородных ионов. В кислой среде концентрация водородных ионов будет больше. Для удобства пользуются водородным показателем pH, который равен отрицательному десятичному логарифму концентрации водородных ионов pH = -lg[H+ ] Р Г ] = 1*10°": pH = 5. При pH = 7 - реакция нейтральная: pH < 7 - кислая; pH >7 - щелочная. Считается, что природные воды нейтральные при pH = 6,5...8,5, pH < 6,5 - кислые, pH > 8,5 - щелочные. Эти данные справедливы только при t = 25°С, При нагревании степень диссоциации сильно увеличивается, что приводит к увеличению Кв. Тем а № 3. Характеристика источников водоснабжения Природные воды по своему составу весьма разнообразны. В состав воды входят соли, преимущественно в виде ионов, молекул и комплексов, органические вещества - в молекулярных соединениях и в коллоидном состоянии, газы - в виде молекул и гидратированных соединений, диспергированные примеси, гидробионты (планктон, бентос, нейстон, пагон), бактерии, вирусы. Таким образом, природная вода представляет собой сложную, непрерывно изменяющуюся систему', содержащую минеральные и органические вещества, находящиеся во взвешенном, коллоидном и истинно растворенном состоянии, а также газы. Во взвешенном состоянии в природных водах содержатся глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы, в коллоидном - различные вещества органического происхождения, кремнекислота, гидроксид железа и другие, в истинно растворенном состоянии находятся в основном минеральные соли, обогащающие воды ионами, в виде растворенных газов - углекислота, сероводород, метан. По О.А. Алекину, химический состав природных вод подразделяется на пять групп: главные ионы, содержащиеся в наибольшем количестве: натрий Ха", калий К7, кальций Са2+, магний Mg2*, сульфатные БОд2-, карбонатные СОз2-, хлоридные СГ, гидрокарбонатные НС03“; растворенные газы (азот N 2 , кислород Си: оксид углерода ССЬ, сероводород H2 S, метан СН4 и др.); биогенные элементы (соединения фосфора, азота, кремния); микроэлементы - соединения всех остальных химических элементов; органические вещества. Поверхностные воды характеризуются большим содержанием нерастворимых веществ, в частности органических соединений. Помимо частиц песка и глины они содержат лёсс, илистые вещества, различные карбонатные соединения, гидроксиды алюминия, марганца и железа, высокомолекулярные органические примеси гумусового происхождения, иногда в виде органоминеральных комплексов, планктон и др. Размеры взвешенных веществ варьируются от коллоидных до грубодисперсных частиц (табл. 1 . 1 ). Таблица 1.1 Гидравлическая крупность, мм/с Время осаждения частиц на глубину 1 м Ч 0 *4... 1 * 1 0 - 6 7*10*6 4 года Тонкая глина 1*10-3... 5*10-4 7*10-4... 17*10-5 0,5 ... 2 мес Глина 27*10-4 5*10-3 Мелкий ил 1*10-2... 5*10-3 7*10-2... 17*10-3 4 . .. 18 ч Ил 5*10-2... 27*10-3 1,7 ... 0,5 1 0 ... 30 мин Песок мелкий 0 ,1 7 2,5 мин То же, средний 0,5 То же, крупный 1 .0 Взвешенные вещества Коллоидные частицы Размер частиц, мм 2 50 2 сут 20 с Юс Содержание взвешенных веществ в поверхностных водоисточниках изменяется от нескольких единиц до десятков тысяч мг/л. Как правило, южные реки характеризуются большим содержанием взвеси. Так, в низовьях Сырдарьи содержание взвешенных веществ достигает 12 ... 14 г/л. Вышкой концентрацией взвеси в воде отличаются реки Хуанхэ, Амазонка, Инд, Ганг, Миссисипи и др. Содержание солей в речных водах достигает 1,5 г/л и более. Минимальное содержание солей характерно для северных рек с поверхностным питанием (Нева, Сев. Двина, Лиелупе), а максимальное для южных, которые питаются подземными водами (Кура, Терек, Риони). По виду растворенных солей реки подразделяют на несколько классов, например гидрокарбонатные (Волга, Кама, Днепр), сульфатные (Дон, Сев. Донец), хлоридные (Эмба, Ишим). Содержание органических веществ в речных водах достигает 180 мг/ л и более (северные реки). В воде озер содержание солей варьируется от 30 (Ладожское) до 5820 мг/л (Иссык-Куль) и выше. Количество органических веществ в них достигает 100 мг/л и более. Состав воды водохранилищ зависит от условий формирования и источников питания. Как правило, вода хранилищ характеризуется значительным содержанием органических веществ, наличием планктона и повышенной минерализацией в придонных слоях. В отличие от поверхностных, подземные воды отличаются небольшим количеством органических веществ и значительным содержанием минеральных солей, а иногда и растворенных газов (H2 S, СО2 , СН4 ). При наличии гидравлической 100 связи между поверхностными и подземными водами последние отличаются повышенной окисляемостью. Наблюдается прямая зависимость между глубиной залегания подземных вод и степенью их минерализации. Подземные воды часто характеризуются значительной жесткостью и повышенным содержанием железа, марганца, фтора. Л.А. Кульским предложена классификация примесей воды, основанная на их фазовом состоянии и дисперсности. Примеси воды разделены на четыре группы.________________________________________________________________________ JI.A. Кульским предложена классификация примесей воды, основанная на их фазовом состоянии и дисперсности. Примеси воды разделены на четыре группы. Примеси первой группы проникают в воду вследствие эрозии слагающих ложе водоема пород и смыва с поверхности почв. Они представляют собой нерастворимые в воде суспензии и эмульсии, планктон и бактерии, кинетически неустойчивые и находящиеся во взвешенном состоянии благодаря гидродинамическому воздействию водного потока. В состоянии покоя эти взвеси декантируют. Примеси второй группы - гидрофильные органические и минеральные коллоидные частицы, вымываемые водой из грунтов и почв, а также нерастворимые и недиссоциированные формы гумусовых веществ, детергенты и вирусы, которые по своим размерам близки к коллоидным примесям. Агрегативная устойчивость гидрофильных частиц обусловлена наличием двойного электрического слоя из адсорбированных и диффузионных слоев ионов или образованием на междуфазной поверхности частиц стабилизирующих слоев. Примеси третьей группы - молекулярно-растворенные вещества: органические соединения, растворимые газы и т. п. Между ними под действием ван-дер-ваальсовых сил происходит ассоциация однородных соединений разнородных молекул. Примеси четвертой группы - вещества, диссоциированные на ионы. В результате процесса гидратации кристаллическая структура этих веществ разрушается. Устойчивость образующихся гидроксидов металлов прямо пропорциональна их заряду и обратно пропорциональна радиусу. Концентрация отдельных примесей в воде определяет ее свойства, совокупность которых называют качеством воды. Показатели качества воды подразделяют на физические (температура, взвешенные вещества, цветность, запах, вкус и др.), химические (жесткость, щелочность, активная реакция, окисляемость, сухой остаток и др.), биологические (гидробионгы) и бактериологические (общее количество бактерий, коли-индекс и др.). Водные объекты, пригодные в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, согласно ГОСТ 2761-84 делят на три класса в зависимости от качества исходной воды и требуемой степени обработки для доведения ее до лимитов ГОСТ 2874-82 «Вода гольевая». Для подземных вод класс водоисточника определяют следующим образом: 1-й класс - исходная вода по всем показателям отвечает ГОСТ 2874-82: 2-й класс - качество воды по отдельным показателям отлично от лимитов ГОСТ 2874-82, что может быть устранено аэрированием с последующим фильтрованием и обеззараживанием; 3-й класс - доведение качества воды до показателей ГОСТ 2874-82 основано на использовании реагентов, применении методов обработки, предусмотренных для вод 2 -го класса, с дополнительным предварительным отстаиванием и фильтрованием. Для определения класса поверхностных вод следует руководствоваться следующим: • • 1-й к л а с с -д л я доведения исходной воды до лимитов ГОСТ 2874-82 необходимо коагулирование с последующим фильтрованием и обеззараживание или только фильтрование и обеззараживание; 2-й класс - для получения воды, отвечающей ГОСТ 2874-82, необ-ходимо коагулирование, отстаивание (или обработка в слое взвешенного осадка), фильтрование, обеззараживание, а при наличии планктона - еще предварительное микрофильтрование; • 3-й класс - доведение качества исходной воды до лимитов ГОСТ 2874-82 основано на использовании технологии, предусмотренной для вод 2-го класса с применением дополнительной ступени осветления или окислительных и сорбционных методов. Данные табл. 1.2 дают представление об описанной классификации. 1 аолгща i.z Наименование показателя Показатели качества воды источника по классам 1 2 3 1,5 10,0 Подземные воды Мутность, мг/дм3, не более 1,5 Цветность, град, не более 20 20 50 Водородный показатель (pH) б...9 б...9 б...9 Железо (Fe), м г/дм , не более 0,3 10 20 Марганец (Мп), мг/дм3, не более 0,1 1 2 Сероводород (H2S), мг/дм3, не более Отсутствие 3 10 Фтор (F), мг/дм3, не более 1,5...0,7* 1,5...0,7* 5 Окисляемость перманганатная, мгС>2/дм3, не более 2 5 15 Число бактерий группы кишечных палочек (БГКП) в 1 дм3, не более 3 100 1000 Поверхностные воды *В зависимости от климатического района. Мутность, мг/дм3, не более 20 15 000 10 000 Цветность, град, не более 35 120 200 Запах при 20 и 60°С, баллы, не более 2 3 4 Водородный показатель (pH) б,5...8,5 б,5...8,5 б,5...8,5 Железо (Fe), мг/дм3, не более 1 3 5 Марганец (Мп), мг/дм3, не более 0,1 1,0 2,0 Фитопланктон, мг/дм3, не более 1 5 50 То же, кл/см3, не более 1000 100 000 100 000 Окисляемость перманганатная, м гО ^дм , не более 7 15 20 БПКпол, м гО ^дм , не более 3 5 7 Число лактозоположительных кишечных палочек в 1 дм3 воды (ЛКП), не более 1000 10 000 50 000 Влияние примесей воды на ее качество Для определения качества воды производят физические, химические, бактериологические, биологические и технологические анализы в наиболее характерные для данного водоисточника периоды времени года. Порядок отбора проб (ГОСТ 18963-73*) и оценка качества воды регламентированы ГОСТ 17.1.3.03-77* «Охрана природы. Гидросфера. Правила выбора и оценки качества источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения». Число и объем анализов качества воды зависят от ее назначения (табл. 1.4). Для получения надежных данных по качеству воды источника необходимо: не менее двух разовых проб воды из межпластовых напорных водоносных горизонтов, взятых с интервалом не менее суток: по две пробы с интервалом не менее суток для других подземных водоисточников, отбираемые в течение года в каждый характерный в рассматриваемом регионе период: не менее двух проб для водоисточников в карстовых районах, отбираемых после сильных дождей через интервал времени, необходимый для прохождения воды через закарстованную породу; не менее 1 2 ежемесячных проб в течение года для поверхностных водоисточников, а для устьев рек, впадающих в море, - еще во время нагона воды с моря. Для подземных водоисточников, не исключающих возможности загрязнения с поверхности или посезонные колебания состава и свойств воды, необходимо проводить ее анализы на бытовые и промышленные загрязнения. В случае неблагоприятной санитарной и эпидемической обстановки поверхностного водоисточника (коли-индекс более 10 ООО) необходимы дополнительные исследования воды на патогенные кишечные бактерии и вирусы и на показатели свежего фекального загрязнения. О качестве природной воды судят на основе ее полного анализа. Проверка правильности определения солевого состава может быть произведена по равенству суммы главных катионов сумме доминирующих анионов, выраженных в мг/л и пересчитанных в мг-экв/л согласно уравнению Na+ К + Са+ Mg+ _ СГ НСО~г S O f StC$~ 23,0 39,1 20,05 12,16 “ 35,5 61,03 38,03 48,03 Расхождение между левой и правой частями выражения не должно превышать 5 %. Температура воды подземных источников характеризуется постоянством ( 8 ... 12 °С). Температура воды поверхностных источников меняется по сезонам года (от 0,1 до 30 °С) и зависит от поступления в них подземных вод, а также сбросов использованной охлажденной воды. Оптимальная температура воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения равна 7 ... 11 °С. Прозрачность; мутность и взвешенные вещества характеризуют наличие в воде суспендированных частиц песка, глины, ила, планктона, водорослей и др. Мутность воды (мг/л) определяют фотоэлектрокалориметром. По ГОСТ 2874-82 мутность питьевой воды не должна превышать 1,5 мг/л. На водоочистных комплексах часто определяют обратную величину - прозрачность (ГОСТ 3351-74) по «кресту» или по «шрифту». Нахождение прозрачности по «кресту» используют при систематическом контроле работы отдельных ступеней очистки воды и при оценке качества фильтрата, в остальных случаях применяют определение прозрачности по «шрифту». Нормой прозрачности для питьевой воды является: по «кресту» - 300 см, по «шрифту» - 30 см. Цветность воды, т. е. ее окраска, обусловлена присутствием в воде, гумусовых и дубильных веществ, белково- и углеводоподобных соединений, жиров, органических кислот и других органических соединений, входящих в состав живых и растительных организмов, населяющих воду и являющихся продуктами их жизнедеятельности или распада. Наряду с этим окраска воды может быть вызвана присутствием соединений железа, сточных вод некоторых производств или «цветением» водоемов. При массовом развитии водорослей из группы протококковых вода приобретает светло-зеленую окраску, диатомитовых - зеленовато-бурую, перидиниевых - темно-бурую, синезеленых - изумрудно-зеленую. Обычно цветность природных вод обусловлена гумусовыми веществами. При этом нерастворимые гумусовые вещества почвы в природных водах присутствуют лишь во взвешенном состоянии, а в коллоидно- и истинно растворенном состоянии присутствуют фульво- и гуминовые кислоты, преимущественно в виде солей щелочных и щелочноземельных металлов. Исследования М.А. Шевченко функциональных групп гуминовых кислот показали, что в их составе имеются карбоксильные и фенолгидроксильные группы, обусловливающие их кислотные свойства. Известны устойчивые соединения гумуса с глиной, комплексные органоминеральные соединения с железом, кремнием и т. д. Фульвокислоты (названные так по их желтой окраске) - группы близких по строению органических соединений, ароматическая связь которых выражена слабее, чем в гуминовых кислотах. В них также содержатся карбоксильные и фенолгидроксильные функциональные группы, обусловливающие их кислотные свойства. Они более диссоциированы и могут присутствовать в воде в коллоидной или истинно растворенной форме. По степени растворимости их бариевых солей фульвокислоты разделяют на креновую и апокреновую кислоты. Креновая кислота является комплексом наименее окисленных форм гумусовых веществ. Ее растворы характеризуются светло-желтой окраской, а бариевые соли растворимы в воде. Апокреновая кислота представляет собой смесь более окисленных гумусовых соединений. Ее растворы имеют окраску от розовой до желтой, а бариевые соли в воде - нерастворимы. В поверхностных водах с увеличением жесткости, а в гидрокарбонатных водах - щелочности, цветность обычно уменьшается, в то время как мягкие воды с небольшой щелочностью обычно характеризуются высокой цветностью. Следует отметить, что устойчивость гумусовых веществ к действию окислителей и адсорбентов возрастает в ряду: гуминовые кислоты - коллоидно-растворимые фульвокислоты - истинно растворимые фульвокислоты. Поэтому при обесцвечивании воды коагулированием необходимо учитывать не только величину цветности обрабатываемой воды, но и фракционный состав определяющих ее гумусовых веществ. Так, преобладание истинно растворимых фульвокислот приводит к ухудшению процесса коагуляции, несмотря на относительно небольшую исходную цветность воды. Цветность воды измеряется в градусах платиново-кобальтовой шкалы питьевой воды, она не должна превышать 20°. Для определения цветности применяют фотоэлектрокалориметры (ФЭК) и спектрофотометры (СФ), действие которых основано на измерении оптической плотности воды. Привкусы и запахи, встречающиеся в природных водах, могут быть естественного (присутствие железа, марганца, сероводорода) или искусственного (сброс промышленных стоков) происхождения. По ГОСТ 3351-74 различают четыре основных вкуса воды: соленый, горький, сладкий и кислый. Многочисленные опенки вкусовых ощущений, складываемые из основных, называют привкусами. Соленый вкус воды обычно обусловлен присутствием хлорида натрия, горький сульфата магния, кислый вкус в большинстве случаев объясняется избытком растворенной углекислоты (минеральные воды), железистый привкус придают воде растворенные соли железа, щелочной - поташ, сода, едкие щелочи, вяжущий сульфат кальция, соли марганца. К запахам естественного происхождения относят землистый, рыбный, гнилостный, сероводородный, ароматический, болотный, глинистый, тинистый и др. К запахам искусственного происхождения относят хлорный, камфарный, аптечный, фенольный, хлор-фенольный, запах нефтепродуктов. Возникновение в поверхностных водоемах запахов естественного происхождения обычно связано с массовым развитием водорослей - диатомовых, синезеленых, хризомонады и т. д. В процессе жизнедеятельности водоросли продуцируют в воду специфические органические вещества. После отмирания они гниют на дне водоема, вызывая различные привкусы и запахи. Многие плесени и лучистые грибки (например, актиномицеты) также вызывают привкусы и запахи естественного происхождения, которые являются сложными смесями ароматических углеводородов и кислородосодержащих соединений - кетонов, спиртов, альдегидов, эфиров и др. Эти вещества летучи, хорошо адсорбируются активным углем и разрушаются сильными окислителями. Интенсивность и характер запахов и привкусов воды в настоящее время определяют органолептически, т. е. с помощью органов чувств по пятибалльной шкале (табл. 1.5). Предел вкусовых ощущений человека весьма высок: так, хлорфенол им обнаруживается на вкус при концентрации 0,000004 мг/л. Запах иногда характеризуют по «порогу разбавления» исходной дистиллированной воды с установлением кратности разбавления, необходимой, чтобы запах или привкус стали неощутимыми. Запах, вкус определяют непосредственным дегустированием при комнатной температуре, а также при 60 СС, что вызывает их усиление. По ГОСТ 2874-82 привкус и запах, определяемые при 20 °С, не должны превышать 2 баллов. Общий, сухой, прокаленный остаток (мг/л или мг-экв/л) - понятия, позволяющие судить о количестве солей и концентрации примесей, содержащихся в природных водах. Общий или плотный остаток характеризует содержание в воде в основном примесей неорганического происхождения. Он представляет собой остаток от выпаривания известного объема нефильтрованной воды, который затем высушивают при 110°С до постоянной массы. Таблица 1.5 Характер запахов и привкусов по степени их интенсивности Наименование показателей не ощущается очень слабый слабый заметный отчетливый очень сильный Привкусы и запахи Не обнаруживаются Обнаруживаются дегустатором Обнаруживаются потребителем Обнаруживаются легко Делают воду неприятной Делают воду непригодной для питья То же, в баллах 1 2 3 4 5 Запах по порогу разбавления 5 10 50 100 Сухой или растворенный остаток характеризует содержание минеральных солей и нелетучих органических соединений. Он получается при выпаривании известного объема определяемой воды, предварительно профильтрованной через бумажный фильтр. Прокаленный остаток характеризует содержание в испытуемой воде неорганических примесей. Он определяется путем выпаривания известного объема воды, прокаливания полученного остатка при 800 °С и его взвешивания. Различают прокаленный растворенный остаток и прокаленный общий остаток. В первом случае пробу воды перед выпариванием фильтруют через бумажный фильтр, а во втором - нет. Из сказанного очевидно, что прокаленный растворенный остаток характеризует солесодержание воды. Согласно ГОСТ 17.1.3.03-77*, растворенный остаток в воде источника питьевого назначения не должен превышать 1 г/л. В случае несоблюдения этого условия вода должна подвергаться опреснению. При употреблении человеком воды с повышенным содержанием солей наблюдается гиперминерализация организма, что вызывает различные функциональные заболевания. Величина растворенного остатка лимитируется для воды, используемой при производстве кино- и фотопленки, капрона, капролактама, каучука, а также для питательной воды паровых котлов. Так, для котлов высокого давления необходимы вода, величина растворенного остатка которой близка к нулю. Хлориды и сульфаты (мг/л или мг-экв/л) благодаря своей высокой растворимости присутствуют во всех природных водах обычно в виде натриевых, кальциевых и магниевых солей. Растворимость поваренной соли составляет 360 г/л, а хлористого магния - 545 г/л. Содержание сульфатионов в природных водах варьируется в пределах 60 ... 100 мг/л. При отсутствии в воде кислорода сульфатионы под действием сульфатредукцирующих бактерий восстанавливаются до сероводорода. При повышенном содержании хлоридов и сульфатов вода становится агрессивной по отношению к бетону. Воды, содержащие сульфат-ион свыше 250 мг/л, оказывают разрушающее действие на бетонные конструкции вследствие образования гипса (результат реакции между сульфатами и известью цемента), что вызывает возникновение трещин в бетоне. В свою очередь, присутствие в воде большого количества хлориона приводит к выщелачиванию и разрушению хлористого магния и кальция. Наличие в воде значительных концентраций хлоридов и сульфатов свидетельствует о повышенном растворенном остатке воды, что служит препятствием для использования подобной воды не только для питания паровых котлов, но и в производстве ряда полимеров, синтетического каучука, бумаги и др. Присутствие в питьевой воде повышенного количества сульфата натрия нарушает деятельность желудочно-кишечного тракта, в то время как сульфаты и хлориды магния и кальция обусловливают некарбонатную жесткость воды. Щелочность воды (мг-экв/л) определяется суммой содержащихся в воде гидроксильных ионов и анионов слабых кислот - угольной, органических. Различают бикарбонатную, карбонатную и гидратную щелочность, а их сумма определяет общую щелочность воды. Щелочные металлы (мг/л) в природных водах обычно представлены ионами калия и натрия с преобладанием последнего. Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния. Жесткость воды выражают в мг-экв/л (1 мг-экв/л жесткости или 12,16 мг/л ионов магния). За руЬежом жесткость воды измеряют различными градусами жесткости: один немецкий градус составляет 10 мг/л СаО: один английский градус - 10 мг СаСОз в 0,7 л воды: один французский градус - 10 мг/л СаСОз; °ДИН американский градус - 1 мг/л СаСОз. Единицы измерения жесткости воды мг-экв/л МГ-ЭКВ/Л Немецкий градус Французский градус Английский градус Американский градус 1,000 0,356 0,199 0,284 0,019 Градусы жесткости немецкий французский английский американский 2,804 1,000 0,560 0,798 0,056 5,005 1,784 1,000 1,423 0,100 3,511 1,252 0,701 1,000 0,070 50,045 17,847 10,000 14,253 1,000 Различают карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды. Карбонатная жесткость обусловлена содержанием в воде карбонатных и бикарбонатных солей кальция и магния. Карбонатная жесткость легкоустранима при кипячении воды, так как бикарбонаты распадаются с образованием углекислоты и декантацией карбоната кальция и гидроксида магния. Некарбонатная жесткость обусловлена кальциевыми и магниевыми солями серной, соляной, кремниевой и азотной кислот. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости определяет общую. Жесткость природных вод не является вредной для здоровья человека, а скорее наоборот, так как кальций способствует выводу из организма кадмия, отрицательно влияющего на сердечно-сосудистую систему. Однако повышенная жесткость делает воду непригодной для хозяйственно-бытовых нужд, поэтому согласно ГОСТ 2874-82 норма общей жесткости - 7 мг-экв/л, а допустимая величина - 10 адг-экв/л. Жесткость воды ограничивается для питания котлов, поскольку соли кальция и магния -образуют накипь на стенках котлов, что приводит к снижению их экономичности, а иногда к авариям. Жесткость воды лимитируется при ее использовании на предприятиях бумажной и текстильной промышленности, при производстве искусственного волокна, в добавочной воде оборотных систем водоснабжения. Железо и марганец присутствуют в природных водах в формах, зависящих от величины pH и окислительно-восстановительного потенциала. Так, железо может находиться в формах двух- и трехвалентных ионов, органических и неорганических коллоидов, комплексных соединений, тонкодисперсной взвеси,, сульфида железа, гидроксидов железа. В подземных водах при отсутствии кислорода железо и марганец встречаются обычно в форме двухвалентных солей. В поверхностных водах железо и марганец встречаются в форме органических, комплексных соединений, коллоидов или тонкодисперсных взвесей. Обычно содержание железа и марганца в природных водах не превышает нескольких десятков мг/л, а в шахтных водах достигает нескольких сотен мг/л и более. Длительное употребление человеком воды с повышенным содержанием железа может привести к заболеванию печени (гемосидерит), такая вода неприятна на вкус, причиняет неудобства в быту. Поэтому содержание железа в питьевой воде не должно превышать 0,3 мг/л, а марганца - 0,1 мг/л. Присутствие в воде железа и марганца может способствовать развитию в трубах и теплообменных аппаратах железистых и марганцевых бактерий, продукты жизнедеятельности которых вызывают уменьшение сечения труб, а иногда их полную закупорку. Содержание железа и марганца строго ограничено в воде, используемой при производстве пластмасс, кинофотопленки и бумаги, в текстильной, пищевой промышленности и т. д. Активная реакция воды является показателем ее щелочности или кислотности, количественно она характеризуется концентрацией водородных ионов. Молекулы воды диссоциируют на ионы водорода и гидроксила: Н2 О «-*• Н* ■*- ОН". Константа равновесия К для этой реакции определяется уравнением [Н* ] * [ОН“] /[Н2 О] = К. Произведение концентраций ионов водорода и гидроксила в водном растворе, называемое ионным произведением воды К, - величина, постоянная для любого водного раствора при данной температуре. При комнатной температуре можно принять К = 10*14. Тогда в нейтральном растворе концентрации водородных и гидроксильных ионов равны, т. е. [Н* ] = [ОН- ] = 10‘ 7 г-ионов'л. Очевидно, что изменение концентрации одного из ионов влечет за собой изменение концентрации другого иона. Так как растворы щелочей диссоциируют с образованием гидроксильных ионов, а растворы кислот - с образованием водородных ионов, то по концентрации водородных ионов можно заключить о кислотности или щелочности воды, т. е. при [НГ ] > 10*7 растворы имеют кислую реакцию, а при [Н* ] <10 *7 - щелочную. На практике активную реакцию воды выражают водородным показателем pH, являющимся отрицательным десятичным логарифмом концентрации водородных ионов, т. е. pH = - lg[H+]. Следовательно, для нейтральной воды pH = 7, для кислой - меньше 7 и для щелочей - больше 7. Природные воды по величине pH можно классифицировать как: кислые - pH = 1 ... 3, слабокислые - pH = 4 ... 6 , нейтральные - pH = 7; слабощелочные - pH = 8 ... 10, щелочные - pH = 1 1 ... 14. Активная реакция природных вод обычно варьируется в пределах 6,5 ... 8,5, что соответствует лимитам питьевой воды. Неизменность pH в природных водах объясняется присутствием в них буферной системы, т. е. растворов смесей слабых кислот или слабых оснований с их солями. Концентрация водородных ионов в буферных растворах почти не изменяется при разбавлении их водой или добавлении небольших количеств щелочей или кислот, так как pH их определяется не концентрацией кислоты и ее соли, а отношением этих концентраций. Буферная система природных вод часто состоит из растворенной в воде угольной кислоты и бикарбонатных ионов. Несмотря на то что емкость бикарбонатной буферной системы в природной воде невелика, она все же не позволяет pH существенно изменяться в процессе ее коагулирования, обеззараживания и т.п. Окисляемость воды (т. е. количество кислорода в мг/л, эквивалентное расходу окислителя, необходимого для окисления примесей в данном объеме) обусловливается присутствием органических и некоторых легкоокисляющихся неорганических примесей, таких, как железо (П), сульфиты, сероводород и др. В зависимости от применяемого окислителя различают перманганатную и бихроматную окисляемость. При этом окисляемость в 1 мгО/л соответствует окисляемости 0,253 мг/л КМпОд. Резкое повышение окисляемости воды свидетельствует о ее загрязнении сточными водами, поэтому по величине окисляемости природной воды можно судить о ее гигиенической характеристике. Для питьевой воды окисляемость не лимитируется, но она ограничивается для питательной воды котлов, так как вызывает ее вспенивание, ограничивается для охлаждающей воды из-за возможного биообрастания труб и аппаратуры, лимитируется для воды, используемой при изготовлении синтетических волокон и пластмасс, и т. п. Повышенное значение отношения цветности к окисляемости указывает на преобладание в воде устойчивых гумусовых веществ болотного происхождения, а пониженное - о преобладании гумусовых веществ планктонного происхождения. Промежуточные значения этого отношения указывают на преобладание почвенного гумуса. Окисляемость воды после коагулирования, отстаивания и фильтрования снижается меньше, чем цветность. Азотсодержащие вещества (ионы аммония, нитригные и нитратные) образуются в воде в результате восстановления нитритов и нигратов железа (П), сероводородом, гумусовыми веществами и т. д. либо в результате разложения белковых соединений, вносимых в водоем со сточными водами. В последнем случае вода ненадежна в санитарном отношении. В артезианских водах содержание нитритов достигает десятых долей мг/л, а в поверхностных водах - до тысячных долей мг/л. Формы азотсодержащих соединений, присутствующих в воде, позволяют судил» о времени внесения в водоем сточных вод. Например, присутствие ионов аммония и отсутствие нитритов свидетельствуют о недавнем загрязнении воды. Содержание в питьевой воде более 50 мг/л нигратов приводит к нарушению окислительной функции крови - метгемоглобинемии, поэтому по ГОСТ 2874-82 содержание нигратов в питьевой воде не должно превышать 10 мг/л. Кремний присутствует в природных водах в форме органических и минеральных соединений. Содержание кремния в воде поверхностных источников невелико и варьируется от десятых долей до нескольких мг/л, а в подземных водах оно достигает десятков мг/л. Кремниевая кислота является слабой и диссоциирует на ионы в незначительной степени: H 2 S1O 3 ** Н4- + HSi03- При pH < 7 в воде присутствует только недиссоциированная кремниевая кислота. При более высоких pH часть кремния может находиться в воде в коллоидном состоянии в форме Si0 2 -H2 0 или в форме поликремниевой кислоты xSi0 2 - yHjO. Содержание кремния в питьевой воде не лимитируется, но в питательной среде для котлов высокого давления оно недопустимо из-за возможности образования плотной силикатной накипи. Соединения фосфора встречаются в природных водах в виде суспендированных частиц минерального и органического происхождения, в виде ионов ортофосфорной кислоты или сложного органического комплекса. В природных водах соединения фосфора присутствуют в малых количествах, но существенно влияют на водную растительность. Содержание соединений фосфора в питьевой воде не регламентировано. Фтор в природных водах содержится до 18 мг/л и более. Однако подавляющее большинство источников централизованного водоснабжения в нашей стране характеризуется содержанием фтор-иона до 0,5 мг/л. Фтор является активным в биологическом отношении микроэлементом, содержание которого в питьевой воде во избежание кариеса или флюороза должно быть в пределах 0,7 ... 1,5 мг/л. Иод в природных водах присутствует в ничтожно малых количествах. Он является очень важным биологическим микроэлементом, содержание которого в гольевой воде во избежание эндемического зоба не должно быть менее 10' 8 мг/л. Токсические вещества - мышьяк, стронций, бериллий и др., а. также радиоактивные вещества - уран, радий - обычно попадают в водоемы со сбросом сточных вод. Содержание их в гольевой воде лимитировано ГОСТ 2874-82. Растворенные в воде газы - кислород, углекислоты, сероводород, метан и азот имеют значение для оценки ее качества. Так, углекислота, сероводород, кислород придают воде при определенных условиях коррозионные свойства по отношению к металлам и бетонам. В табл. 1.7 показана растворимость газов в воде при парциальном давлении (та часть общего давления? в газовой смеси, которая обусловлена данным газом или паром) 0,1016 МПа в зависимости от ее температуры. Углекислота присутствует во всех природных водах от нескольких мг/л (поверхностные воды) до сотен мг/л (подземные воды). В зависимости от pH воды углекислота содержится в ней в виде свободной углекислоты, представляющей собой растворенный в воде газ СО2 , полусвязанной углекислоты, т. е. в виде бикарбонат-ионов СО3 (рис. 1). Как видно из диаграммы, при рН< С < 4,5 карбонат-ионы в воде отсутствуют и вся углекислота находится в виде углекислого газа, а при pH = 8,4 - только в виде гидрокарбонатных ионов. При pH » 1 0 ,5 в воде присутствуют только карбонатные ионы. Содержащиеся в воде углекислый газ, карбонатный и гидрокарбонатный ионы связаны углекислотным равновесием: СО2+ Н20 ~ Н2С03 НС03- ~ 2 1 Г + С032" Образующаяся при растворении в воде углекислого газа угольная кислота двухосновна. Константы ее диссоциации выражаются уравнениями [со2] / я [ Я +] • f Cq [СОэ2] * 2 Публикация области экрана = В водных растворах углекислых соединений наблюдается динамическое равновесие, описываемое реакцией 2НСОз“ <-* СО^~ + СО2 + Н2 О, из которой следует, что для поддержания в растворе определенной концентрации гидрокарбонатных ионов необходимо присутствие в нем некоторого (равновесного) количества свободной углекислоты - [С 0 2 ]р Для определения свободной углекислоты можно воспользоваться номограммой. Разницу между свободной и равновесной углекислотой называют агрессивной углекислотой, которая растворяет карбонат кальция, разрушающе воздействует на бетон, катализирует ход электрохимической коррозии металла. Об агрессивности или стабильности воды по» отношению к бетону или металлу можно судить по концентрации. О 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 pH б Рис. 1. Соотношения различных форм угольной кисчоты (а) и сероводорода (б) в зависимости от значения pH воды При оценке агрессивности воды необходимо учитывать зависимость углекислотного равновесия от общего солесодержания. По мере роста солесодержания воды уменьшается количество свободной углекислоты, необходимое для поддержания углекислотного равновесия. Следовательно, при одинаковом содержании свободной углекислоты вода с большей минерализацией будет более агрессивной. При смешении нескольких неагрессивных вод в результате сдвига углекислотного равновесия может возникнуть агрессивность смеси. Следует отметить, что при осуществлении коагулирования примесей воды происходит порой значительное нарушение углекислотного равновесия воды, так как при введении 1 мг безводного коагулянта образуется 0,8 мг свободной углекислоты. Таким образом, присутствие в природной воде углекислоты существенно влияет на ее качество. Сероводород в природных водах встречается органического (продукт распада органических соединений) и неорганического (растворение минеральных солей - серного колчедана, гипса и др.) происхождения. Присутствие сероводорода в поверхностных водах встречается в придонных слоях в незначительных количествах. В подземных водах оно наблюдается до нескольких десятков мг/л. Присутствие сероводорода в водепридает ей неприятный запах, способствует коррозии металла и может вызвать зарастание трубопроводов в результате интенсивного развития серобактерий. Как видно из диаграммы рис. 1.2,6, сероводород в зависимости от pH воды может присутствовать в видеслабодиссоциированной кислоты - H2S, гидросульфидных - HS~ или сульфидных ионов. Эти зависимости имеют важное значение при решении задачи удаления сероводорода из воды. Кислород попадает в воду при ее контакте с воздухом. В табл. 5 показано содержание растворенного кислорода в воде в зависимости от температуры при атмосферном давлении. Таблица 5 Артезианские воды кислорода не содержат, а в поверхностных его концентрации довольно велики. В поверхностных водах содержание кислорода меньше теоретического за счет различных организмов, брожения, гниения органических остатков и т.п. Резкое снижение содержания кислорода в воде указывает на ее загрязнение. Растворенный в воде кислород интенсифицирует коррозию металла, поэтому в питательной воде теплоэнергетических установок содержание кислорода ограничено. Азот в природные воды проникает из воздуха при разложении органических остатков, а также при восстановлении соединений азота денитрофицирующими бактериями. Образующийся в воде в процессе гниения растений аммиак существенно влияет на технологию хлорирования воды. Метан присутствует в природных водах, используемых для водоснабжения, как правило, в незначительных количествах. Однако в болотных водах, где протекают процессы разложения клетчатки растительных остатков, а также в подземных водах газонефтеносных районов содержание метана доходит до 30 мг/л и более. Гибробионты, населяющие природные воды, в процессе жизнедеятельности влияют не только на состав окружающей водной среды, но и на качество воды. Их подразделяют на: • планктон - обитатели, пребывающие в толще воды от дна до поверхности; среди них различают плавающие, пассивно парящие и полуподводные (плейтон) организмы; взвешенные в воде остатки их органического и неорганического происхождения называют детритом; • бентос - обитатели, находящиеся на дне водоема; среди них встречаются подвижно или неподвижно прикрепленные, свободно лежащие и ползающие по дну организмы, сверлящие дно, закапывающиеся; • нейстон - организмы, населяющие поверхностную пленку воды и адаптировавшиеся к жизни в специфических условиях ее поверхностного натяжения; • пагон - организмы (моллюски, ракообразные, коловратки; и др.), пребывающие зимой в толще льда в состоянии анабиоза, оживающие весной и пребывающие среди бентоса или планктона. На процессы формирования и самоочищения воды гидрофация оказывает значительное влияние, так как многие ее представители (зоопланктон и зообентос) используют растворенные органические вещества, некоторые животныефильтраторы употребляют для питания бактерии, водоросли и т. п. Микрофлора водоемов определяется макро- и микрофитами: к первым относится высшая водная растительность, а ко вторым - водоросли (фитопланктон и фигобентос). В результате синтеза увеличивается содержание растворенного в воде рода и снижается концентрация в ней свободной углекислоты, наблюдается снижение ВПК и содержания аммонийных мои одновременно наблюдается возрастание нитритов, нигратов и окисляемости. При отмирании и разложении микрофигов вода обогащается органическими веществами, появляются пахнущие вещества, ухудшая органолептические показатели качества воды. Микрофиш, подразделяемые на зеленые, сине-зеленые звглеиовые, диатомовые и др., не только поглощают углекислоту, кислород, а синезеленые азот (включая аммиак), но и продуцируют кислород. Наличие в колониях водорослей газовых вакуолей позволяет им находиться в верхних слоях воды. На глубине свыше 15 м интенсивного развития микрофигов не наблюдается из-за низкой температуры воды, отсутствия света увеличения гидростатического давления и захоронения в донных отложениях биогенных элементов. Массовое развитие микрофигов в теплое время года, цветение воды, вносит в технологию улучшения ее качества, особенно для питьевых целей, значительные трудности, так как возникает необходимость в ее дезодорации и удалении планктона. Вирусы не размножаются на искусственных питательных средах. На холоде фильтрующиеся вирусы сохраняют свою активность на протяжении многих лет. При высушивании они приоб ретают стойкость к повышенным температурам. При температуре 90®С вирусы погибают. Некоторые энтеровирусы, в частности вирусы Коксаки, сохраняют инфекционные свойства при 4 ... б°С до 11 дней. Энтеровирусы более устойчивы к действию ультрафиолетовых лучей и хлора, чем кишечная палочка. Следует отметить, что коагуляция примесей воды снижает содержание вирусов в воде на 40%, а кишечная палочка при этом удаляется на 85%. Между микробами водоемов существуют взаимоотношения симбиотического, нейтрального и антагонистического характера. Антагонисты бактерий - различные грибки, выделяющие антибиотики (пенициллин, стрептомицин и др.) летально действуют на микробы, что способствует самоочищению водоемов. Для каждого вида микробов существует оптимальное значение pH среды. Отклонение от этой величины вызывает коагуляцию коллоидов протоплазмы и нарушается каталитическая функция ферментов клетки. Для многих бактерий оптимальным является pH воды 7,0, однако для нитритных бактерий 4,7 ... 8 ,8 , для нитратных - 6.5 ... 9,3, для серобактерий - 1,0 ... 4,0, для кишечной палочки - 4,4 ... 7,8. Солнечный свет и ультрафиолетовые лучи оказывают летальное действие на микробы. В связи с тем что при биологическом анализе воды определение патогенных бактерий затруднено, бактериологические определения сводятся к нахождению общего числа бактерий в 1 мл воды, растущих при 37 °С, и кишечной палочки бактерии коли. Наличие последней имеет индикаторные функции, т. е. свидетельствует о загрязнении воды выделениями людей и животных и т. п. Минимальный объем испытуемой воды (мл), приходящийся на одну кишечную палочку, называют колигигром, а количество кишечных палочек в 1 л воды - колииндексом. По ГОСТ 2874-82 допускается колииндекс до 3, колититр - не менее 300, а общее число бактерий в 1 м л - до 100. Если Вы нашпн ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter. €>2003-2014. Иктеркет-ккН Тем а № 4. Требования к качеству воды В настоящее время вода широко используется в различных областях промышленности в качестве теплоносителя, чему способствуют широкое распространение воды в природе и ее особые термодинамические свойства, связанные со строением молекул. Полярность молекул воды, характеризуемая дипольным моментом, определяет большую энергию взаимного притяжения молекул воды (ориентационное взаимодействие) при температуре 10 - 30 вС и соответственно большую теплоту фазового перехода при парообразовании, высокие теплоемкость и теплопроводность. Значение диэлектрической постоянной воды, также зависящей от дипольного момента, определяет своеобразие свойств воды как растворителя. Основным хранилищем воды на Земле являются океаны, в которых сосредоточено более 98 % всего количества воды. Океанская вода содержит до 35 г/кг растворенных солей, главным образом ионов натрия и хлора. На долю вод с солесодержанием менее 1 гА г (пресных вод) приходится лишь 1,7 %, причем в речных водах находится около 0,001 % всех пресных вод, так как их основная масса сосредоточена в ледниках. Но и имеющаяся в распоряжении людей вода не может без очистки (обработки) являться теплоносителем в теплоэнергетических установках, поскольку современные ТЭС и АЭС в энергетическом цикле используют воду высокого качества с содержанием примесей в пределах 0,1 - 1,0 мг/кг. В зависимости от целевого назначения к воде предъявляют разнообразные требования, согласно которым се можно классифицировать для хозяйственно-питьевых целей, коммунальных предприятий, а также для нужд пищевой и некоторых других отраслей промышленности; охлаждения (технологического оборудования, охлаждения пара, жидких и газообразных продуктов, доменных и мартеновских печей, конденсаторов турбин и паровых машин; вагранок, кузнечных молотов и др.); нужд паросилового хозяйства (питание паровых котлов ГРЭС и ТЭЦ); технологических нужд промышленности, где вода может входить в состав продукции или контактировать с ней; заводнения нефтяных пластов; нужд сельского хозяйства. Хозяйственно-питьевая вода должна быть безвредна для здоровья человека, иметь хорошие органолептические показатели и быть пригодной для использования в быту. Качество хозяйственно-питьевой воды регламентировано ГОСТ 287482 «Вода питьевая», основные показатели которого следующие: Если В ы нашли ош ибку, выделите её и нажмите Ctri+Enter. Мутность до 1,5 мг/л Цветность до 20 Запахи и привкусы при 20°С до 2 Водородный показатель б,5...8,5 Общая жесткость до 7 мг-экв/л Фтор 0 ,7 ... 1,5 мг/л Железо до 0,3 мг/л Марганец до Хлор до 350 мг/л Сульфаты до 500 мг/л Сухой остаток до Остаточный алюминий до 0,5 мг/л Медь до Цинк до 5 мг/л Гексаметафосфат до 3,5 мг/л Триполифосфат до 3,5 мг/л Полиакриламид до 2 Бериллий до 0 ,0 0 0 2 Молибден до 0,5 мг/л Мышьяк до 0,05 мг/л Свинец до 0 ,1 Селен до 0 ,0 0 1 Стронций до 2 Радий - 226 1,2*10" 1 0 Кн/л Стронций-90 4* Ю' 1 0 Кн/л Нитраты до Общее количество бактерий ттп 1ПО град баллов 0 ,1 мг/л 1000 1 мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л 10 мг/л щ - Общее количество бактерий в 1 мл до Коли - индекс доз Коли - титр более 300 100 Подача потребителям воды с отклонениями от ГОСТа должна быть согласована с местными санитарными органами. Отдельные производства пищевой промышленности помимо рекомендаций ГОСТ 2874-82 предъявляют к воде дополнительные требования. Так, в воде, используемой в пивоварении, должны отсутствовать сульфаты, содержание железа не должно превышать 0 , 1 мг/л; в воде для винокуренного производства не должно содержаться хлористых магния и кальция; в воде для сахарного производства должно быть минимальное солесодержание и т. д. Вода для охлаждения используется либо для охлаждения непрерывно работающих агрегатов, либо для отведения тепла от производственных продуктов. Использование воды при охлаждении может быть прямотоком, т. е. после однократного применения производится ее сброс в водоем, или с ее возвратом и многократным применением. Во втором случае нагретая вода подвергается охлаждению на градирне или в брызгальиом бассейне и вновь используется в производстве. Количество охлаждающей воды не нормируется, так как оно зависит от условий применения. Однако очевидно, что охлаждающая вода не должна давать отложений в трубах и аппаратах, по которым она подается, так как они затрудняют теплопередачу и сокращают живое сечение, снижая интенсивность циркуляции и эффект охлаждения. Вода, используемая для охлаждения, не должна содержать круп пых минеральных взвесей, большого количества железа и органических веществ во избежание засорения или биообрастания трубок холодильных аппаратов и конденсаторов. Образование накипи из карбоната кальция в прямоточных охлаждающих системах, как правило, не наблюдается. Однако в оборотных системах при нагреве воды теряется углекислота и возрастает вероятность накипеобразования. Этот процесс усиливается с повышением содержания в исходной воде бикарбоната кальция, с интенсивностью упаривания воды в системе, с увеличением потери углекислоты, с уменьшением содержания в охлаждающей воде органических веществ, которые препятствуют выпадению в осадок карбоната кальция, с повышением температуры нагрева охлаждающей воды и т. д. Следовательно, качество воды, используемой для охлаждении, при котором не происходит в холодильных аппаратах зарастания живого сечения и не возникает коррозии, должно определяться для конкретных условий специальным расчетом с учетом всех вышеприведенных факторов. Вода для нужд паросилового хозяйства не должна образовывать накипи, вызывать коррозию металла и вспенивание котловой воды, не должна способствовать уносу солей с паром. Использование жесткой воды, приводит к накипеобразованию на поверхности нагрева, что ухудшает теплопередачу, вызывает перерасход топлива и перегрев металла, а в конечном счете в результате образования свищей и отдулин происходит разрыв экранных и кипятильных труб и др. Термический распад бикарбонатов, сопровождаемый возрастанием концентраций других растворенных в воде солей, что связано с непрерывным выпариванием, приводит к их выпадению из раствора и образованию накипи на стенках котла. При этом наибольшую опасность представляют соли с отрицательным термическим коэффициентом растворимости (соли, растворимость которых уменьшается с повышением температуры воды) - карбонат кальция, силикаты магния и кальция, сульфат кальция, образующие твердую накипь. Соли с положительным термическим коэффициентом растворимости - карбонат, сульфат, фосфат и хлорид натрия - осаждаются только из высоко концентрированных растворов, формируя накипь в виде рыхлого шлама. Присутствие этих солей снижает растворимость солей магния и кальция и поэтому способствует образованию накипи. В табл. 1 приведены нормы качества котловой воды парогенераторов. Таблица 1 Нормы качества котловой воды Испарители и котлыутилизаторы давлением Барабанные парогенераторы Нормируемый показатель чистый отсек соленый отсек 5 ... 10 До 75 - - 5*10 3 ...10*10 3 3*10 3 ...5*10 3 - - отГ о СП Концентрация фосфатов (избыток), мг/л Общая концентрация растворенных веществ и кремниевой кислоты, мг/л 5 ... 15 Более 0,8 до 4 МПа включительно До 0,8 МПа включительно о ОО о со ступенчатым испарением без ступенчатого испарения Нормируется по результатам теплохимических испытаний с учетом обеспечения требуемого количества выдаваемого пара При бесфосфатном режиме от 7,5 до 9,0; рн л при фосфатировании согласно с избытком РОд-5* При режиме чисто фосфатной щелочности ЩСб = 0,021 РО 4 3* (ЩСб - Щелочность общая, мг-экв/л общая щелочность с поправкой на индикатор); в то же время щелочность не должна быть ниже 1 0 0 мг-экв/л Вспенивание кошовой воды вызывается наличием фосфатов, щелочей, нефти, смазочных масел и синтетических поверхностно-активных веществ. Оно приводит к загрязнению пара и отложению примесей на лопатках турбин. Хлориды и сульфаты способствуют уменьшению вспенивания, коагулируя коллоидные соединения фосфатов. При оценке качества питательной воды особое внимание следует уделять щелочам, которые являются активными пептизаторами и переводят в коллоидное состояние грубодисперсные вещества, создавая опасность загрязнения пара. Вместе с тем присутствие в воде щелочи значительно уменьшает растворимость соединений железа, предотвращая коррозию металла. В этих условиях образующаяся при коррозии пщрозакись железа высаживается из раствора на поверхность металла, формируя плотную защитную пленку, Поэтом}' рекомендуется поддерживать в питательной воде минимальное содержание щелочи в пределах 25...50 мг/л едкого натра. Наличие в питательной воде котлов высокого давления кремневой кислоты приводит к образованию плотной с низкой теплопроводностью накипи. В табл. 2 приведены нормы качества питательной воды парогенераторов. Эти данные убедительно показывают, что требования к качеству питательной воды паросиловых установок зависят прежде всего от типа котлов и давления, под которым они эксплуатируются. Таблица 2 Нормы качества питательной воды, мг/л Нормируемый показатель Прямоточные парогенераторы давлением, МПа Барабанные парогенераторы давлением, МПа Свыше 10 4...11 2,4... 4 До 2,4 Натрий 10 15 Не норм. Не норм. - - Кремниевая кислота 20 20 50*/150** 100 Не норм. - Железо 10 20 20 50**/100** :о О Г" ‘Г» 150**/200*** Свобод, углекислота Гидразин 30...100 30...100 30...100 Не норм. - Медь 5,0 5,0 6 ,0 1 0 **/2 0 ** То же - Растворенный кислород до ввода связующих реагентов 10 10 10 20 До 20 Нефтепродукты 100 100 300 300 1000 1000 Нитриты - - 20 20 20 - Аммиак 500 500 1000 1000 1000 Жесткость, мг-экв л 0 ,2 0,5 3 3 3...5 pH 9 ± 0 ,2 9 ± 0 ,2 9 ± 0 ,2 0,5...9,0 :о *П. Os' СО о о Докритическим о Закритическим Р 1 0 3... з^ю 3 8,5 * В числителе - для КЭС и отопительных (ТЭЦ) электростанций, в знаменателе - для ТЭЦ с производственным отбором пара. ** В числителе - для котлов на нефтяном топливе, в знаменателе - для котлов на других видах топлива. *** В числителе - для экранированных, в знаменателе - для неэкранированных кот-лов, **** В числителе - для установок со стальным, в знаменателе - с чугунными экономайзерами. ***** Для чисто конденсационных электростанций высокого давления концентрация аммиака в питательной воде 1000... 1500 мкг/л; для ТЭЦ с добавкой умягченной воды до 60% - 1500...2500 мкг/л и для промышленных котельных и утилизационных установок 2500...35000 мкг/л. Вода для технологических нужд промышленности в зависимости от ее целевого использования должна отвечать самым разнообразным требованиям. Так, в воде, используемой в горнодобывающей промышленности при добыче, отмывке, сортировке, гидротранспорте и обогащении полезных ископаемых, должны отсутствовать грубые взвеси. Весьма специфичные требования предъявляют к воде, используемой для обработки готовой продукции, а также к воде, входящей в состав продукта. Ряд промышленных предприятий предъявляет к воде требования, значительно превышающие лимиты ГОСТ 2874-82. Например, в воде, используемой для изготовления кино- и фотопленки, фотобумаги, не должно содержаться марганца, железа, кремнекислоты, ограничивается окисляемость воды и содержание хлоридов. В воде, используемой для приготовления растворов кислот и щелочей, красителей, мыла, жесткость должна быть до 0,35 мг-экв/л. Вода для заводнения нефтяных пластов не должна вызывать зарастание или закупорку отверстий фильтров и не должна кольматировать поры нефтевмещающей породы в результате образования нерастворимых соединений при взаимодействии с пластовой водой и частицами породы, а также при изменении температуры. Поэтому в закачиваемой воде должно содержаться не более 0,2 мг/л железа, 1 мг/л взвешенных веществ, 1 мг/л нефтепродуктов и др. Бикарбонаты в заканчиваемой воде должны находиться в минимальном количестве, так как при их распаде, который происходит при нагреве воды, образуется осадок карбоната кальция. Аналогичные явления протекают, когда в закачиваемой воде присутствует растворенный кислород, который, окисляя железо (П) и сероводород, присутствующие в пластовой воде, способствует кольматации пор породы. Очевидно, что вопрос о необходимости обескислороживания и декарбонизации закачиваемой воды должен решаться индивидуально в зависимости от свойств пластовой воды, пористости призабойных зон и др. Вода для нужд сельского хозяйства (птице- и зоофермы, орошение, мелиорация и др.) по своему качеству должна соответствовать целевому использованию. В СНиПе указано, что для водопоя птиц, зверей и животных на фермах л л надлежит подавать воду питьевого качества. При невозможности соблюдения этого правила допускается производить водопой животных водой с повышенным минеральным составом, а именно: сухой остаток до 1*10 ... 5*10°, хлориды до л л л 2 0,4* 10э... 2*10J , сульфаты до 0,5* 10°... 2,4*10 -5 мг/л, общая жесткость до 14...45 мг-экв/л. Кроме того, допускается водопой водой с повышенной цветностью, привкусом и запахами, при ее температуре 8...15°С. При этом нормы качества воды принимаются в зависимости от вида и возраста животных. Водопой зверей и птиц водой непитьевого качества в каждом конкретном случае должен быть разрешен органами ветеринарного надзора. Для аридных и полуаридных регионов нашей страны Министерством совхозов были утверждены специальные нормы качества воды для водопоя и хозяйственных нужд, которые приведены в табл. 3. Орошаемое земледелие в нашей стране с каждым годом увеличивает масштабы распространения и адекватно этому растет количество используемой для полива воды, основным требованием к качеству которой является предотвращение засоления почв в результате испарения воды и аккумуляции содержания в ней солей. Четко сформулирован-ных регламентации качества воды для орошения нет. Практика показывает, что сульфаты магния и натрия, углекислый и хлористый натрий заслоняют почвы и делают их непригодными для агротехнических целей. Воды, содержащие небольшие количества сульфата кальция и углекислого магния, с успехом могут быть использованы для поливного земледелия. Величина минерализации поливных вод в зависимости от метеорологических и агротехнических факторов, условий полива и дренажа может меняться в весьма широких пределах, не превышая 1,5 г/л. Поливная вода с солесодержанием до 1 г/л пригодна для орошения независимо от местных условий. Таблица 3 Сухого остатка хлоридов сульфатов Общая жесткость мг-экв/л Хорошая хозяйственно-питьевая < 600 < 100 < 200 <7,2 Удовлетворительная гольевая и плохая хозяйственная 600...1000 100...150 200...300 7,2... 10,5 Допустимая питьевая и плохая хозяйственная (очень жесткая) 1000...1500 150.. .200 300...500 10,5...14,4 Допустимая для питья при необходимости (солоноватая), очень плохая хозяйственная (жесткая) 1500...2500 200...400 500... 1000 14,4...21,6 Допустимая для голья при крайней необходимости (заметно солоноватая) 3000...4000 400...800 1000...1500 21,6...52,5 Допустимая для голья в крайнем случае, резко соленая 4000...5000 800...1500 1 0 0 0 ...2 0 0 0 25,0... 72,0 Пригодная для водопоя скота 4000...5600 1500...3000 1500...3000 25,0...105 Содержание, мг/л Характеристика и оценка пригодности воды П рименение воды в теплоэнергетике Оборудование современных ТЭС и АЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей кампании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы электростанций, в том числе и с добавочной водой, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей ТЭС и АЭС является важнейшей задачей. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта. Таким образом, качество обработки воды на ТЭС и АЭС тесным образом связано с надежностью и экономичностью эксплуатации современного высокоингенсивного котлотурбинного оборудования, с безопасностью ядерных энергетических установок. Для удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при выработке электрической и тепловой энергии, возникает необходимость специальной физико-химической обработки природной воды. Эта вода является, по существу, исходным сырьем, которое после надлежащей обработки (очистки) используется для следующих целей: Применение воды в теплоэнергетике Оборудование современных ТЭС и АЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей кампании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы электростанций, в том числе и с добавочной водой, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей ТЭС и АЭС является важнейшей задачей. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта. Таким образом, качество обработки воды на ТЭС и АЭС тесным образом связано с надежностью и экономичностью эксплуатации современного высокоингенсивного котлотурбинного оборудования, с безопасностью ядерных энергетических установок. Для удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при выработке электрической и тепловой энергии, возникает необходимость специальной физико-химической обработки природной воды. Эта вода является, по существу, исходным сырьем, которое после надлежащей обработки (очистки) используется для следующих целей: • • • • в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, парогенераторах, ядерных реакторах кипящего типа, испарителях, паропреобразователях: для конденсации отработавшего в паровых турбинах пара; для охлаждения различных аппаратов и агрегатов ТЭС и АЭС; в качестве теплоносителя в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения. Одновременно с очисткой природной воды для подготовки используемой на электростанциях чистой воды необходимо решать комплексно вопросы, связанные с утилизацией различными методами образующихся при этом сточных вод. Такое решение является мерой защиты от загрязнения природных источников питьевого и промышленного водоснабжения. Типичные схемы обращения воды в рабочих циклах конденсационных тепловых электростанций (КЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) приведены на рис. В.1 и В.2. Следует отметить, что подобные схемы одноконтурной АЭС с РБМК и второго контура АЭС с ВВЭР во многом аналогичны схеме КЭС. Исходная природная вода используется в качестве исходного сырья на водоподготовигельной установке, а также для других целей на ТЭС и АЭС. Добавочная вода направляется в контур для восполнения потерь пара и конденсата после обработки с применением физико-химических методов очистки. Турбинный конденсат, содержащий незначительное количество растворенных и взвешенных примесей, - основная составляющая питательной воды. Возвратный конденсат от внешних потребителей пара используется после очистки от внесенных загрязнений. Он является составной частью питательной воды. Питательная вода, подаваемая в котлы, парогенераторы или реакторы для замещения испарившейся воды в этих агрегатах, представляет собой главным образом смесь исходной воды, добавочной воды, турбинного и возвратного конденсата и конденсата регенеративных подогревателей. Котловая вода, вода парогенератора, реактора - вода, находящаяся в элементах указанных агрегатов. Продувочная вода - выводимая из котла, парогенератора или реактора вода на очистку или в дренаж для поддержания в испаряемой (котловой) воде заданной концентрации примесей. Состав и концентрация примесей в котловой и продувочной водах одинаковы. Охлаждающая или циркуляционная вода используется в конденсаторах паровых турбин для конденсации отработавшего пара. Подпиточная вода подается в тепловые сети для восполнения потерь циркулирующей в них воды. При эксплуатации ТЭС и АЭС возникают внутристанционные потери пара и конденсата: • в котлах при непрерывной и периодической продувке, при открытии предохранительныхклапанов,при обдувке водой или паром наружных поверхностей нагрева от золы и шлака, на распыливание жидкого топлива в форсунках, на привод вспомогательных механизмов; • в турбогенераторах через лабиринтные уплотнения и паровоздушные эжекторы; • в пробоотборных точках; • в баках, насосах, трубопроводах при переливе, испарении горячей воды, просачивании черезсальники, фланцы и т. п. Обычно внутристанционные потери пара и конденсата, восполняемые добавочной питательной водой, не превышают в различные периоды эксплуатации на ТЭС 2 - 3 %, на АЭС 0,5 - 1 % их общей паропроизводительности. На промышленных ТЭЦ, отпускающих пар на различные технологические нужды предприятий, существуют также внешние потери пара и конденсата, поэтому количество добавочной воды для так ТЭЦ может достигать 10-50 % от количества генерируемого пара. Источники загрязнения и методы обработки воды на ТЭС и АЭС Существует несколько источников загрязнении теплоносителя пароводяных трактах ТЭС и АЭС: • • • • примеси добавочной воды, вводимой в цикл для покрытия внутренних и внешних потерь пара и конденсата: присосы в конденсат пара охлаждающей воды в конденсаторах сетевой воды в теплообменниках примеси загрязненного конденсата, возвращаемого от внешних потребителей пара на ТЭЦ; примеси, искусственно вводимые в пароводяной тракт для коррекции водного режима (фосфаты, гидразин, аммиак,другие разнообразные добавки); продукты коррозии конструкционных материалов, переходящие в теплоноситель. На АЭС примеси, кроме того, могут поступать в тракт виде продуктов деления ядерного топлива через негерметичные участки оболочек тепловыделяющих элементов и образовываться в активной зоне реакторов за счет процессов радиолиза воды, а также протекания радиационных превращений и радиационно-химических реакций. В зависимости от типа основного теплоэнергетического оборудования и условий работы вклад и влияние каждого из перечисленных источнике (табл. 4) в суммарное загрязнение водного теплоносителя ТЭС и АЭС могут значительно варьироваться. Таблица 4 - Характеристика загрязнений трактов ТЭС и АЭС Источник загрязнений Характеристика загрязнений Добавочная вода В зависимости от схемы очистки может содержать в различных концентрациях соли натрия и аммония, кремниевую кислоту, соединения железа, органические вещества, растворенные газы Присосы охлаждающей воды Все примеси природных вод в количестве, соответствующем удельному значению присоса Коррозия конструкционных материалов Оксиды и ионы железа, меди, алюминия, и других элементов Возвратный конденсат внешних потребителей пара на ТЭЦ Оксиды железа, нефтепродукты, ионы кальция, магния, специфические загрязнения, определямые типом пароиспользующего предприятия Неплотности тепловыделяющих элементов АЭС и радиационно-химические реакции в теплоносителе Радионуклиды различных типов, аммиак, пероксид водорода Присос охлаждающей воды в конденсаторах турбин обусловлен более высоким давлением с водной стороны конденсатора по сравнению паровой, находящейся под глубоким вакуумом. Необходимо иметь в виду, что присосы воды наблюдаются практически во всех конденсационных установках (исключая воздушно-конденсационные, так называемые «сухие» градирни) и составляют обычно 0,005 - 0,003 % количества конденсирующегося пара, повышаясь до 0,01 - 0,02 % при наличии коррозионных свищей или микротрещин в конденсаторных рубках и примерно до 0,2 % при взрыве одной трубки. В качестве конструкционных материалов ТЭС на органическом топливе широко применяются стали перлитного и аустенигного классов, сплавы на основе меди, в том числе латуни, а также алюминиевые сплавы. Для контуров АЭС наиболее хаактерно использование нержавеющих аустенигаых сталей, высоколегированных хромом и никелем. В активных зонах реакторов применяются обычно циркониевые сплавы. Продукты коррозии конструкционных материалов переходят в теплоноситель большей частью в виде коллоидных и грубодисперсных форм. В воде реакторных контуров обычно присутствуют радионуклиды хрома, марганца, железа, кобальта, иода, цезия и другие радионуклиды, определяющие удельную активность в пределах 10б - 10s Бк кг. Повышение температуры и давления в контурах ТЭС и АЭС значительно изменяет способность воды растворять содержащиеся в ней примеси. Это связано с перестройкой структуры, проявляющейся, в частности, в уменьшении диэлектрической проницаемости воды, что отражает ослабление полярности ее молекул. При высокой температуре растворяющей способностью обладает не только жидкая вода, но и водяной пар, сближение растворяющих свойств которых обусловлено уменьшением разности их плотностей (соотношение 1050:1 при 100 °С и 1:1 при критической температуре 374,15°С на линии насыщения). Способность пара растворять примеси и осложнение в связи с этим работы пароперегревателей котлов и паровых турбин за счет образования отложений и интенсификации коррозионно-эрозионных процессов вызывают необходимость поддерживать чистоту питательной воды энергетических блоков за счет как приготовления подпиточной воды высокого качества, так и очистки питательной воды от растворенных и взвешенных примесей. При эксплуатации современного энергетического оборудования ТЭС и АЭС используются разнообразные методы обработки воды. Так, приготовление добавочной воды для различных теплоиспользующих контуров осуществляется обычно в две основные стадии. На первой из них из природной воды удаляются главным образом взвешенные примеси, на второй вода подвергается очистке химическими (умягчение, обессоливание) или термическими (получение дистиллята) методами. При обработке контурных вод высокой чистоты (конденсатов) обе стадии очистки могут протекать одновременно в одном аппарате. В ряде случаев водоиспользования в низкотемпературных контурах достаточным бывает только физическое воздействие на водный теплоноситель. Если Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите Ctri+Enter. ©2008-2014. И н м рн гм ок^^^д Тем а № 5. Основные методы н технологические процессы обработки воды Обработка воды с целью подготовки ее для питья, хозяйственных и производственных целей представляет собой комплекс физических, химических и биологических методов изменения ее первоначального состава. Под обработкой воды понимают не только очистку ее от ряда нежелательных и вредных примесей, но и улучшение природных свойств путем обогащения ее недостающими ингредиентами. Все многообразие методов обработки воды можно подразделить на следующие основные группы: • • • улучшение органолептических свойств воды (осветление и обесцвечивание, дезодорация и др.); обеспечение эпидемиологической безопасности (хлорирование, озонирование, ультрафиолетовая радиация и др.); кондиционирование минерального состава (фторирование и обесфторивание, обезжелезивание и деманганация, умягчение или обессоливание и др.). Метод обработки воды выбирают на основе предварительного изучения состава и свойств воды источника, намеченного к использованию, и их сопоставления с требованиями потребителя. Способы и степень очистки воды, состав и конструкции очистных сооружений в каждом конкретном случае зависят от тех требований, которые предъявляются к качеству воды, и от качества исходной воды. Основные способы улучшения качества воды для хозяйственно-питьевых целей - осветление, обесцвечивание, обезжелезивание и фторирование. Осветление воды - удаление из нее взвешенных примесей - может быть достигнуто отстаиванием воды в отстойниках, центрифугированием в гидроциклонах, пропуском ее через слой ранее образованного взвешенного осадка в так называемых осветлителях, фильтрованием через слой фильтрующего порошка на намывных фильтрах или через слой зернистого фильтрующего материала в скорых фильтрах, фильтрованием через сетки на микрофильтрах, барабанных сигах, акустических фильтрах и т. д. Для ускорения процесса осаждения взвеси применяют ее коагулирование, для чего в воду добавляют химические вещества - коагулянты. В результате образуются плотные крупные агрегаты, на поверхности которых адсорбируются примеси, хлопья, быстро осаждающиеся и увлекающие за собой частицы взвеси. Вводимый в обрабатываемую воду коагулянт должен быть хорошо и быстро перемешан с ней в смесителях. При применении отстойников вода из смесителей поступает в камеру хлопьеобразования, где обеспечиваются оптимальные условия для формирования хлопьев. Затем вода передается в отстойник, где хлопья осаждаются вместе с адсорбированными на их поверхности примесями воды. Процесс коагулирования примесей воды может протекать в контактной среде в осветлителях со слоем взвешенных хлопьев или в контактных осветлителях со статическим зернистым слоем. Осветление воды в первом случае обычно заканчивается ее фильтрованием на скорых фильтрах, а во втором в результате контактного коагулирования примесей воды при ее фильтровании достигается сразу требуемая степень осветления. Грубодисперсные взвеси могут быть успешно удалены из воды центрифугированием в гидроциклонах с последующим доосветлением на скорых фильтрах в одну или две ступени. Осветление воды достигается при ее фильтровании через сетки на микрофильтрах или через ткани на тканевых фильтрах. Осветление воды наряду с ее обесцвечиванием достигается при флотации примесей воды во флотаторах. • Обесцвечивание воды, т. е. удаление из нее окрашенных коллоидов или истинно растворенных примесей, обусловливающих цветность воды, может быть достигнуто при коагулировании или флотации, применении окислителей или сорбентов. Наиболее широко для этой цели используют хлорирование, фильтрование через гранулированный активный уголь и озонирование воды. Эффективное обесцвечивание воды достигается при напорной флотации, которой обязательно предшествует коагулирование примесей воды. • Обезжелезивание воды: - снижение содержания солей железа до регламентированного ГОСТом - наиболее часто используют при централизованном водоснабжении из подземных источников. В зависимости от форм соединений железа, присутствующих в воде, применяют бе-зреагентные или реагеншые методы удаления железа. • Фторирование питьевой воды осуществляется для предотвращения кариеса зубов путем внесения в нее соединений фтора. Раствор фторсодержащего реагента вводят в обрабатываемую воду до или после скорых фильтров. • Обеззараживание воды производят для уничтожения содержащихся в ней патогенных бактерий и вирусов. Частично это обеспечивается при коагулировании примесей воды, но наибольший эффект достигается при в золу после фильтрования окислителей: хлора и его производных, озона, перманганата калия. Для доведения качества воды до питьевой кондиции помимо рассмотренных процессов иногда применяют дезодорацию (удаление нежелательных привкусов и запахов), используя аэрацию, окислители и сорбенты, производят умягчение (удаление солей жесткости), вводят в воду щелочные реагенты, осуществляют высаживание в осадок селей жесткости, производят опреснение (снижение общей минерализации воды) дистилляцией, ионным обменом, гиперфильтрацией пли электродиализом и др. При подготовке воды для технологических целей наиболее часто производят осветление воды, ее глубокое умягчение, а порой полное обессоливание, обескремнивание, деманганацию, дегазацию, обесфторивание и др. Наряду с этим вода, используемая для охлаждения, обычно не очищается, но подвергается стабилизационной обработке во избежание коррозии металла труб и теплообменных аппаратов или их зарастания карбонатом кальция. В ряде случаев охлаждающая вода хлорируется для предотвращения биообрастаний системы. Т ем а № б. О сновны е технологические схем ы подготовки пи тьевой воды Сочетание соответствующих технологических процессов и сооружении составляет технологическую схему улучшения качества воды. Используемые в практике следующим образом: реагентные и безреагентные; по эффекту осветления; по числу технологических процессов и числу ступеней каждого из них; напорные и безнапорные. 1. водоподготовки технологические схемы можно классифицировать Реагентные и бе-зреагенгные технологические схемы применяют при подготовке воды для хозяйственно-питьевых целей и нужд промышленности. Указанные технологические схемы существенно различаются по размерам водоочистных сооружений и условиям их эксплуатации. Процессы обработки воды с применением реагентов протекают интенсивнее и значительно эффективнее. Так, для осаждения основной м ассы взвешенных веществ с использованием реагентов необходимо 2 -4 ч, а без реагентов несколько суток. С использованием реагентов фильтрование осуществляется со скоростью 5 - 12 м/ч и более, а без реагентов - ОД - 0,3 м/ч (медленное фильтрование). Водоочистные сооружения для обработки воды с применением реагентов значительно меньше по объему, компактнее и дешевле, но сложнее в эксплуатации, чем сооружения безреагентной схемы. Поэтому безреагентные технологические схемы (с гидроциклонами, акустическими, намывными и медленными фильтрами), как правило, применяют в небольших системах водоснабжения при цветности исходной воды до 50 град, безреагентные схемы применяют при неглубоком осветлении воды в системах водоснабжения промышленных объектов. Для этих целей иногда используют одно отстаивание или одно фильтрование на грубозернистых фильтрах или микрофилырах. 2. По эффекту осветления различают технологические схемы для полного или глубокого осветления воды и для неполного или грубого осветления. В первом случае очищенная вода соответствует требованиям питьевой воды (ГОСТ 2874-82), во втором - содержание взвеси в очищенной воде во много раз больше (до 5 0 - 1 0 0 мг/л). Обычно грубо-осветленную воду используют для охлаждения различного производственного оборудования. Глубокому осветлению подвергают воду хозяйственно-питьевых и других производственных водопроводов, где к качеству технической воды предъявляют высокие требования. Технологию для неполного осветления воды обычно используют при подготовке технической воды. 3. По числу технологических процессов и числу ступеней каждого из них технологические схемы подразделяют на одно-, двух- и многопроцессные. Так, усовершенствованная технологическая схема на рис. 2, б является двух­ процессной, когда два основных технологических процесса - обработка воды в слое взвешенного осадка и фильтрование - осуществляются последовательно и однократно (в одну ступень). Аналогичная технологическая схема с флотатором приведена на рис. 2, г. В том случае, когда один из основных технологических процессов осуществляется дважды или более раз, технологическая схема называется двух-, трех- или многоступенчатой. Например, на рис. 2, в показана однопроцессная технологическая схема с контактными осветлителями, где основной технологический процесс - фильтрование - осуществляется дважды. Количество технологических процессов и число ступеней каждого из них зависят от требований, предъявляемых к воде потребителем, и качества исходной воды. Так, для грубого осветления воды можно ограничиться процессом осаждения, центрифугирования или только фильтрованием, б то время как при обработке высокомутных вод для хозяйственно-гольевых целей применяют осаждение в две ступени с последующим-фильтрованием в одну ступень или используют технологическую схему, предусматривающую предварительное осветление воды в гидроциклонах с последующей очисткой по технологическим схемам на рис. 1 1 . 1 , о или 1 1 . 2 , б. В практике подготовки воды для нужд промышленности (ТЭС, химической и др.) применяют напорные технологические схемы с многоступенчатым фильтрованием. 4. По характеру движения обрабатываемой воды технологические схемы подразделяют на самотечные (безнапорные) и напорные. На городских и крупных промышленных водоочистных комплексах исходная вода движется по сооружениям самотеком, при этом уровень воды в каждом последующем сооружении ниже уровня в предыдущем. Разность уровней определяет напор, требуемый для преодоления гидравлических сопротивлений внутри сооружения и в коммуникациях от одного сооружения к другому. Поэтому увязка взаимного расположения отдельных очистных сооружений технологической схемы (т. е. построение высотной схемы) имеет первостепенное значение. При напорной технологической схеме обрабатываемая вода от сооружения к сооружению движется под давлением выше атмосферного, поэтому отдельные сооружения можно располагать на одной отметке. Напорные очистные сооружения должны быть герметичными и рассчитаны на давление, развиваемое насосами. При использовании напорных технологических схем резервуары чистой воды и насосную станцию П подъема можно не устраивать. В отдельных случаях очищенная вода под напором насосов I подъема передается непосредственно в сеть потребителей (см. рис. 1, а). Наоборот, при безнапорном движении воды по очистным сооружениям необходимы две насосные станции и резервуары чистой воды. При напорных технологических схемах значительно повышается металлоемкость водоочистных сооружений, что ограничивает их производительность. Выбор технологической схемы улучшения качества воды зависит не только от качества воды источника и требований потребителя, по и от количества потребляемой воды. Например, для обработки небольшого количества цветной или мутной воды не может быть рекомендована без изменения (по экономическим соображениям) основная технологическая схема. В этом случае вместо горизонтальных отстойников следует применять вертикальные, а смеситель можно заменить соплом Вентури или шайбой. Ориентировочно технологическая схема для осветления и обесцвечивания воды до лимитов ГОСТ 2874-82 может быть выбрана по рекомендациям СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение, наружные сети и сооружения» (табл. 15) исходя из показателей мутности, цветности и производительности очистных сооружений с учетом требований к качеству осветленной воды. (Таблицу привести к конкретным технологическим схемам осветления воды - рис. 1 , 2 ) Ill 10С es Рисунок 1 - Безреагентные технологические схемы улучшения качества воды с гидроциклоном (а), акустическим фильтром (б), медленным фильтром (в): 1, 5 - подачаисходной воды и отвод фильтрата; 2 - гидроциклон; 3 - скорый фильтр 1 ступени; 4- скорый фильтр 2-ой ступени; 6 - акустический фильтр; 7 - распределительная емкость; 8 - двухпоточный двухслойный фильтр 2-ой ступени; 9 -медленный фильтр; 10 - РЧВ; 11 - насос; 12 - сооружения для оборота и повторного использования промывных вод. 9 в* '' I jw л •т * . . * ? в « 1 , Ш Рисунок 2 - Реагентные технологические схемы улучшения качества воды с отстойниками (а), осветлитетями со слоем взвешенного осадка (б), контактными осветлитетями и микрофильтрами(в), флотаторами (г), тонкослойными отстойниками на плаву (д): 1,12 - подача исходной воды и отвод обработанной; 2 - контактный резервуар; 3 -установкауглевания воды; 4 - хлораторная; 5 - баки коагулянта; 6 - вертикальный смеситель; 7 - камера хлопьеобразования; 8 - горизонтальный отстойник с тонкослойными модулями; 9 - фтораторная установка; 10 скорый фильтр; 11 - РЧВ; 13 - осветлитель во взвешенным слоем осадка; 14 - микрофильтр; 15 - контактный осветлитель; 16 - флотатор; 17 - напорный бак; 18, 19 - резервуар-усреднитечь промывный вод с песколовкой; 20 - насос; 21 - компрессор; тонкослойный отстойник на понтонах. м * л л л т» п я ч т п к г л ^ t r l ! ТГn пг Тем а № 7. Теоретические основы коагулирования примесей воды Коагулирование примесей воды в объ ем е Одним из наиболее широко применяемых на практике приемов снижения содержания взвеси в воде является седиментация под действием сил тяжести. Однако примеси, обусловливающие мутность и цветность природных вод, отличаются малыми размерами, вследствие чего их осаждение происходит крайне медленно, так как силы диффузии превалируют над силами тяжести. Кроме того, наличие примесей коллоидного характера еще более осложняет процесс седиментации. Для ускорения процессов осаждения, фильтрования, флотации прибегают к коагулированию примесей воды. Коагуляция примесей воды - это процесс укрупнения мельчайших коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения. Коагуляция завершается образованием видимых невооруженным глазом агрегатов (хлопьев) и отделением их от жидкой среды. Различают два типа коагуляции: коагуляция в свободном объеме (в камерах хлопьеобразсванпя) и контактная коагуляция (в толще зернистой загрузки или в массе взвешенного осадка). Коллоидные и тонкодисперсные примеси воды обладают определенной агрегативной устойчивостью, обусловленной наличием вокруг частиц гидратных оболочек или двойного электрического слоя. При нагревании или замораживании, при добавлении в воду электролитоз, при наложении магнитного поля агрегативная устойчивость примесей нарушается. При улучшении качества воды наиболее часто решается задача коагулирования гидрофильных и гидрофобных примесей. В природных водах гидрофильные примеси в основном представлены органическими веществами. На их поверхности удерживается значительное количество воды в виде гидратной оболочки, обусловленное наличием поверхностных полярных групп, таких, как ОН, СООН и др., которые водорастворимы, Они удерживают вокруг частицы гидратную оболочку. Находясь в тепловом броуновском движении, гидрофильные частицы диффундируют вместе с гидратной оболочкой. Гидрофильные частицы несут обычно небольшие электрические заряды: как правило, под влиянием электролитов коагулируют. Частицы ила, глины, пылевидные песчинки и подобная им взвесь природных вод являются гидрофобным примесями. Они почти лишены гидратных оболочек, но имеют двойной электрический слой и несут значительные электрические заряды. Ликвидация или уменьшение электрического заряда частиц приводит к нарушению агрегативной устойчивости и коагуляции гидрофобных примесей. Обычно гидрофобные частицы имеют кристаллическую структуру и огромную площадь удельной поверхности, на которой адсорбируются присутствующие в воде ионы. Характерно, что все частицы данного вещества сорбируют преимущественно ионы одного знака, снижающие свободную поверхностную энергию гидрофобных частиц. Прилегающие непосредственно к ядру ионы образуют поверхностно-ядерный слой (адсорбционный слой). Так как на границе адсорбционного слоя образуется электрический заряд, то вокруг ядра с адсорбционным слоем (гранулы) создается диффузный слой из противоионов (атмосфера противоионов), компенсирующих заряд гранулы. В целом ядро с адсорбционным и диффузным слоем называется мицеллой. В состоянии покоя мицелла электронейтральна, так как заряд гранулы нейтрализуется противоионами диффузного слоя. Но находясь в состоянии броуновского движения, противоионы диффузного слоя мицеллы отстают и отрываются от гранулы, и частица приобретает электрический заряд. Термодинамический потенциал, т.е. потенциал на границе ядра,- г-потенциал определяется как сумма зарядов всех поверхностно-ядерных ионов. На границе адсорбционного слоя термодинамический потенциал уменьшается на величину суммы зарядов противоионов, присутствующих в адсорбционном слое, и становится равным электрокинетическому потенциалу - ^ - потенциал. Таким образом, частицы с одноименными зарядами при взаимодействии отталкиваются друг от друга. Наряду с этим между коллоидными примесями воды существуют м о л е к у л я р н ы е силы взаимного притяжения, называемые силами Вандер-Ваальса-Лондона, которые действуют на небольшом расстоянии между взаимодействующими частицами и с увеличением расстояния между ними убывают, а при сближении частиц силы отталкивания и притяжения возрастают. При этом первоначально сила отталкивания превалирует над силой притяжения. Однако, если частицы, двигаясь с большой скоростью, преодолевают указанный «силовой барьер», то преобладающими становятся силы притяжения и такие частицы сливаются, укрупняются. На практике вероятность такой большой кинетической энергии частиц мала, поэтому коллоиды сохраняют агрегативную устойчивость. Но коагуляция природных гидрофобных коллоидов, имеющих обычно С, потенциал в пределах 0,05 - 0,1 В, становится возможной при снижении электрокинетического потенциала до 0,03 В и меньше. Оптимально, когда электрокинетический потенциал равен нулю. Такое состояние коллоидной системы называют изоэлектрическим, а величина pH, соответствующая ему, называется изоэлектрической точкой системы (рНиз). Таким образом, р Н ^ изоэлектрической точки - это такое значение pH среды, в которой находится частица, где толщина гидрат-нон оболочки минимальна, заряд частицы равен нулю и, следовательно, силы опал кивания тоже минимальны или равны нулю. Большинство коллоидных частиц природных вод в диапазоне pH = 6,5 - 7,5 имеют на грануле отрицательный заряд. Его нейтрализация, разрушение диффузного слоя и гидратной оболочки достигаются введением электролита и солей с противоположным зарядом частиц. В качестве электролита применяют соли железа и алюминия. При введении в воду электролита возрастает концентрация противоионов, при этом значительная часть их переходит из диффузного слоя в адсорбционный, что приводит к уменьшению толщины диффузного слоя. Переход противоионов из диффузного в адсорбционный слой вызывает нейтрализацию заряда гранулы и понижает величину электрокинетического потенциала частицы. Уместно отметил», что для отрицательно заряженных коагулирующими ионами являются катионы, а для положительно заряженных - анионы. Экспериментально доказано, что чем больше разность между pH среды и pH изоэлектрической точки коллоида, тем больше величина его заряда. Для глины pH изоэлектрической точки около 5, для гуминовых веществ 3 ,5 - 4,5, а значение pH большинства природных вод 6,5 - 7,5. В этих условиях примеси воды обладают отрицательным зарядом и имеют высокую агрегативную устойчивость. Таким образом, для обеспечения коагуляции примесей воды необходимо нарушать их агрегативную устойчивость, т. е. чтобы заряд частиц был минимальный или равен нулю. При добавлении к воде коагулянта первоначально формируются хлопья из одного реагента, так как обычно в природных водах условия для ее коагуляции более благоприятные, чем для примесей воды. На поверхности сформировавшихся хлопьев коагулянта адсорбируются примеси воды. В свою очередь, цепочки коагулянта могут прилипать к поверхности крупных примесей. Образуются глобулы (хлопья), при осаждении которых достигается эффект осветления и обесцвечивания воды. На поверхности хлопьев могут адсорбироваться растворенные органические вещества, обуславливающие привкусы и запахи воды, чем достигается ее дезодорация. Действие коагулянта в воде сводится к трем основным процессам: Действие коагулянта в воде сводится к трем основным процессам: 1. . 3. 2 собственно коагуляция; флокуляция; соосаждение и сорбция. При введении коагулянта в обрабатываемую воду (A ljC S O ^ , FeCl 3 , FeSC>4 ) происходит его диссоциация на ионы металла и анионы сильных кислот. Ионы трехвалентных металлов, принимая участие в обмене с одновалентными ионами диффузионного слоя гидрофобных примесей воды, способствуют снижению их агрегативной устойчивости и сжатию диффузионного слоя. Обменная адсорбция катионов протекает быстро и заканчивается в результате исчерпания обменной способности коллоидов и установления равновесия между катионами, находящимися в адсорбционном слое. После этого идет гидролиз избытка коагулянта, заканчивающийсяобразованием коллоида железа или алюминия. П оскольку природные воды имеют запас щелочности, то катион алюминия взаимодействует с карбонат- и гидрокарбонат-ионами с образованием малорастворимого гидроксида алюминия. Гидроксиды алюминия или железа образуют соли с положительным зарядом на грануле. Эти коллоидные частицы усиливают коагулирующее действие введенного коагулянта. При недостатке щелочного резерва к воде добавляют известь или соду, нейтрализующие кислотность коагулянта. Процесс коагулирования примесей воды можно улучшил» путем удаления углекислоты из зоны реакции продувкой воздухом. Гидроксиды железа и алюминия в воде почти нерастворимы. Хлопья частиц гидроксида седименгарутотся и увлекают с собой, адсорбируя, нерастворимые частицы взвеси (ила, клеток планктона, крупных организмов, остатков растений и т. д.). Это явление носит название флокуляции (укрупнение частиц при столкновении их) и осаждения. Гидроксиды железа и алюминия - хорошие сорбенты. Они сорбируют на поверхности .своих частиц бактерии, гуминовые вещества и некоторые растворенные соединения, например ноны тяжелых металлов. Контактная коагуляция Контактная коагуляция - технологический процесс осветления и обесцвечивания воды, заключающийся в адсорбции ее примесей с нарушенной агрегативной устойчивостью на поверхности частиц контактной м ассы . 5 основе процесса лежат Ван-дер-Ваальсовы силы межмолекулярного притяжения. Однако они определяются только при условии движения жидкости, когда мелкие частицы примесей воды сближаются с зернами фильтрующей загрузки, преодолев при этом электростатические силы о п ал кивания. В процессе контактной коагуляции взаимодействуют частицы, значительно различающиеся своими размерами. Частицы примесей воды имеют микро- и ультрамнкроскопические размеры, а частицы контактной среды - макроскопические. Прилипание агрегативно неустойчивых примесей воды к поверхности частиц контактной м ассы является частным случаем коагуляции, носящим название адагуляция. Характерной особенностью этого процесса является большая скорость в сочетании с высоким эффектом при меньших затратах коагулянта. Интенсивность прилипания мелких примесей к относительно крупным зернам загрузки намного превышает скорость агломерации между собой отдельных мелких частиц в свободном объеме жидкости. При фильтровании воды, обработанной коагулянтом, через песок с размером зерен 0,5 м м ее осветление происходит за 5 - 10 с. Подобная глубина осветления воды при взаимной коагуляции частиц с образованием хлопьев достигается за 20 - 40 мин. Контактная коагуляция отличается не только высокой скоростью процесса, но и большой полнотой извлечения из воды ее примесей, что позволяет при обработке маломутных цветных еод ограничиваться только одним методом ее кондиционирования. При коагулировании примесей воды в объеме образующиеся хлопья требуют последующего их выделения тем или иным методом. Практика показала, что эффект контактной коагуляции повышается по мере сокращения интервала меж ду вводом коагулянта в обрабатываемую воду и ее поступлением в слой контактной массы . За этот короткий промежуток времени в обрабатываемой воде успевают образоваться микроагрегаты слипшихся первичных частиц. Далее коагуляция идет за счет когезии этих микроагрегатов на макроповерхности частиц контактной массы . Другими особенностями контактной коагуляции является независимость процесса от щелочности и температуры воды, меньшее влияние pH и др. Водоочистные сооружения, работа которых основана на принципе контактной коагуляции, называют контактными осветлителями, контактными фильтрами КФ -5, осветлителями со слоем взвешенного осадка. Если Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите CtrH-Enter. ©2008-2014. Иктзрнег-хис Тем а № 8. Реагенты , применяемые в технологии обработки природных вод В практике водоподготовки используют разнообразные коагулянты, однако наибольшее распространение получили сульфат алюминия и хлорное железо. Обычно их применяют в растворенном состоянии. Используют следующие алюминийсодержащие коагулянты: сульфат алюминия, оксихлорид алюминия, алюминат натрия. Сульфат алюминия Al2 (S 0 4 ) 3 * 1 8 H2 0 - неочищенный технический продукт, представляющий собой куски серовато-зеленого цвета, получаемые путем обработки бокситов, нефелинов или глин серной кислоты. Он должен иметь не менее 9% AI2 O 3 , что соответствует содержанию порядка 30% чистого сульфата алюминия. В нем также содержится около 30% нерастворимых примесей и до 35% воды. Очищенный сульфат алюминия получают в виде плит серовато-перламутрового цвета из неочищенного продукта или глинозема растворением в серной кислоте. Он должен иметь не менее 13,5% AI2 O 3 , что соответствует содержанию 45% сульфата алюминия. Оба рассмотренных коагулянта перевозят навалом в закрытых железнодорожных вагонах. Для обработки воды выпускается также 23-25%-ный раствор сульфата алюминия. При его применении отпадает необходимость в специальном оборудовании для растворения коагулянта, а также упрощаются и удешевляются погрузочноразгрузочные работы и транспортирование. Оксихлорид алюминия А12 (ОН)$ - представляет собой зеленоватые кристаллы, получаемые растворением свеже-осажденного гидроксида алюминия в 0,5-1%-ном растворе соляной кислоты. Реагент содержит 40-44% AI4 O 3 и 20-21% КС1. Выпускается в виде 35%-ного раствора. При применении его минерализация возрастает, а щелочность воды снижается в меньшей степени, чем при введении сульфата алюминия, что особенно важно при обработке мягких вод. Алюминат натрия NaAK>2 представляет собой твердые кусочки белого цвета с перламутровым блеском на изломе, получаемые растворением гидрооксида или оксида алюминия в растворе гидроксида натрия. Сухой товарный продукт содержит 55% AI2 O 3 , 35% К2 О и до 5% свободной щелочи КОН. Растворимость - 370 г/л (при 20 °С). Насыпная масса 1,2 - 1,8 т/м3. В водообработке применяют также железосодержащие коагулянты: хлорное железо, сульфаты железа (П) и железа (Ш ), хлорированный купорос. Хлорное железо FeCl3 * 6 H2 0 представляет собой темные с металлическим блеском кристаллы, очень гигроскопичные, поэтому транспортируют их в железных герметических бочках. Получают безводное хлорное железо хлорированием стальной стружки при температуре 700 ®С, а также как побочный продукт при производстве хлоридов металлов горячим хлорированием руд. Содержит в товарном продукте не менее 98% FeCls. Плотность 1,5 т/м3. Сульфат закиси железа FeS 0 4 * 7 H2 0 (железный купорос) представляет собой прозрачные голубовато-зеленоватые кристаллы, легко буреющие на воздухе в результате окисления железа (П). Товарный продукт выпускается двух марок (А и Б), содержащих соответственно не менее 53 и 47% FeS 0 4 , не более 0,25 и 1% свободной H2 SO 4 и не более 0,4 и 1% нерастворимого осадка. Поставляют его в деревянных бочках или барабанах массой до 120 кг, а также в ящиках массой 80 кг: плотность 1,5 т/м5. Промышленность выпускает также и 30%-ный раствор сульфата железа (П), содержащий до 2% свободной H2 SO 4 . Транспортируют его в гуммированной таре. Окисление гидроксида железа (П), образующегося при гидролизе железного купороса при pH воды менее 8 , протекает медленно, что приводит к неполному его осаждению и неудовлетворительному коагулированию. Поэтому перед вводом железного купороса в воду добавляют известь или хлор либо оба реагента вместе, усложняя и удорожая тем самым водообработку. В связи с этим железный купорос используют главным образом в технологии известкового и известково-содового умягчения воды, когда при устранении магниевой жесткости значение pH поддерживают в пределах 10,2-13,2 и, следовательно, соли алюминия не применимы. Сульфат железа (Ш ) Fe2 (S 0 4 ) 3 *2 H2 0 (сульфат железа окисленный) получают растворением оксида железа в серной кислоте. Продукт кристаллический, очень гигроскопичный, хорошо растворяется в воде. Поставляется в бумажных л мешках, плотность 1,5 т/м5. Использование солей железа (Ш ) в качестве коагулянта предпочтительнее по сравнению с сульфатом алюминия. При их применении улучшается коагуляция при низких температурах воды, на процесс мало влияет pH среды, ускоряется декантация скоагулированных примесей и уменьшается время отстаивания (плотность хлопьев гидроксид железа (Ш ) в 1,5 раза больше, чем гидроксида алюминия). К числу недостатков солей железа (Ш ) относится необходимость их точной дозировки, так как ее нарушение приводит к прониканию железа в фильтрат. Хлопья гидроксида железа (Ш ) осаждаются неравномерно, в связи с чем в воде остается большое количество мелких хлопьев, поступающих на фильтры. Эти недостатки в значительной мере устраняются при добавлении сульфата алюминия. Хлорированный железный купорос Fe2 (S 0 4 ) 3 + FeCls получают непосредственно на водоочистных комплексах обработкой раствора железного купороса хлором, вводя на 1 г FeS 0 4 * 7 H2 0 0,160 - 0,220 г хлора. Смешанный алюможелезный коагулянт приготовляют из растворов сульфата алюминия и хлорного железа в пропорции 1:1 (по массе). Рекомендуемое соотношение может измениться в конкретных условиях работы очистных сооружений. Максимальное отношение FeC^ к Al2 (S 0 4 ) 3 при применении смешанного коагулянта но массе равно 2:1. Вода, обработанная смешанным коагулянтом, как правило, не дает отложений даже при низкой температуре, так как формирование и седиментация хлопьев заканчиваются в основном до фильтров: хлопья осаждаются равномерно, и в сооружениях первой ступени достигается белее полное осветление воды. Применение смешанного коагулянта позволяет существенно сократить расход реагентов. Составные части смешанного коагулянта можно вводить как раздельно, так и предварительно смешав растворы. Флокулянтами в технологии очистки воды называют высокомолекулярные вещества, интенсифицирующие процесс хлопьеобразования гидроксидов алюминия или железа (Ш ), а также работу отдельных водоочистных сооружений. Высокомолекулярные флокулянты классифицируют на органические (природные и синтетические) и неорганические, анодного или катодного типа. В качестве флокулян-тов из природных веществ используют крахмал, водорослевую крупу, белковые гидролизные дрожжи, картофельную мезгу, альгинат натрия и др. Из синтетических анионных флокулянтов наиболее широко применяют органический полимер полиакриламид (ПАА), затем флокулянты серии К (К-4, К - 6 и др.). Организовано также производство флокулянтов катионного типа (ВА-2, ВА-3, ВА-102), которые в отличие от ПАА вызывают образование крупных хлопьев без предварительной обработки примесей воды коагулянтами. Среди неорганических флокулянтов наибольшее распространение получил активированный силикат натрия - активная (активированная) кремниевая кислота (АК). Полиакриламид - белое аморфное, хорошо растворимое в воде вещество, содержащее моногенные группы; при гидролизе образует акриловую кислоту и ее соли. Механизм действия ПАА основан на адсорбции его молекук на частицах примесей воды, гидроксидов алюминия или железа (Ш ), образующих ее при гидролизе солей коагулянтов. Для очистки воды применяют два сорта технического ПАА; известковый и аммиачный. Оба сорта ПАА выпускаются в виде вязкого прозрачного желто-зеленого желеобразного геля с содержанием 7-10% ПАА. Флокулянт поставляют в бочках по 100-150 кг пли в полиэтиленовых мешках, упакованных в ящики. ПАА термически стоек до 120-130 °С, обладает малой токсичностью, не действует на кожу, глаза и слизистые оболочки. Флокулянгами в технологии очистки воды называют высокомолекулярные вещества, интенсифицирующие процесс хлопьеобразования гидроксидов алюминия или железа (Ш ), а также работу отдельных водоочистных сооружении. Высокомолекулярные флокулянты классифицируют на органические (природные и синтетические) и неорганические, анодного или катодного типа. В качестве флокулян-тов из природных веществ используют крахмал, водорослевую крупу, белковые гидролизные дрожжи, картофельную мезгу, альгинат натрия и др. Из синтетических анионных флокулянгов наиболее широко применяют органический полимер полиакриламид (ПАА), затем флокулянты серии К (К-4, К-б и др.). Организовано также производство флокулянгов катионного типа (ВА-2, ВА-3, ВА-102), которые в отличие от ПАА вызывают образование крупных хлопьев без предварительной обработки примесей воды коагулянтами. Среди неорганических флокулянгов наибольшее распространение получил активированный силикат натрия - активная (активированная) кремниевая кислота (АК). Полиакриламид - белое аморфное, хорошо растворимое в воде вещество, содержащее моногенные группы; при гидролизе образует акриловую кислоту и ее соли. Механизм действия ПАА основан на адсорбции его молекук на частицах примесей воды, гидроксидов алюминия или железа (Ш ), образующих ее при гидролизе солей коагулянтов. Для очистки воды применяют два сорта технического ПАА; известковый и аммиачный. Оба сорта ПАА выпускаются в виде вязкого прозрачного желто-зеленого желеобразного геля с содержанием 7-10% ПАА. Флокулянт поставляют в бочках по 100-150 кг пли в полиэтиленовых мешках, упакованных в ящики. ПАА термически стоек до 120-130 °С, обладает малой токсичностью, не действует на кожу, глаза и слизистые оболочки. Флокулянт ВА-2 представляет собой порошкообразный или 7-15%-ный подвижный раствор полиэлектролит. Мепримесей, уменьшающее степень полидисперсности суспензии, иногда сказывается отрицательно. Результаты исследований по ультразвуковой коагуляции, проведенные В.Б. Викулиной, показывают, что оптимальные результаты достигаются при относительно низких частотах ультразвука - 8...18 кГц при продолжительности озвучивания 1...3 мин. С увеличением интенсивности ультразвука возрастает скорость коагуляции. Воздействие ионизирующих у-, р- и рентгеновских лучей проявляется в ускорении окисления органических и минеральных примесей растворенным в воде кислородом, в результате чего вода обесцвечивается, обеззараживается, дезодорируется, ускоряется осаждение взвешенных примесей. Все перечисленные выше процессы улучшают обработку воды коагулянтами, расширяют сферу их применения. О пределение оптим альны х доз реагентов Доза коагулянта для вод разного состава не одинакова и устанавливается путем пробного коагулирования исходной воды в лаборатории. Оптимальная доза коагулянта вызывает образование крупных, быстро декантирующих хлопьев и не дает опалесценции воды. Существует методика определения показателя коагулируемое воды, под которым понимается способность к коагуляции грубодисперсных и коллоидных примесей, присутствующих в воде, при обработке ее коагулянтом - сернокислым алюминием, проводимой как без подщелачивания воды, так и с ее подхцелачиванием. Для ориентировочных подсчетов дозу коагулянта следует определять по СНиП 2.04.02-84, которая в пересчете на безводные Fe2 (S 0 4 ) 3 ; А12(80д)з; FeCls при обработке мутных вод принимается (в зависимости от содержания примесей) от 25 до 80 мг/л. При коагулировании воды с повышенной цветностью доза коагулянта находится по формуле Д х = Ц /Д , где Ц - цветность воды, град. Дозу ПАА, считая по безводному продукту, можно определить в зависимости от места его ввода. Так, при вводе перед сооружениями I ступени, согласно СНиПу, в зависимости от мутности и цветности исходной воды она варьируется в пределах 0,2 ... 1,5 мг/л, а при вводе перед фильтрами при двухступенчатой очистке - 0,05 ... 0,1 мг/л, при вводе перед фильтровальными сооружениями при одноступенчатой очистке - 0,2 ... 0,6 мг/л. Доза АК, считая по диоксиду кремния, также зависит от места ее ввода: при вводе перед сооружениями I ступени при температуре исходной воды свыше 5 ... 7 °С она равна 2 ... 3 мг/л, а при температуреводы ниже 5 °С - 3 ... 5 мг/л; при вводе перед фильтрами при двухступенчатой очистке - 0,2 ... 0,5 мг/л и при вводе перед фильтровальными сооружениями при одноступенчатой очистке - 1 ... 3 мг/л. для улучшения хода коагуляции и обесцвечивания воды, а также для поддержания водоочистных сооружений в надлежащем санитарном состоянии, доза хлора принимается 3 ... 10 мг/л. Реагент следует вводить в воду за 1 ... 3 мин до поступления коагулянта и тщательно перемешивать. При наличии в исходной воде фенолов рекомендуется применять ее преаммонизацию путем введения в воду перед хлорированием аммиака или аммонийных солей в количестве 20 ... 25% (по NH 3 ) от дозы хлора. При низкой щелочности исходной воды для обеспечения успешной коагуляции ее приходится подщелачивать, для чего в нее вводят известь или соду в количествах, определяемых по формуле Дщ - Кщ (Дк/ек - Щ 0) + 1, где Д к - максимальная в период подщелачивания доза безводного коагулянта, мг/л; Щ0- минимальная щелочность исходной воды, мг-экв/л; K y f коэффициент, равный для извести (по СаО) - 28 и для соды (по N82003) - 53; еА—эквивалентная масса коагулянта (безводного), мг/мг-экв, принимаемая для Al2 (S 0 4 ) 3 - 57, FeCls - 54, Fe2 (S 0 4 ) 3 - 67. При отрицательной величине Д щ подщелачивание не требуется. Щелочные реагенты следует вводить одновременно с вводом коагулянта или до него. При дезодорации исходной воды следует применять: тонкодис-пергированный порошкообразный уголь, дозу которого назначают (по углю марки «А-щелочной»), руководствуясь величиной привкуса или запаха; 3 балла - до 20 мг/л; 4 балла - 30 ... 40 мг/л; 5 баллов - 50 ... 80 мг/л; перманганат калия: при перманганатной окисляемости воды 8 ... 10 мг О2 /Л - доза 2 ... 4 мг/л; 1 0 ........15 мг О2 /Л - доза 4 ... 6 мг/л; 15 ... 25 мг О2 /Л - доза 6 ... 10 мг/л; озон, дозу которого надлежит принимать, руководствуясь результатами технологических исследований. Для устранения нежелательных привкусов и запахов возможно комбинированное применение указанных реагентов, при этом активный уголь следует вводить в воду после окислителей. Дозу фторсодержащего реагента, мг/л, при фторировании воды следует определять по формуле Дф — 1 0 ^(?ифЗф - Ф) / (КфСф'), Дщ ~ Кщ (Дк/ек ~Що) + где Д к - максимальная в период подщелачивания доза безводного коагулянта, мг/л; Щ0- минимальная щелочность исходной воды, мг-экв/л; Кщ- коэффициент, равный для извести (по СаО) - 28 и для соды (по N82003) - 53; 0А —эквивалентная масса коагулянта (безводного), мг/мг-экв, принимаемая для Al2 (S 0 4 ) 3 - 57, FeCl3 - 54, Fe2 (S 0 4 ) 3 - 67. При отрицательной величине Лщ подщелачивание не требуется. Щелочные реагенты следует вводил» одновременно с вводом коагулянта или до него. При дезодорации исходной воды следует применять: тонкодис-пергированный порошкообразный уголь, дозу которого назначают (по углю марки «А-щелочной»), руководствуясь величиной привкуса или запаха; 3 балла - до 20 мг/л; 4 балла - 30 ... 40 мг/л; 5 баллов - 50 ... 80 мг/л; перманганат калия: при перманганатной окисляемости воды 8 ... 10 мг Ctyti - доза 2 ... 4 мг/л; 1 0 ........15 мг Cfyti - доза 4 ... 6 мг/л; 15 ... 25 мг С^/л - доза 6 ... 10 мг/л; озон, дозу которого надлежит принимать, руководствуясь результатами технологических исследований. Для устранения нежелательных привкусов и запахов возможно комбинированное применение указанных реагентов, при этом активный уголь следует вводить в воду после окислителей. Дозу фторсодержащего реагента, мг/л, при фторировании воды следует определять по формуле Лф ~ 1 0 ^(мфОф —Ф) / (КфСф), где Шф- коэффициент, зависящий от места ввода реагента в воду, принимаемый при вводе в фильтрат тф - 1, при вводе перед фильтровальными аппаратами Шф —1 , 1 ; аф - содержание фтора в обработанной воде, мг/л (для средней полосы СССР для зимнего периода а ф - 1 мг/л, для летнего - 0,8 мг/л); Ф - содержание фтора в исходной воде, мг/л; Кф - содержание фтора в чистом реагенте, %, принимаемое для кремнефтористого натрия - 61, для фтористого натрия - 45, для кремнефтористого аммония - 64, для кремнефтористоводородной кислоты - 79; Сф - содержание чистого реагента в товарном продукте, %. Ввод фторсодержащих реагентов следует предусматривать в фильтрат перед обеззараживанием, возможно их введение перед фильтрами при двухступенчатой очистке. Дехлорирование воды производится аэрированием (при небольшом избытке остаточного хлора) или связыванием хлора при введении тиосульфата, сульфита и дисульфита натрия, аммиака, сжиженного оксида серы (IV) или ее фильтрованием через гранулированный активный уголь. Примерные дозы реагентов определяются следующими соотношениями: на 1 мг хлора требуется тиосульфата натрия 0,8 ... 7,2 мг, сульфита натрия - 2,5 ... 3,5 мг, оксида серы (IV) - 0,9 ... 1,1 мг, аммиака - около 0,13 мг. Последовательность ввода реагентов и их экспозиции надлежит принимать, руководствуясь указаниями табл. 3.6. При невозможности соблюдения указанных рекомендаций между вводом реагентов в трубопроводы перед водоочистным комплексом и смесителем допускается устройство контактных емкостей или дополнительных смесителей, конструкции которых исключали бы вероятность седиментации суспензий дозируемых реагентов. Если Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите Ctrl—Enter. ©2008-2014. Ингериет-кнс^Г 'uJY Дщ ~ Кщ (Дк/ек ~Що) + где Д к - максимальная в период подщелачивания доза безводного коагулянта, мг/л; Щ0- минимальная щелочность исходной воды, мг-экв/л; Кщ- коэффициент, равный для извести (по СаО) - 28 и для соды (по N82003) - 53; 0А —эквивалентная масса коагулянта (безводного), мг/мг-экв, принимаемая для Al2 (S 0 4 ) 3 - 57, FeCl3 - 54, Fe2 (S 0 4 ) 3 - 67. При отрицательной величине Лщ подщелачивание не требуется. Щелочные реагенты следует вводил» одновременно с вводом коагулянта или до него. При дезодорации исходной воды следует применять: тонкодис-пергированный порошкообразный уголь, дозу которого назначают (по углю марки «А-щелочной»), руководствуясь величиной привкуса или запаха; 3 балла - до 20 мг/л; 4 балла - 30 ... 40 мг/л; 5 баллов - 50 ... 80 мг/л; перманганат калия: при перманганатной окисляемости воды 8 ... 10 мг Сty'n - доза 2 ... 4 мг/л; 1 0 ........15 мг О2 /Л - доза 4 ... 6 мг/л; 15 ... 25 мг С^/л - доза 6 ... 10 мг/л; озон, дозу которого надлежит принимать, руководствуясь результатами технологических исследований. Для устранения нежелательных привкусов и запахов возможно комбинированное применение указанных реагентов, при этом активный уголь следует вводить в воду после окислителей. Дозу фторсодержащего реагента, мг/л, при фторировании воды следует определять по формуле Дф — 10^(?ПфДф - Ф) / (КфСф), где Шф- коэффициент, зависящий от места ввода реагента в воду, принимаемый при вводе в фильтрат тф - 1, при вводе перед фильтровальными аппаратами Шф —1 , 1 ; аф - содержание фтора в обработанной воде, мг/л (для средней полосы СССР для зимнего периода а ф - 1 мг/л, для летнего - 0,8 мг/л); Ф - содержание фтора в исходной воде, мг/л; Кф - содержание фтора в чистом реагенте, %, принимаемое для кремнефтористого натрия - 61, для фтористого натрия - 45, для кремнефтористого аммония - 64, для кремнефтористоводородной кислоты - 79; Сф - содержание чистого реагента в товарном продукте, %. Ввод фторсодержащих реагентов следует предусматривать в фильтрат перед обеззараживанием, возможно их введение перед фильтрами при двухступенчатой очистке. Дехлорирование воды производится аэрированием (при небольшом избытке остаточного хлора) или связыванием хлора при введении тиосульфата, сульфита и дисульфита натрия, аммиака, сжиженного оксида серы (IV) или ее фильтрованием через гранулированный активный уголь. Примерные дозы реагентов определяются следующими соотношениями: на 1 мг хлора требуется тиосульфата натрия 0,8 ... 7,2 мг, сульфита натрия - 2,5 ... 3,5 мг, оксида серы (IV) - 0,9 ... 1,1 мг, аммиака - около 0,13 мг. Последовательность ввода реагентов и их экспозиции надлежит принимать, руководствуясь указаниями табл. 3.6. При невозможности соблюдения указанных рекомендаций между вводом реагентов в трубопроводы перед водоочистным комплексом и смесителем допускается устройство контактных емкостей или дополнительных смесителей, конструкции которых исключали бы вероятность седиментации суспензий дозируемых реагентов. Если Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите Ctrl—Enter. ©2008-2014. Ингериет-кнс^Г 'uJY Тем а № 9. Реагеитиое умягчение воды 9.1. Классификация м етодов ум ягчения воды Сущность умягчения воды заключается в том, что при помощи тех или иных методов снижают в воде катионов кальция и магния, обуславоивающих жесткость воды. Временная или карбонатная жесткость обусловлена карбонатами и гидрокарбонатами кальция и магния (СаСОз, MgCC^, Са(НСОз)2 5 МДОЮОДэ). Постоянная жесткость обусловлены остальными солями кальция и магния (CaCl2 s MgClj, CaSC>4 , MgS 0 4 ). Снижение жесткости может быть достигнуто одним из следующих методов: • • • • Реагентным; Термическим: Катионитозым; Комбинацией вышеперечисленных методов (термохшшческий, реагентно-катионитовый). Тем а № 9. Реагентное умягчение воды 9 . 2 . М етоды реагентного умягчения воды Сущность методов реагентного умягчения состоит в том, что ионы Са~ и Mg” , растворенные в воде, при помощи добавления реагентов переводятся в практически нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. Вода освобождается от Са~ и Mg+ и умягчается, а осадок периодически удаляется в сток. В зависимости от вида реагентов, применяемых для умягчения воды, различают следующие методы водоумягчения 1. . 3. 4. 5. 2 известковый; известково-содовый; едконатровый; фосфатный; бариевый. Т ем а № 9. Реагентное ум ягчение воды 9.3. И зв е с т к о в ы й м ето д у м я г ч е н и я Метод применяется для частичного устранения из воды карбонатной жесткости (иначе говоря щелочности воды). Как самостоятельный метод применяется редко, его основной задачей является как правило снижения щелочности Обычно его комбинируют с содовым методом или катионитовым методом. Т ак в сочетании с N a-катионированием воды получается глубокоумягченную воду с небольшой щелочностью. воде По ГОСТ 2874-82 жесткость воды, предназначенной для хозпигьевых целей не должна превышать 7 мг-экв/л. По согласованию с органами Госсаннадзора эта норма может был» увеличена до 10 мг-экв/л. При большем содержании соле жесткости природные воды должны подвергаться умягчению. При получении воды пригодной для хозяйственно-питьевых нужд обычно умягчают только часть воды и затем смешивают ее с исходной водой. Количество умягчаемой воды в % определяется зависимостью XLT Q = _ у# ^ * 1 QQo/o М Ы ^Щ т где Ж оисх - исходная общая жесткость воды в м г.экз л; Ж о с - общая жесткость воды, поступающей в сеть Ж о с - 7 м г-экв л; Ж 0 у - жесткость умягченной воды. При использовании извести удаляется только карбонатная жесткость Ж Ку, при этом в зависимости от температуры умягчаемой воды Ж ол = 0,6 - 1,0 м г-экв л. Тогда при умягчении известью Ж 0 у = Ж Ку + жкк- Ж кк + 1,0 количество умягчаемой воды будет равно -7 100% Сущность метода известкового умягчения заключается в обработке воды известью. При добавлении извести в виде известкового молока или раствора в первую очередь происходит связывание свободной углекислоты с образование малорастворимого СаСОз, выпадающего в осадок. С 0 2 + Са(ОН ) 2 = C aC 0 3 i + Н20 При добавлении извести в большем количестве, чем нужно для нейтрализации углекислоты, происходит распад гидрокарбонов в результате чего выпадает из воды СаСОз. Са(Н С0 3 ) 2 + Са(ОН ) 2 = 2C aC 0 3 i + 2Н20 При избытке извести это приводит к гидролизу магниевых солей с образованием малорастворимой гидроокиси магния, которая при pH > 10,3 выпадает в осадок, освобождая воду и от магния. Mg(HCO ) 3 + Са(ОН ) 2 = M g C 0 3- С аС 03| + 2Н20 M gC 0 3 - Са(ОН ) 2 = Mg(OH) 2 i + СаСОз! При обработке воды известью происходит также перевод магниевых солей некарбонатной жесткости в малорастворимый гидроксид магния с образованием эввивалентного количества кальциевых солей сильных кислот при pH >10,2. M g S 0 4 + Са(ОН ) 2 = Mg(OH)2i + C aS 0 4 MgCl2 + Са(ОН ) 2 = Mg(OH)2| - СаС12 Магниевая жесткость устраняется, однако величина общей жесткости остается постоянной, т.к. магниевая жесткость заменяется кальциевой. Тем а № 9. Реагентное умягчение воды 9.4. И звестково-содовый метод ум ягчен и я Известкование воды в той или иной степени устраняет карбонатную и магниевую жесткость воды, но не снижает некарбонатную жесткость. Для снижения некарбонатной жесткости помимо извести в воду добавляют соду, т.е. применяют известково-содовый метод умягчения. При добавлении соды (Ха2 СОз) кальций выпадает в осадок в виде СаСОз . CaS04 + МагСОз = NajSC^ + СаС031 СаС12 + Na2C03 = 2NaCl + CaC03i Магний же устраняется при помощи извести при поддержали оптимальных начений pH. Оставпшеся после добавления извести СаБОд, СаС12 переводятся в осадок содой. Теоретический предел умягчения воды без подогрева определяется растворимостью СаСОз и Mg(OH ) 2 . Растворимость в растворе СаСОз при 0°С - 0,15 м г-эквл; 80°С - 0,03 мг-экв л: Mg(0 H) 2 соответственно - 0,4 мг-экв/л и 0,2 мгЭКВ'Л. Следовательно теоретический предел умягчения воды без избытка ионов СОз“ и ОН- при 0СС составляет 0,55 мг-экв л, а при 80°С - 0,23 г-экв л. Фактически в природных водах растворимость этих соединений зависит от ионного состава воды и избытка ионов СОз“ и ОН- . Образование коллоидных соединений СаСОз и Mg(OH ) 2 происходит мгновенно после введения извести и соды. Переход из коллоидного состояния в грубодисперсное, прикотором СаСОз и Mg(OH ) 2 выпадает в осадок занимает длительное время, что увеличивает объем сооружений. Поэтому ее выдерживают меньшее время и практически вся вода имеет остаточную жесткость не менее 0 , 5 - 1 мг.экв л. Скорость реакции водоумягчения определяется фазой укрупнения коллоидных частиц и зависит от следующих факторов: 1. 2 3. 4. 5. 6. 7. величины жесткости; вида жесткости (кальциевая или магниевая); количества введенных реагентов; температуры воды; степени перемешивания реагирующих веществ; наличия катализаторов; содержания органических примесей. Не все факторы могут быть применены в практических условиях. Увеличение температуры воды экономически целесообразно, когда подогрев необходим по технологическимпричинам.Избыток увеличением стоимости обработки воды и тем, что избыток реагентов стабилизирует коллоидные частицы, препятствуя их росту. К факторам снижающим скорость процесса умягчения относятся: • • вводимых реагентов ограничивается повышенное содержание органических веществ, что парализует процесс укрупнения коллоидных соединений: преобладание магниевой жесткости ведет к выпадению гидроксида магния в виде крупных рыхлых частиц, неспособных к агломерации в плотные и тяжелые частицы. Для устранения тормозящего действия органических веществ и укрупнения кристаллов СаСОз и Mg(OH) 2 в воду добавляется коагулянт. В качестве коагулянтов применяют сернокислое или хлорное железо. Сернокислый аллюминий при pH > 10,2 образуются растворимые аллюминаты. Сернокислый ааюминий можно применять только для устранения карбонатной жесткости. Оптимальные дозы извести, соды и коагулянта определяется технологическим анализом. При отсутствии анализов на стадии разработки проекта определяются дозы реагентов по СНиП при известном гипотетическом составе воды. 1. При известковом методе остаточная жесткость при декарбонизации может быть получена на 0,4 - 0,8 мг экв'л больше некарбонатной жесткости, а щелочность будетравна 0,8 - 1,2 мг экв л. Доза извести при декарбонизации определяется соотношением содержания ионов кальция и карбонатной жесткости: Са2+ / 20,04 < Жк, Д вест и = 28*(С02 / 22 + 2ЖК - Са2+/ 20,04 ± Д к / е к + 0,5) мг/л, Са2+ / ек > Жк, 3 извести ~ 28*(С02 / 22 + —Д% / + 0,3) мг/л Дизеести = 2 S*(C 0 2 / 22 + 2 Ж к - Са2: / 20,04 ± Д х / е к + 0 ,5 ) м г/л , Са2: / Ж к, Л извести ~ 2 8 * (С 0 2 / 22 + Ж А = Д А- / ек - 0 ,3 ) м г/л ек - эквивалентная м а с с а активного вещ ества коагулянта F eS 0 4 FeC l 3 ек = 76 е к = 54 Выражение Д к / ек принимается с о зн аком м инус, е с л и коагулянт вводится раньш е извести и с «+», е с л и одновременно или позж е. При отсутствии экспериментальных данны х д оз коагулянта принимается по форм уле Дк = 31/с »мг/л> С - содерж ание взвеш енны х вещ еств в воде, образую щ ееся, при умягчении воды . Определяется по ф орм уле (< Х к ^ М е 2+ ( 1 0 0 - /» ^ С = М исх + 50 — - + 2 Ж К 1 + 2 9 —^— УД„ ---------- I, 22 *) 12 \ 100 J Мисх ~ Л!>тность; Д и - д о за извести; т - содерж ание С аО в техническом продукте, % . 2. П р и и з в е с т к о в о -с о д о в о м м е т о д е остаточная ж есткость п о сл е ум ягчения б у д ет Ж0 = 0,5-1 м г .э к в л , щ елочность Щ = 0 ,8 -1 ,2 м гэкв'Л Д о зы извести Д и и соды Д с определяю тся следую щ им и выраж ениями Ди = 2 8 * (С 0 2 / 22 + Ж К + M g2+ / 1 2 + Д к / е к + 0 ,5 ) Д с ~ & * (Ж т + Д х / е к + 1 ); 3. П р и и з в е с т к о в о -с о д о в о м м е т о д е умягчения образую тся С аС О з и M g(O H ) 2 - О ни м огут пресы щ ать раствор и находится в коллоидно - дисперсн ом состоянии (первая ф аза ум ягчения). И х переход в грубодисперсны й ш лам (вторая ф аза) очень длителен, особенно при низких температурах воды или при наличии органических прим есей, при этом ж есткость м ож ет снижаться в сего на 15-20% . В этом случае перед умягчением или в п роц ессе его необходимо удалить органические, прим еси окислением или коагуляцией. Ч ащ е п роцесс проводят в д ве стадии: • н а первой стадии удаляют из воды органические прим еси и основную часть карбонатной ж есткости, используя частично известь и коагулянты Al2 (S 0 4 ) 3 или FeCl 3 . При этом п роцесс идет при оптимальных у сл о в и ях коагуляции; • п осле этого вводят остальную д о зу извести и со д у и доумягчаю т воду, коагулянт применяют ж елезны й. Д о з а коагулянта рассчиты вается по формуле; Дк - 3 »ш/л> С - сум м арное количество взвеш енны х вещ еств, получаемое при умягчении и коагуляции. О но определяется по формуле: C = M чех , V+ 50 22 + 29 - ^ — + Д Ы т - %-ое содержание СаО в техническом продукте. СниП рекомендует для предварительных расчетов при отсутствии экспериментальных данных Д к принимать равную 25 - 3 5 мг/л с последующим ее уточнением в процессе эксплуатации. 1.При декарбонизации известью большой избыток ее по сравнению с расчетом не рекомендуется т.к. возрастает остаточная жесткость из-за непрореагируемой известью (кальциевая), а при наличии в воде магниевой некарбонатной жесткости также увеличивается кальциевая жесткость вследствие перехода магниевой некарбонатной жесткости в кальциевую. Поэтому рекомендуется принимать избыток извести не более 0,5 мгэкв л. 2. При известково-содовом методе также не рекомендуется большой избыток извести, однако это не вызывает увеличение остаточной жесткости посколько кальций снимается содой. Са(ОН)2 + Na2 C0 3 = CaC03i - 2NaOH Са(ОН) 2 + Na2 C 0 3 = CaC03i + 2NaOH Это,однако, приводит к перерасходу соды и увеличению гидратной щелочности воды. Поэтому избыток соды принимается равным 1 мг-экв/л. Жесткость воды в результате контакта с ранее выпавшим осадком понижается на 0,3-0,5 мгэкв/л по сравнению с процессом умягчения без контакта с осадком. Контроль процесса умягчения осуществляется коррекцией pH умягчаемой воды или контролируется по значению гидратной щелочности, кот. должна быть Щгидр —0 , 1 -0 , 2 мг-экв/л (гидраты) - при известковом умягчении воды. Щгидр ~ 0.3-0,5 мг-экв/л (гидраты) - при известково-содовом умягчении воды, т.е. при декарбонизац. и при известково-содовом умягчении большой избыток соды не рекомендуется. 1. 2. при декарбонизации с большим избытком низвести против расчетной возрастает общая остаточная жесткость из-за непрореагировавшей извести (увеличив. Са2+ при введении избыточной извести в воду или при наличии в воде магниевой жесткости, вследствии ее перехода в кальциевую некарбонат. жесткость, поэтому рекомендуется принимать избыток извести не более 0,5 мг-экв'л по сравнению с расчетным). при известково-содовом методе также не рекомендуется большой избыток извести, однако это не вызывает увеличения остаточной жесткости, поскольку' ионы Са2~ снимаются содой по реакции. Са(ОН) 2 + Na 2 C 0 3 = СаС0 3 1+ 2NaOH Это приводит к перерасходу соды и увеличивает гидратную щелочность, поэтому избыток соды по сравнению с расчетным принимается не больше 1 мг экв/л. Жесткость воды может быть снижена при контакте соды с ранее выпавшим осадком на 0,3-0,5 мг экв/л по сравнению с процессом без контакта с ранее выпавшим осадком. Также более глубокое умягчение достигается при подогреве воды, при избытке реагента-осадигеля на 0,5-1 мг/л. Наибольший эффект при температуре 35-40°С, глубокое умягчение при температуре больше 100еС. Если Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите Сtri-Enter. @2008-2014. Иктерне--хкН Тем а № 9. Реагентное умягчение воды 9.5. Едконатровый способ умягчения Едкий натр - продукт более дорогостоящий и дефицитный, чем известь и сода, поэтому ее применение часто ограничено экономическими соображениями. При введении раствора едкого натра в воду происходит следующее: С 0 2 + 2NaOH = Na2 C 0 3 + Н20 Са(НС0 3) 2 + 2NaOH = Na2 C 0 3 + CaC03i + Н20 Mg(HC 0 3> 2 = Na2 C 0 3 + Mg(OH)2i + H20 + C 0 2T Устранение некарбонатной жесткости: CaS0 4 + Na2 C 0 3 = CaC03| + Na2 S0 4 CaCl2 + Na2 C 0 3 = CaC03| + 2NaCl M gS0 4 + 2NaOH = Mg(OH>2 i + Na2 S 0 4 MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2| + 2NaQ Как видно из приведенных реакщш, едкий натр расходуется на нейтрализацию С 02, на устранение карбонатной и магниевой жесткости, а сода образуется при нейтрализации С 0 2 и при распаде гидрокарбонатов расходуется на устранение устранение кальциевой некарбонатной жесткости, поэтому рациональная область применения едкого натра в наличии соотношения между карбонатной жесткостью, С0 2 и кальциевой некарбонатной жесткостью, при кот. соды образовавшихся гидрокарбонатов и С 0 2 хватает для устранения кальциевой некарбонатной жесткости. Степень умягчения такая же, как при известково-содовом методе. При других соотношениях жесткости карбонатной, С 0 2 и некарбонатной кальциевой жесткости примен. Содово-натровый метод умягчения, где недостающую по гипотетическому расчету соду дополнительно вводят в воду. Тем а № 9. Реагентное умягчение воды 9.6. Фосфатный м етод ум ягчения Величина остаточной жесткости при вышеперечисленных методах состоит в пределах 1 мг экв л, при высоких температурах воды, т.е. термохимическом методе удается получить остаточную жесткость 0,2-0,4 мг экв л. Более глубокое умягчение при применении фосфатного метода, где в качестве реагента применяют Х азР0 4 (три натрий фосфат). Суть метода состоит в том, образ-ся соли Са и Mg фосфорной кислоты обладают ничтожной растворимостью и выпадают в осадок. Фосфатное умягчение применяется в основном как термохимический метод при подготовке котловой воды и подогреве до 105-150°С и чаще всего для доумягчения воды с ее подогревом. Эффект умягчения при этом составляет 0,02-0,03 мг экв л. Она сравнима с умягчением на ионообменных фильтрах. При введении в воду >1азР04 происходит следующая реакция: ЗСа(НС0 3)2 3 Mg(HC 0 3 ) 2 + 2Na3 P 0 4 = Са3 (Р 0 4)2 i - 6NaHC0 3 - 2Na3 P 0 4 = Mg 3 (P 0 4 )2 i + 6NaHC0 3 3CaS0 4 - 2Na3 P 0 4 = Ca3 (P 0 4)2 i + 3Na2 S 0 4 3MgCl2 - 2Na3 P 0 4 = Mg 3 (P 0 4 ) 2 i~ 6 NaCl Как самостоятельный метод применяется редко, ввиду высокой стоимости Na 3 P 0 4, применяется в основном для доумягчения воды. Осадки Mg3 (P 0 4 ) 2 и Саз(Р 0 коллоиды, что дает возможность применять метод для подготовки котлов среднего и высокого давления. 4)2 кроме этого хорошо адсорбируют на себя кремнекислоту и органические Тем а № 9. Реагентное умягчение воды 9.7. Бариевый метод Суть метода заключается в том, что при введении в воду солей Ва обр-ся практически нерастворимые соли кальция и магния, кот. выпадают в осадок. Кроме того, при взаимодействии солей Ва с сульфатами обр-ся малораст-ый BaSC>4 s выпадающий в осадок, т.е. происходит не только умягчение, но и частичное обессоливание воды. Применяются сле-ие соли: • • гидроксид Ва Ва(ОН)2 : алюминат Ва ВаА12С>4; • углекислий барий ВаСОз- При введении в воду гидроксида Ва происходит: В а (О Н )2 + - ^ = С а (О Н ) 2 +B aS 0 4 -I 2 M gS04 Mg(OH)2 i Са^ СОз Ь +Ca(OH)2= СаС° ^ + С 0 2 Т + Н 20 Mg(HC03)2 Mg(OH)j _ А. _ CaS04 СаА120 4 . ^ . ВаА120 4+ ------- - = ------ - ^+B aS04 Ф 2 4 MgS04 MgAlj04 4 _ А1 _ СаС12 СаА120 4 . _ ВаА120 4+ ------ ^-=------ ^+ВаС12 2 4 MgClj MgAl20 4 2 ВаА120 4+ Са<НС0зЬ = СаА1а0 4 j , +Ba0H +2С0 t 4 Mg(HC03)2 MgAl20 4 2 2 Сульфат бария осаждается очень медленно и поэтому требует большие размеры отстойников. Необходимые дозы бариевых солей: Д&СОД = ) Д в а А 1 гО{ = 1 2 8 Д лщ = 2 .0 7 8 (^ ) у - коэффициент, учитывающий потери углекислого Ва при введении ССь, т.к. он малорастворим. Применение ВаСОз: он малорастворим в воде, поэтому его применяют с известью. Путем воздействия углекислоты на ВаСОз получаем Ва(НСОз) 2 - гидрокарбонат Ва, кот. и дозирует в обрабатываемую воду, при этом доза ССЬ: Дсо, = о.4б(да?-) Применение бариевого метода в настоящее время крайне ограничено ввиду высокой стоимости и дефицита солей Ва, кроме того соли Ва ядовиты для обработки воды для хоз.-пигьев. Целей. Соли Ва применяются для частичного умягчения воды чаще всего с другими методами, при этом соли Ва применяются для устранения сульфатной жесткости, а затем воду обрабатывают известью и содой для доумягчения. Т е м а № 9 . Р еаген тн о е у м я гч ен и е во д ы 9.8. Установки для реагентного умягчения воды Схемы и состав водоумягчительных установок идентичны с установками для осветления и обесцвечивания воды, но имеют ряд особенностей: 1. 2. при применении известкового молока след-т применять для смешения только вертикальных смесителей или механическое перемешивание для обеспечениятребуемой степени смешения; отстойники, как правило, не применяют, за исключением полочных отстойников или полочных блоков. Чаще всего отстойники переоборудуются восветлители сослоем взвеш-го осадка. Взвешенный слой обладает каталит-ми свойствами, ускоряя процесс укрупнения частиц. СаСОз ~ вторая фаза укрупненных грубодисперсных примесей. Эффективность умягчения повышается, если реагенты не смешивать в смесителе, а вводить их в зону взвешенного слоя. 3. на ряде водоумяг-ых установок получили распространение вихревые реакторы - спиракторы. Он представляет собой перевернутый усеченный конус, с углом конусности 15-200, к нижней вершине которого подводится вода и реагенты - сода, известь. Внутрь реактора предварительно загруж-ся мелкозернистый песок (0,25 мм), мраморная и каменноугольная пыль, крошка, при высоких подъемах воды она приобретает вихреобразное движение, при этом происходит быстрое и полное образование и выделение на частицах загрузки СаСОз в виДе в виде твердых частиц. Частицы загрузки служат центрами кристалл-и. По мере отложений новых порций СаСОз зерна контактной массы увели-ся в размере и при достижении размера 1,5-2 мм не находятся во взвешенном состоянии, тогда конт-ую массу выпускают и вновь загружают свежий - через 3-4 дня. Отработ-ая контактная масса представляет собой чистый СаСОз с влажностью около 10%, кот. явл-ся ценным сырьем для получения извести. Кол-во получаемой извести путем обжига СаСОз ш установки практически в 3 раза больше, чем требуется для работы данной установки. На зернах контактной массы выделяется только СаСОз, а Mg(OH) 2 и взвесь не задерживаются. Это дает возможность использовать вихревые реакторы при умягчении подзем-х вод с преоблад-ем кальциевой жесткости Mg(OH)2 < 3 0 - 4 0 мл-'л. 4. При осветлении подземных вод с малой мутностью и содержанием магния не выше 15-20 мг/л применяется напорная схема со спирактором. 5. Поверхностная промывка предполагает с самого начала разбить скопление СаСОз ~ крупные образования, которые уходят на дно. Т ем а № 9. Р еаген тн о е у м я гч ен и е в о д ы 9.9. Термохимической метод умягчения Применяется: 1. с реагентной обработкой: 2. без обработки. Без реагентов - при нагреве воды до высоких температур проис-т смещение углекисл-го равновесия с распадом гидрокарбонатов и с образованием карбонатов. с д а о л , с 5с М Mg(HC03)2 M gC03 t 2 2 M gC03+H20=M g(0H )2 i+co21 Кроме того, CaS04 при температуре 100°C имеет растворимость не более 0,65 г/л, т.е. происходит устранение не только карбонатной жесткости, но и частичное удаление кальциевой некарбонатной жесткости. Фосфатный термохимический метод - умягчение до жесткости 0,02-0,03 мг экв/л. Тем а № 10. Катионитовое умягчение воды 10.1. Ф изико-химические основы катионнтового ум ягчения воды Катиониговый способ основан на способности некоторых нерастворимых в воде минеральных и неорганических веществ в воде обменивать содержащиеся в них активные группы, придающие воде жесткость. При этом воду фильтруют через слой катионита. Кальций и магний из воды переходят на катионит, а ионы натрия и водорода переходят в воду, происходит умягчение. Достигается эффект до 0,01-0,02 мг экв/л. Обменная способность катионитов постепенно истощается, ее можно восстановить путем регенерации, т.е. пропуска через катионит рас-ра NaCl, H2 SO4 . В зависимости от того, каким реагентом отрегенерирован катионит, различают Naкатионит и Н-катионит. При фильтровании через Na-катиониг происходит след-ие обменные реакции: С * ЗСО * + 2 NatK ]=N aH C 03 M g(H C 0 3)2 ^ CaSo4 _ M g[K ]2 СаГК12 -------- +2NaTKl=NaoS04+ — --M gS04 ^ M g[K ]2 С а С *2 +2N a[K]=2NaC 1+ С ^ 2 M gCl 2 M g[K ]2 C aSl° 3 +2N a[K ]=N a 2S i0 3+ Сг*К Ь M g S i0 3 M g[K ]2 гсткость устраняется, а щелочность остается эквн Здесь [К] обозначен комплекс катионита, нерастворимого в воде от одновалентности. Жесткость эквив-ой карбон-ой ж-ти. При пропуске через Н-катионит происходит: С^ С О з Ь +Н M g(H C 0 3)2 [ К ] - ^ + Mg[K ]2 2 CaSO , , СаГКТл 4 +2Н [К ]= —^ i + H , S O M gSO 4 M g[K ]2 ^ M gCl 2 +2Н [ К ] = С0 2 Т+2Н 20 4 ^ +2НС1 M g[K ]2 CaSl° 3 +2H[K]= CaP C^2 + H 2S i0 3 M g S i0 3 M g[K ]2 2 3 N a S 0 4+2H[K]=2Na[K]+H2SO 4 NaCl+H[K]=Na[K]+NCl В результате получаются минеральные кислоты в кол-ве, эквивалентом содержанию сульфатов и хлоридов, а также свободная углекислота за счет карбонатной жесткости. После катионирования получаем кислый фильтрат. После Naкатионирования -щелочной. Смешивая их в определенной пропорции, можно пол-ть воду с зад-ой щелочностью. В этом заключаеся сущность умягчения по схеме H-Na-катионирования. л ^ Каждый тип катионита обладает определенной обменной способностью - Е (г экв м^) - количеством задерживаемых катионов жесткости на mj катионита. Различают полную и рабочую обменные способности. Полная обменная способность - это кол-во катионов кальция и магния в г-экв, которое может задержать 1 mj катионита до того момента, когда жесткость фильтрата не сравняется с жесткостью исходной воды. л Е рабочая - кол-во гр экв катионов кальция и магния, которое может задержать 1 mj катионита до проскока в фильтрат некоторой жесткости. Когда обменная способность катионита относится ко всему объему фильт-го материала, то ее называют емкостью поглощения (гр экв). Емкость поглощения через некоторое время срабатывается, этот промежуток времени, чем меньше ж-ть воды и чем выше полная обменная способность катионита. Обычно рабочий цикл фильтрования продолжается до момента проскока в фильтр ж-ти, но бывают случаи, когда фильт-ие прод-ся до проскока некоторого кол-ва жесткости, тогда фильтр отключ-т не регенерацию, кот. состоит из трех основных операций: ------------------ — L—J 1 ---------- , — J --------------- В результате получаются минеральные кислоты в кол-ве, эквивалентом содержанию сульфатов и хлоридов, а также свободная углекислота за счет карбонатной жесткости. После катионирования получаем кислый фильтрат. После Naкатионирования -щелочной. Смешивая их в определенной пропорции, можно пол-ть воду с зад-ой щелочностью. В этом заюпочаеся сущность умягчения по схеме Н-Ма-катионирования. л л Каждый тип катионита обладает определенной обменной способностью - Е (г экв/ьг) - количеством задерживаемых катионов жесткости на м 5 катионита. Различают полную и рабочую обменные способности. Полная обменная способность - это кол-во катионов кальция и магния в г-экв, которое может задержать 1 mj катионита до того момента, когда жесткость фильтрата не сравняется с жесткостью исходной воды. Е рабочая - кол-во гр экв катионов кальция и магния, которое может задержать 1 г катионита до проскока в фильтрат некоторой жесткости. Когда обменная способность катионита относится ко всему объему фильт-го материала, то ее называют емкостью поглощения (гр экв). Емкость поглощения через некоторое время срабатывается, этот промежуток времени, чем меньше ж-ть воды и чем выше полная обменная способность катионита. Обычно рабочий цикл фильтрования продолжается до момента проскока в фильтр ж-ти, но бывают случаи, когда фильт-ие прод-ся до проскока некоторого кол-ва жесткости, тогда фильтр отключ-т не регенерацию, кот. состоит из трех основных операций: 1. . 3. 2 взрыхление обратным током воды: регенерация: отмывка фильтра от продуктов регенерации. 1. Взрых-ие произ-ся обратным током воды снизу вверхдля ликвидации спрессованности катионита и полноте регенерации. 2. Регенерация сост-т в пропускании регенеративного раствора через слой катионита сверху вниз (быв-т регенерация снизу вверх). При Na-катионировании применяют р-р NaCl 5-10%. При Н-катионировании - 2-5% раствор H2 SO4 или НС1. При этом ионы натрия и водорода, содержащие в растворе, вытесняют из катионита катионы кальция и магния и отчасти натрия, задержанные при рабочем цикле фильтра, которые переходят в р-р. СаГКТ, r „ CaCLj я h +2NaC l=2Na[K]+-------- 2Mg[K ]2 M gC lj СаГЮ, CaSO, 4 J2 +H 2S 0 4=2H [K ]+ --------- *Mg[K ]2 * 4 M gS04 CatKb +2HC1=2H[K]+ CaClj M gCl 5 Mg[K ]2 3. Отмывка катионита от продуктов регенерации и регенерирующего раствора произ-ся током воды сверху вниз, как и при обычном режиме фильтрования. Вода для промывки может быть как умягч-ая, так и исходная. После отмывки фильтр включают в рабочий цикл фильтрования. Тем а № 10. Катноннтовое умягчение воды 10.2. К атпонотовы е материалы По составу катиониговые материалы делятся на минеральные и ортанические естественного и искусственного происхождения. Ранее применяли естественные катиониты: гумусовый уголь, глауконитовый песок и др. Они обладают малой обменной способностью 100-150 гр экв/'м3. В настоящее время синтезирован целый ряд новых катионит-х мат-ов на базе природного сырья или искусственных смол. Природные: сульфоуголь, алюмогель, силикогель. Наибольшее распространение получили органич-ие катиониты искусственного происхождения - это высоко полимерные пластические массы, основой часто служит стирол. Они содер-т функщюнальые химически активные группы, водород, которых может замещаться другими катионами. Это четвертичные амины - NH3 OH, сульфагруппы НБОз", одновалентные фенольные группы ОН" и карбоксильные группы СООН“. Группа НСОз" и HSO 3 - и сульфагруппа обладают сильнокислотными свойствами, а группы СООН" и ОН” слабокислотными свойствами. В зависимости от этих функц-ых групп различаются слабокислотные и сильнокислотные катиониты. Последние способны к обмену катионов в нейтральной, кислой и щелочной среде. Слабокислотные - только при pH больше 7. Из наиболее известных марок распространение получил сульфауголь, кот. получается при обработке каменного угля серной кислотой. Етлн = 550-600 гэкв м^. 1. Сильнокислотный: СССР Егю.тн Сульфауголь 550-600 КТ-1 700 КУ-2 1500 КУ2-8 1700 Германия 2. Вофатит Р 600 Вофатиг KS 1200 Зеролит 1200 YR 100, 200 2000 КБ-4 (СССР) 2800 Зеролит 216 (СССР) 1200 Зеролит 225 (СССР) 1200 Амберлайт (США) 2000-2800 Цеокарб 225 (Англия) 2200 Слабокислотный: Оценка качества катионнтовых материалов Катионитовые материалы оцениваются по : 1. . 3. 2 физическим свойствам: химической и термической стойкости; полной и рабочей обменной емкости. Оценка качества катпонитовых материалов Катиониговые материалы оцениваются по : 1. . 3. 2 физическим свойствам: химической и термической стойкости: полной и рабочей обменной емкости. Ф и зи ч ески е свой ства Зависят от фракционного состава механической прочности и насыпной плотности, набухаемости. Фракционный состав определяется ситовым анализом, учитывающим средний размер зерен, степень однородности, dcp, d$o, d]0- Км - коэф-т неоднородности. ^ 0 Оптим-ый размер зерен 0,3-1,5 мм. Коэффициент неоднородности должен быть не более 2. Механическая прочность оценивается условиями разрушения катионита. Термическая и химическая стойкость оценивается стойкостью катионита к высоким температурам, а также кислотам и щелочам. Нестойкие катиониты способны пептизироваться, т.е. переходить в состояние коллоидного раствора. Набухаемость катионита. В воде искусственные смолы набухают и значительно увеличиваются в объеме. Отношение этих объемов называется коэф-ом набухания. Рабочая обменная емкость зависит от вида улавливаемых катионов, pH воды, соотношения солевых компонентов, скорости фильтрования, высоты фильтрующего слоя и удельного расхода реагента на регенерацию и в значительной мере зависит от вида каионита, т.е. от его Е Ш1М. Епош определяется в динамических условиях след-им образом: берется 20 г высушенного при 80°С катионита и замачивается в 5% р-ре соляной кислоты, далее набух-ий катионит помещещается в стеклянную трубку фильтра d = 1,5-2 см и регенерируют катионит в течении 5 часов раствором соляной кислоты 5%-ой концентрации, а затем отмывают его до нейтр-ой реакции по метилоранжу. Определение Е тлн Н-катионитовой загрузки производится путем пропуска фильтрующего р-ра с конц-ей хлористого кальция 10 м г экв/л и фильтруют через трубку со скоростью 3-5 м/ч. Фильтрование производится до тех, пока жесткость фильтрата не сравняется с жест-ю исходной воды. Определение EWjVi Н-катионита произ-ся суммированием изменения жесткостти фильтрата в каждых 200 м л порции и отнесением этого к единице веса. Еполн Na-KamoHma определяется по пропуску раствора СаС12 , также как и при Н-катионите, при этом его регенерируют 10% раствором NaCl с последующей полной отмывкой от продуктов регенерации. Если Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите Сtri-Enter. H H I ©2008-2014.Иктеркгт-;:к: гкгРГъ Э у Т ем а № 10. К атн он и товое ум ягчение воды 10.3. С х ем ы и п р и ем ы к ати о н н то во го у м я г ч е н и я воды Выбор схемы зависит от требовании, которые предъявляются к умягчаемой воде и от качества исходной воды. 1а. Одна ступень Ха-катионитового фильтра, где производится однократное фильтрование через Ма-катионит. Количество (не менее 2) и размер фильтров определяются расчетом. Применение этой схемы рекомендуется: 1. 2 . когда не лимитируется щелочность умягченной воды или когда предельно допустимая щелочность (ПДЩ) фильтрата не больше величины карбонатной жесткости исходной воды; при общей жесткости до 10 м г экв/л = Жф и величине жесткости фильтрата Ж$Фшт = 0 ,1 - 0 , 2 м г экв/л. Достоинства схемы: отсутствует растворы с кислой реакцией и нет необходимости в защите трубопроводов и аппаратуры. Недостатки: невозможность глубокого умягчения воды до 0,01-0,02 м г экв/л; высокий удельный расход соли на регенерацию 200-250 гр/гр задержанных катионов жесткости; неполное использование емкости поглощения фильтра. 16. 2-х ступенчатое Ха-катионирование. Схема лишена вышеуказанных недостатков, т.к. фильтрование воды происходит не до проскока в фильтрат ж-ти, а пока ж-ть фильтрата 1-ой ступени не достигнет 25-30% от ж-ти исходной воды, при этом емкость поглощения фильтров 1ой ступени выше, чем при одноступенчатом фильтровании и приближается к полной, основная м асса катионов ж-ти задерживается на фильтрах 1 -ой ступени, фильтры 2 -й ступени, которые отключаются по проскоку ж-ти, несут незначительную нагрузку и фильтроцикл у них 150-200 часов. Схема дает глубоко умягченную воду с жесткостью Ж д не более 0,01-0,02 м г экв/л. Достоинства: меньше соли на регенерацию фильтров 1-ой ступени, т.к. нет необходимости в глу-ом умяг-ии воды, удельный расход 120-150 гр/гр экв, задержка катионов ж-ти, вместо 200-250 при одноступе-ом катионировании. Фильтры 2-ой ступени регенерируются при повышенном расходе соли - 300-400 гр/гр экв, однако эти фильтры регенерируют! редко и общий расход соли меньше, чем при одноступенчатом Ха-катионировании, экономию соли можно увеличить, если использовать отмывочную воду фильтров второй ступени для регенерации фильтров первой ступени. Схема целесообразна при умягчении воды высокой ж-ти, с исходной жесткостью более 10 м г экв-л. Схемы Ха-катионирования не пригодны в тех случаях, когда Ж к больше допустимой щелочности умягченной воды. Наиболее простым методом сниж-ия щел-ти явл-ся подкисление кислотой с последующим удалением из воды углекислоты - дегазацией. гЫ а Н С О з+ Н зв О , = N a j S 0 4 + 2 С 0 2 Т + 2 1 1 ,0 Метод применим, когда увеличение солей при подкислении, не препятствует дальнейшему использованию воды. Чаще всего для снижения щелочности применяют метод Н-Ха-катионирования. Суть этого метода в том, что смешивается кислый и щелочной фильтрат в определенной пропорции до получения умягченной воды с определенной щелочностью. 1в. Параллельное Н-Ха-катионирование. Схема позволяет получать на Ха-катионигаом фильтре щелочной фильтр, на Н-катионитовом - кислый, оба фильтра смешиваются и подаются на дегазатор для удаления СО 2 , который образуется при распаде гидрокарбонатов и смешивании фильтратов. Д ля взрыхления катионитной загрузки используют воду после отмывки катионита, за исключением первех порций. Это дает значительную экономию воды на собственные нужды. 1г. Параллельное Н-Ха-катионирование с Ха-катионитовыми фильтрами второй ступени. При необ-ти получения постоянного и глубокого умягчения воды с общей ж-тью менее 0,03 м г экв/л и минимальной щелочностью схему параллельного катионирования дополняют Ха-катионовым фильтром 2-ой ступени. Эго делается потому% что трудно уловить начало проскока жесткости в фильтрат при одноступенчатом фильтровании. При наличии Ха-катионовых фильтров второй ступени вода в них подается насосами из бака умягченной воды под дегазатором. Достоинства схемы: снижение щелочности до 0,3-0,4 м г экв/л, что не достигается при других схемах Н-Ха-катионирования. При такой остаточ-ой щелочности, особенно при наличии в воде газов, вода становится коррозийноактивной. 1д. Последовательное Н-Ха-катионирование. По данной схеме часть потока умягч-ой воды пропускается через Н-катионитовый фильтр, а затем смешивается с остальной частью умягченной воды для нейтрализации, а затем податся на дегазатор. Из бака под дегазатором вода подается на Ха-катиониговый фильтр. Если к воде предъявляются повышенные требования, то в схему добавляется Ха-катионитовый фильтр 2-ой ступени. Достоинства: более полно используется емкость поглощения Н-катионитового фильтра, т.к. при последующем пропуске всей воды через Ха-катиониговый фильтр Н-катионитовый фильтр отключается не по проскоку кальция и магния в фильтрат, а по достижению определенной жесткости равной 1 м г экв/л, величина щелочности при этом будет Щост = 0,7 м г экв л. При этом должно выполнятся УК. — - <, 0,5 Ж мх У 3,5мгэкв I л SO%*+ С Г = 3 - Амгэкв / л ,ООП = 0 , *7 Если Вы нашли ошибку, выделше, её и нажмите С tri-Enter. Щ1<*"* = 0,03 т le . Последовательное Н-Ма-катионирование сголодной регенерацией Н-катиониговых фильтров. Схема такая же, но Н-катионитовыые фильтры регенерируются меньшим количеством кислоты, объем которой определяется стехеометрическим расчетом, при этом через Н-катионитовый фильтр проходит весь объем воды, затем вода подается на дегазатор для отдувки ССь, а затем на одну или две ступени Ма-катионитовых фильтров. В этом случае такой режим регенерации Н-катиониговых фмльтров позволяет устранить только карбонатную жесткость, а Жт удаляется на Ма-катионитовых фильтрах, при этом отсутствуют кислые стоки и можно получить глубоко умягченную воду с остаточной щелочностью менее 0,7 мг экв-л > Щ0Ст1ж. Совместное H-Na- катионирование. Данный процесс осуществляется в одном фильтре, в верхнем слое загрузки, которым являетсяся катионит в Н-форме, а в нижнем - в Na-форме. Такой фильтр регенерируют следующим образом: после взрыхления его обрабатывают сначала раствором кислоты, а затем раствором поваренной соли. Достоинства: отсутствие кислых стоков. Недостаток: сложность регенерации. Данная схема применяется в следующих случаях: исходная ж-ть меньше 6 мг экв-л, содержание ионов натрия до 1,5 мг эк в л , Жк /Ж нк больше 1. При этом остаточная ж-ть 0,1-0,3 мг экв-л. 1з. Определение расходов воды в схемах катионирования воды Количество воды, подаваемое на Н-катионитовые фильтры в схеме параллельного H-Na - катионирования определяется: _ о у к . -а ) . ” W 9 где О - общий расход станции умягчения и Н-катион-го фильтра; дп - кол-во воды, подаваемое для параллельного H-Na - катионирования ; Жк - исходной воды; а - заданная щелочность умягченной воды. При последовательном H-Na-катионировании количество воды, подаваемой на H-Na-катион-й фильтр, следующее: а\- заданная карбонатная жесткость смешанной воды; г\ = 0,7 мг экв'л; b - средняя за фильтроцикл кислотность фильтрата Н-катионитового фильтра. In . NaCl - ионитовый метод умягчения. NaCl ионитовый метод основан на умягчении воды с одновременным снижением ее щелочности. Он осуществляется путем последующего фильтрования воды через Na-катионитовый фильтр 1-ой ступени, далее С1-анионитовый фильтр, а затем вода подается на Na-катионитовый буферный фильтр 2-ой ступени. Достаточно часто Na-катионитовый фильтр совмещается с Cl-анионитовым фильтром в одном фильтре, при этом сверху загружается на 2/3 сильноосновной анионит АВ-17-8, а снизу на 1/3 загружается катионит, чаще всего сильнокислотный КУ-2-8. Иониты регенерируются 5% раствором NaCl, в результате чего катионит переходит в натриевую форму, а анионит - в хлорформу. На Na-катионитовом фильтре происходит замещение кальция и магния на ионы натрия, а в совмещенном фильтре в верхнем слое анионита анионы S O ^ ” N 0 3 “, N 0 2 “ , НСО3 - , которые содержатся в обрабатываемой воде, обмениваются на анионы хлора. Нижний слой катионита служит для предотвращения проскока катионов жесткости и обменивают их на катионы натрия. 2N a [К ]+ C ajH C 0 3]=C а[К ]2+2N аН С 0 3 2N a[K ]+M gS0 4=M g[K ]2+N ^ 0 4 2Na[K]+CaCl 2 =Са[К]з +2NaCl На анионитовом фильтре: [An] Cl+NaHC 0 3=[А п]Н С 034-NaCl 2[A n]C l+N a 2S 0 4==[An]2S 0 4+2NaCl [An] C l+N aN 0 3=[An]N 0 3+NaCl Если Вы нашли ошнбк\г. выделите её и нажмите Сtri-Enter. ^ ~ а, mm* ШГ' J На небольших установках производительностью 5-50 м 3/ч метод имеет ряд существенных преимуществ: 1. . расходуется только один реагент - NaCl; отпадает необходимость в кислотном хоз-ве. 2 Недостаток: возрастает количество хлоридов в воде на величину, равную ее щелочности. Удельный расход соли на регенерацию 65 кг/м3. Л Л Отмывают иониты неумягченной водой расходом 5 и 3 на mj загрузки фильтра. Для регенерации Ха-катионитового фильтра первой ступени исп-ся отработанный раствор, после регенерации фильтра 2-ой ступени. Объем анионита в фильтре 2 -ой ступени определяется: ~ nEHC°i * q ^a - производительность Ма-катионитовх фильтров первой ступени: S 0 42' - количество ионов S 0 4 2“ которые задерживаются анионитом; п - число регенераций; Щ - щелочность умягченной воды; - полная обменная способность. Она примерно равна для анионита 500 гр эк в 'м 3. Метод рекомендуется, когда количество НСО 3 - будет больше, чем количество остальных анионов и когда сумма анионов не превышает 3 м г экв'л. s o l" +NO 2 + n o 2 к . 1к Известково-катиониговый метод умягчения. Данный метод является смешанным и относится к реагентно-катионитовым способам умягчения. В данном методе карбонатная ж-ть устраняется известкованием, а затем вода поступает на Ха-катиониговый фильтр для устранения Ж т . При введении извести в воду сначала нейтрализуется СО 2 с образованием СаСОз, а затем добавление извести вызывает распад гидрокарбонатных ионов кальция и магния. Са[ОН]2+ С 0 2= СаС03 Н2° 2Са[ОН]2+ Са(НСОз]2= 2СаС03 >1+ 2Н20 Са{ОН]2+ Mg[HC03]2= MgC03+ CaC03 i + Н20 Са[ОН]2+ MgC03= СаСОэ '*'+ Mg(0H )2 1 В этом случае в значительной степени удешевляется умягчение воды за счет применения недорогих реагентов. 1л. Частичное катионирование. Метод заключается в регенерации Н-катионитовых фильтров в количестве, недостаточном для полного вытеснения катионов из загрузки. При этом после регенерации катионитов загрузка будет находиться в двух формах: верхняя часть в Н-форме, нижняя часть неотрегенерирована и будет находится в кальциевой и магниевой форме. При фильтровании воды через такой фильтр в верхней части все соли в результате обмена катионов будут превращаться в сильные кислоты, в нижней части будут идти реакции обмена между кальций- и магний-катионитами и кислотами, поступающими из верхней части катионита. В результате этого все соли некарбонатной ж-ти будут оставаться в воде, а карбонатной - удаляться. Метод позволяет удалить только соли карбонатной ж-ти, снижая щелочность до минимальной велны равной 0,04-0,05 м г экв/л. Частичное катионирование применяют, если потребитель не предъявляет высоких требований к жесткости воды при минимальной щелочности. Если Вы нашла ошибку, выделите её и нажмите Сtri-Enter. @2008-2014. Интернуг-KKcj [У Тем а № 10. Катноннтовое умягчение воды 10.4. М етод глубокого умягчения Для глубокого умягчения воды схемы последовательного и параллельного H-Na-катионирования дополняют Na-катионированием фильтром второй ступени. Данные схемы необходимы при высокой жесткости исходной воды свыше экв/л и глубокого умягчения воды. Расчет катпонптовых фильтров Задачей расчета является определение необходимого числа типовых катионитовых фильтров. В России выпускается промышленностью б типоразмеров иониговых фильтров от 1 до 3,4 м в диаметре. Исходными для расчета является количество катионов ж-ти, подаваемых на фильтр в течении суток: где О - полезная пр-ть. При этом на собственные нужды расходуют осветленную, но не умягченную воду. Фильтры второй ступени отмываются умягченной водой. Количество катионов жесткости, которое задерживается фильтром до проскока ж-ти будет: Sx= n - V - E ^ п - кол-во фильтроциклов в сутки. п = t +А Т - число часов работы станций умягчения (24 ч.): /-продолжительность фильтроцикла ( 1 0 - 2 2 ч.); tj - продолжительность операций регенерации фильтра (1,5-2 ч.); V - суммарный объем катионита: Ераб ~ рабочая обменная способность катионита, которая определяется по формуле Клячко: где аэ - коэффициент эффективности регенерации, зависящий от удельного расхода реагента на регенерацию, определяется по номограмме Клячко и находтися в пределах (0,2-1): PNd ~ коэффициент, учитывающий снижение обменной спсобности по кальцию и магнию, вследствии частичного задержания из воды ионов натрия, определяется по номограмме Клячко (0,05-0,95). Em vi - полная обменная способность: 2 л q - удельный расход осветленной воды на отмывку катионита (4-5 ь г /ь г катионита). 0,5 - коэф-т, >гчит-ий снижение обменной способности катионита из-за отмывки его осветленной, но не умягченной водой с ж-тью )K q. Т.к 5 = SI то y ^ Q - Ж п - Е раб Высота загрузки фильтров принимается 2-4 м от вида и диаметра фильтра. Необходимая площадь фильтра: н Кол-во типов фильтров: 8 мг f ] - площадь типов фильтров. Число типов фильтров выбирают так, чтобы количество рабочих фильтров было не менее 2, кроме рабочих фильтров предусматривают установку резервных: при б рабочих - 1 резервный, больше 6 - 2 резервных. Полученную суммарную площадь фильтров также проверяют на скорость фильтрования, которая для первой ступени фильтров должна лежать в пределах 5-25 м/'ч. Ха-катионитовые фильтры второй ступени рассчитываютсяся по той же форме, однако Жо = 0,15 мг экв/л - это та жесткость фильтрованной воды, что выходит из первой ступени фильтров, t принимают равным 150-200 часов. Фильтры второй ступени отмывают умягченной водой, поэтому: Е раб Л = CLз •r'Na В и • Еполм Полученную площадь фильтра проверяют на скорость фильтров, которая должна быть не более 50-60 м/'ч. При расчете Н-катиониговых фильтров методика расчет атакая же, что и прирасчете Ха-катионитовых фильтров за исключением того, что вместо Оо^щ принимают qH. Объем катионита на Н-катиониговых фильтрах: 17 - ЯНа ’Ж 0 >5* " W Конструкции катионитовьп фильтров Катионитовые фильтры могут быть напорные и открытые. Напорные серийно выпускаются нашей промышленностьютью 6-ти размеров. Размеры от 1 до 3,4 м диаметром с рабочим давлением до 6 атм. Они классифицируются на Ха- и Нкатионовые, по условиям регенерации и режиму работы на параллельноточные, противоточные, ступенчатопротивоточные, первой и второй ступени, фильтры ФСД (фильтры смешанного действия). Напорный фильтр состоит из корпуса из листовой стали, дренажной системы для отвода умягченной и подачи воды для взрыхления, распределительнаясистема для подачи регенерир-го раствора, сборной системы для отвода водыиз фильтра при взрыхлении катионита. Конструкцию фильтров см. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды т.2. Вспомогательные устройства Ха-катпонптовых установок П омимо фильтров катионитовые установки должны иметь вспомогательные устройства для регенерации и отмывки фильтров. К вспомогательным устройствам относятся емкости и склады для реагентов (соли и кислоты), баки с водой для взрыхления катионита, декарбонизаторы, мерники, аппараты для перекачки регенер-х растворов, контрольно-измерительная аппаратура. При расходе соли до 500 кг/сут ее хранят в сухом виде в неотапливаемых складах и растворяют в проточных солерастворителях пред регенерацией. Проточный солерастворитель представляет собой стальной цилиндрический сосуд с горловиной для загрузки соли и герметичной крышкой в центре верхнего сферического диаметра.Они изготавливается диаметром 450, 600 и 1000 ммс напором до 6 атм., на объемы соответственно 0,2 0,4 и 0,9 м3. Т.к. концентрация соли в растворе изменяется от 20% в начале растворения до 0,5%, то при использовании рассол для регенерации желательно усреднять его концентрацию в промежуточном баке с последующей подачей на регенерацию Ха-катионового фильтра. Объем бака не менее объема катионита в фильтре. При расходе соли более 500 кг/сут ее хранят в рассоле - мокрое хранение в специальных баках. Объем бака определяют из условия 1 мМ т соли. Перед подачей раствора на фильтр его профильтровывают через напорный кварцевый фильтр с загрузкой из песка d = 0,8-1 мм, высотой 600 мм. Скорость фильтра V = 5-7 м/'ч. Перед подачей раствора на фильтр рассол после кварцевого фильтра разбавляют до требуемой концентрации в смесителе (эжектор) или же насыщенный р-р соли подают в бак, в котором происходит растворение до требуемой концентрации. Емкость бака для мокрого хранения соли определяется: •щ — Опом '^ - о 'JifeQ ' JK'lOO _ Qnojg, • 5 1 0 0 0 -1 0 0 -^ с •Уfo g • ш 2 6 -1 0 4 ^Nad ~ 26% УКаС/" удельный расход соли на регенерацию, гр/гр экв задер. загр. ж-ти; т - число дней, на которое принимается запас соли (20-40 дней); ЪкаС! " концен-ия р-ра из баков для мокрого хранения (26%). В некоторых случаях емкость резервуара для мокрого хранения определяется не технологией обработки воды, а способом доставки соли (вагоны или автомашины), в этом случае емкость должна вмещать целиком соль, выгруженную из вагона после 20 суток. С л т » Д tT p a w n * . f и т .т « г а т г г а &S гги ч - д л и г р а ---------------------У-_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . В некоторых случаях емкость резервуара для мокрого хранения определяется не технологией обработки воды, а способом доставки соли (вагоны или автомашины), в этом случае емкость должна вмещать целиком соль, выгруженную из вагона после 20 суток. Производительность насоса, подающего насыщенный раствор соли на регенерацию: г» > я Ямае _ нат(хяп)^' р 7* ь гьа F - площадь фильтра; v - скорость регенерации (5-6 м/'ч): Ьр - конц-ия р-ра, подав-го на реген-ию - 8-10%. Фильтры для осветления насыщенного раствора соли рассчитываются на пропуск такого же расхода, но по скорости 4-6 м/ч. Размеры солерастворшелей баков мерников для насыщенного раствора соли при мокром хранении, баков для разбавленных растворов соли и др. оборудование принимается из расчета объема раствора на одну регенерацию фильтра первой ступени. Расход поваренной соли на регенерацию фильтра: 4faCt ~ -г* а 1000 F - площадь: Н - высота; Epa&*aCi - рабочая обменная емкость. Вспомогательные устройства для регенерации Н-катионитовых фильтров Серная кислота доставляется на станцию умягчения воды ж/’д цистернами и хранится в стационарных цистернах станции емкостью 15 м3 (28 т серной кислоты). Вместо эжектора кислоту на фильтр можно подавать насосом из бака мерника или непосредственно из цистерн стационарного склада. В послед-м случае на кислотной напорной линии обязательно должен быть установлен расходомер для учета расходов кислоты. Расход кислоты для регенерации Н-катионитового фильтра: Рш X 2SOt 1000 Нп - высота загрузки; Fn - площадь; ЕрсйР - рабочая обменная способность Н-катионитового фильтра; у - удельный расход кислоты H2SO4 на регенерацию гр/гр экв. Емкость цистерны для хранения концентрированной кислоты определяется, исходя из слеедующего: _ 0 00 2 • Qh • Ж 0 - «2*4 Оп - расход воды, подаваемой на фильтр; Жо - общая жесткость; у - удельный расход кислоты на регенерацию; т - кол-во дней хранения кислоты в цистерне (20-40 дней); Ьн £ 0 4 ' концен-ия H2SO4 в %: объемный вес HoSOj в г/м3. L . ft uHjSO, rfySOb ’т При доставке кислоты ж/д цистернами полученные данные округляют до ближайшей большей величины, кратной емкости ж/д цистерн. Л Ж/д цистерны весом 16,25 или 50 т, что при объемном весе кислоты 1,8 (#) объем цистерны составляет сответственно 9,14 или 28 м5. Полезная емкость мерника для концентрированной серной кислоты опред-ся: w _ и,щ й г - Ж о ' / ц л д '* ю ооо ь ^ .р ^ .п t - продолжительность межрегенерационного периода: и - кол-во фильтра. Производительность насоса при подаче кислоты насосами на фильтр определяется по скорости: 10-12 м/ч, Ьн^о* ~ 75-92%. Под всеми емкостями с серной кислотой должны быть устроены поддоны, облицованные кислотостойкими материалами, объем поддона = 75% от объема емкости. Емкость бака с водой для взрыхления должна обеспечивать продолжительность взрыхления фильтров: We = 0.12-lb F -tb> tfr - продолжительность взрыхления (12-15 мин.); lb - интенсивность подачи воды для взрыхления (4-5 л/м 2 *с). Высота расположения дна бака для взрыхления над кромкой сборной воронки в фильтре принимается на 4 метра выше, следует предусматривать подвод в бак отмывочной воды катионигового фильтра и последних порций регенерационного раствора, отходящего от фильтра. Нейтрализация кислотных стоков от Н-катионитовых фильтров может производится известковым молоком, доломитовой или магнезиальной крошкой с размером зерен 0,5-2 мм. Такую крошку загружают в бак-нейтрализатор, на дне которого устроена дренажная система из щелевых винипластовых труб. Нейтрализуемая кислая вода поступает в дренажную систему и просачивается снизу вверх через слой доломита в сборный лоток со скоростью не более 20 м/ч, что предотвращает вынос доломита в лоток. Расход воды на собственны е нужды катионитовой установки Расход воды, идущей на обслуживание катионитовых фильтров, складывается из расхода: 1. на приготовление регенерационного раствора Q ] : . 3. на взрыхление катионита О ? ; на отмывку катионита О з. 2 Вода используется неумягченная, поэтому сами катионитовые фильтры рассчитываются на пропуск полезного расхода. При двухступенчатом фильтровании вторая ступень отмывается умягченной водой и расчетная произ-ть фильтров первой ступени увелич-ся на 1,5-2%. В тех случаях, когда предусмотрено использование отмывочных вод для приготовления регенерационного раствора и для взрыхления катионита при определенном расходе на собственные нужды, учитывается расход только на отмывку катионита 0$, т.к. отмывочных вод хватает на взрыхление и приготовление регенерационного раствора. Но на практике от этого часто отказываются, т.к. это усложняет трубные коммуникации и технологию регенерации. 1. Суточный расход на приготовлениерегенерационного раствора Н-Ма-катионитовых фильтров: е. Ет1Н - полная обменная способность; n j , n 2 ~ число регенерационных фильтров в сутки; F \ , F 2 ~ площадьН-Ха-катионитовыхфильтров; 71 >У2~ удельный расход кислоты и соли; b j , Ь2 - концентрация регенерац-ых р-ов - b j = 1% H2 SO4 , b2 = 8-10% NaCl. Ераб = OJSEnam H - высота загрузки. 2. Суточный расход для взрыхления катионита: Q 2 = 0 M - t b - l - ( n l -Fl + n 2 F2) 9 - продолжительность взрыхления (20-25 мин); / - интенсивность взрыхления. 3. Суточный расход 0$ на отмывку катионита: Qi = (nr Fr H ,+ n 2 - F2 -H 2)-C , С - удельный расход отмывочной воды 4 - 5m j / m - катионита; Суммарный часовой расход осветленной воды в ъ й г /ч , который должен быть подан на катионит5будет: 1. при отсутствии использования отмывочной воды: Очас - суммарный часовой расход осветленной воды; Оп - полезная произ-ть катионитовой установки; 2. при повторном использовании отмывочной воды: Тем а № 11. Обессоливание воды 11.1. М етоды обессолпвания и опреснения воды Обессоливание может быть полным и частичным. Полным обессоливанием называется метод, в результате которого вода становится близкой по качеству к дистиллированной воде (снижение содержания солей до нескольких мг/л или долей). При частичном обессоливании растворимый осадок не должен превосходить допустимой величины. Частным случаем такого обессоливания является опреснение, т.е. доведение ее солесодержания до требований ГОСТ 2874-82 (Р < 1000мг/ л). Полное обессоливание может быть достигнуто одним из следующих способов: дистилляция в испарителях; ионный обмен: электродиализ в многокамерных аппаратах с камерами, заполненный ионитами. Опреснение воды может быть достигнуто дистилляцией, замораживанием, электродиализом, гиперфильтрацией, экстракцией, ионообменом, известково-бариевым умягчением, Н-катионированием. В зависимости от вида технологического процесса обессоленная вода может иметь следующее солесодержание и удельное сопротивление: 2 Характеристика метода Р, мг/л солесодержание R, Ом/см удельное сопротивление 1. Теоретически чистая вода 0 ,0 0 0 2 б* 1 0 б 0 ,0 0 0 1 23*106 2 -1 0 0,5* 106 0,1-0,3 0,05-0,1 5*106 . вода, 28 раз перегнанная в кварцевой посуде 3. Вода, обессоленная ионообменом - на 1 ступен-й установке - на 2 -х ступ-й уст-ке - на 3-х ступ-й уст-ке 10 *10б 1. Электродиализ с заполнением пор ионитами 2. Вода водопровода Москва Тула 200-400 1000-1400 (0 ,2 - 6 )* 1 0 3 Выбор метода обессоливания обусловлен требованиями к кач-ву воды со стороны потребителей, а с другой стороны - кач-ом исходной воды и экономическими соображениями. Солесодержание в дистилляте после испарителей составляет 1/2000-1/10000 от солесодержания концентрата в испарителе. Солесодержание концентрата в 5-12 раз больше солесодержания исходной воды, т.е. при испарительном обессоливании мы получаем снижение конц-ии солей в 200-2000 раз, поэтому данный метод применяют чаще всего для частичного обессоливания. При применении испарителей для получения глубоко обессоленной воды необходимо частичное обессоливание питательной воды испарительных установок или дообессоливание конденсата последующим ионообменом. Стоимость ионообмена зависит от солесодержания и сильно возрастает с увеличенем солесодержания исх-ой воды, поэтому данный метод предпочтителен для применения с солесодержанем до 800-1000 мг/л. Химические методы опреснения и обессоливания находят применение только в практике полевого водоснабжения или в целях спасения в аэрофлоте и на морских судах. Тем а № 11. Обессолнванне воды 11.2. Обессолнванне воды путем испарения н конденсации пара Это один из наиболее старых и распространенных методов частичного или полного обессоливания воды с повышенным солесодержанием. Суть работы простейшей одноступенчатой испарительной установки заключается в сле-ем. Острый первичный пар поступает из котла в змеевик испарителя, конденсируясь, образует практически обессоленную воду. За счет тепла, отданного паром происходит бразование вторичного пара из обессоленной воды. Вторичный пар поступает в конденсатор и оттуда в общий сборник воды. В зависимости от требований к обессоленой воде дистилят может разбавляться исходной водой. Испарители делятся: • • • • с естественной и искусственной циркуляцией испаряемой воды: вертикальные и горизонтальные: вакуумные и испарители с давлением выше атмосферного; имеются одноступенчатые и многоступенчатые испарительные установки. Большим преимуществом многоступенчатой испарительной установки является получение большего кол-ва обессоленой воды на 1 единицу первичного пара. 1 -ступен. 1 т 0,9 т 2 -ступ. 1 т 1,7 т 3-ступ. 1 т 2,4 т 4-ступ. 1 т 3,1т Обессоливание воды путем испарения и конденсации пара Для обеспечения безнакипного режима работы испарителя предусмотрено создание глубокого вакуума в испарителях. Это снижает температуру испаряемой воды до 50°С и ниже. По данной схеме соленая вода поступает через теплообменники в испарители. В каждом испарителе при помощи вакуумного термокомпрессора создается вакуум, соответствующий точке кипения при данной температуре. Каждый термокомпрессор засасывает пар из предыдущего испарителя, компрессирует пар из предыдущего испарителя (повышенное давления и температура), и подает в змеевик последующего испарителя. Кол-во испаряемей приимается не более 6 -ти. Тепло конденсата и продувочной воды испарителей используется в теплообмене для подогрева исходной обессоливаемой воды. 1. Метод ионитового обессоливания воды При ионитовом обессоливании воды достигается удаление из воды катионов и анионов растворенных солей. В зависимости от принятой схемы можно достичь частичного или полного обессоливания воды. Ионитовая установка для обессоливания состоит из двух групп фильтров, из которых первые работают по циклу Н-катионирования и служат для задержки катионов, а 2-я предназначена для удаления из воды анионов; в промежутки между фильтрами или в конце установки располагаются дегазатор для удаления свободной углекислоты, которая образуется: 1. . 2 при распаде гидрокарбонатов в цикле Н-катионирования; при фильтровании воды через анионитовые фильтры в случае их регенерации кальционированнойсодой или гидрокарбонатом натрия. Н[К] + С а(Н С 0 3)2 = CapC]j + С 0 2 Т + Н 20 В данную схему часто включают буферный натрий-катионитовый фильтр, который сглаживает проскок катионов и поддерживает неизменное значение pH воды В зависимости от качества исходной воды и требований потребителя схема может видоизменяться: 1-ая группа фильтров принципиально работает как Н-катионитовый фильтр в цикле умягчения воды, но с той разницей, что при ионитовом обессоливании Н-катионитовые фильтры должны задерживать не только катионы кальция и магния, но и катионы натрия, калий и др. Из-за необходимости задержки катионов натрия в схеме полного обессоливания Н-катионитовые фильтры работают в более жестком режиме и их рабочий фильтроцикл короче, чем схема при умягчении воды, а следовательно, рабочая обменная способность у них меньше. Н[К] + N a (H C 0 3)2 = N a[K ] + С 0 2 1 + Н 20 2Н[К] + N a 2S 0 4 = N a[K ] + H 2S 0 4 Н[К] + N aC l = Na[K] + HC1 Если Н-катионитовый фильтр загружен сульфоуглем, а анионитовый фильтр слабоосновным анионитом, то одноступенчатая ионитовая установка снижает содержание солей со 100-200 м г/л до 2-10 мг/л. При этом содержание кремнекислоты S1O 3 практически не снижается, т.е. такая схема не применима для котлов среднего и высокого давления. Обессоливание по этой схеме не экономично из-за отключения Н-катиониговых фильтров на регенерацию по проскоку катионов натрия и значительному расходу воды на отмывку катионитовых фильтров ианионитовых. Получение высокого эффекта обессоливания по одноступенчатой схеме возможно только при обеспечении высоких удельных расходов кислоты и щелочи на регенерацию. Более экономична установка с двухступенчатым Н-катионированием. Н-катионитовый фильтр первой ступени отключается на регенерацию при снижении кислоты на 20% от максимума. Регенерируется фильтр первой ступени серной кислотой с удельным расходом qya = 70-75 г/г экв. Н-катиониговый фильтр второй ступени работает до проскока катионов натрия в обрабатываемую воду и регенерируется с большим избытком кислоты. Последние порции регенерируемого раствора вместе с отмывочной водой используются для взрыхления Н-катионигового фильтра первой ступени, это на 15-20% сокращает расход кислоты на регенерацию фильтров первой ступени. При пропуске обессоливаемой воды через аниониговые фильтры происходит обмен анионов сильных кислот на анионы ОН", СОз2“ НСОз“ , которыми отрегенерирован анионитовый фильтр. При этом происходит следующее: 2[A n]O H + H 2S 0 4 = [A n ]jS 0 4 + Н 20 [Ап]СОэ + НС1 = [Ап]С1 + НгО [A n ]jC 0 3 + H 2S 0 4= [A n] 2S 0 4 + H 20 + C 0 2 T [Ап^СОз + 2HC1 = 2[An]Cl + H20 + C 02 t 2 [A n ]H C 0 3 + H ^ 0 4 = [An] 2S 0 4 + 2H 20 + 2 C 0 2 1 [A n ]H C 0 3 + 2HC1 = [A n]C l + H 20 + C 0 2 2. T Характ ерист ики анионит ов Аниониты бывают сильноосновные и слабоосновные. Сильноосновные способны к обмену анионов в кислой нейтральной и щелочных средах. Слабоосновные - только в кислых, при pH меньше 2. Сильноосновные аниониты способны задерживать анионы слабых кислот, например НзЭЮзКремнекислота слабо поглощается анионитами совместно с сильными кислотами, поэтому при наличии в воде кремнекислоты воду пропускают через две группы фильтров: Н-катионитовые и аниониговые, причем для задержания сильных кислот предусматривается группа анионитовых фильтров первой ступени, а при необходимости задержки кремнекислоты добавляют аниониговые фильтры второй ступени, загруженные сильноосновным анионитом. Аниониговые фильтры промышленностью не выпускаются, применяются в основном иониговые фильтры первой и второй ступени, которые предназначены для катионирования и для анионирования. В сильноосновных активной группой является четвертичное амониевое основание. Слабоосновные аниониты состоят из активных групп первичных, вторичных и третичных аминов. Сильноосновные аниониты получают путем нитрования сополимера стиролдивенилбензола с последующим восстановлением нитрогруппы. Слабоосновные аниониты получают поликонденсацией различных аминов с альдегидами. Технологические характеристики анионитов Размер зерен,мм Аниониты Ераб при ОН- Кремнеемкость по анионировании по БЮз2- до проскока S0 4 2- гр экв'М3 Слабоосновные Ап-18 Ап-31 Эмберлайт Сильноосновные и среднеосновные ЭДЭ-10П АВ-16Т АВ-17-8 АВ-27 Эмберлайт SR-410 3. 0 ,1 мг/л 0,3-1,б 0 ,4-2,0 0,3-0,85 1000 0,4-1,б 0,4-1,б 0,35-1,25 0,4-1,б 1100 1000 400 350 0,3-0,85 1100 350 1500 1500 250 800 50 200 Регенерация анионитовых фильтров После истощения емкости поглощения на обесс-их установках н-катиониговые фильтры регенерируют 1-1,5% сильных кислот, в основном применяется серная кислота. 2Na[K] + H 2S 0 4 = Н[К] + N a 2S 0 4 Сильноосновные аниониты регенерируются 2-4% раствором щелочной или кальцинированной соды. [An]2S 0 4 + 2NaOH = 2[An]OH + N a^S 0 4 [An]2S 0 4 + N a 2C 0 3 = [An]2C 0 3 + N a 2S 0 4 После регенерации фильтры отмывают от продуктов регенерации умягченной водой или обессоленной водой и фильтры вновь включаются в работ 4. Глубокое обессоливания воды В практических условиях не удается достигнуть глубокого умягчения и обесс-ия воды до сотых долей мг/л на 1-, 2-х ступенчатых установках. Такой эффект обессоливания необходим для котлов высокого и сверхвысокого давления, а также для некоторых промышленных целей. В этих случаях в схему вводятся дополнительные ступени Н-катионирования и анионирования воды. Введение дополнительных ступений гарантирует от проскока катионов и анионов. Схема полного обессоливания воды на 3-х ступенчатой установке. Осветленная вода поступает на Н-катионитовый фильтр первой ступени, а затем на анионитовый фильтр первой ступени, загруженный слабоосновным анионитом. Фильтрат анионитового фильтра поступает на Н-катионитовый фильтр 2-ой ступени, а затем на дегазатор. Вода собирается в сборной емкости и поступает на анионитовый фильтр второй ступени, загруженный сильноосновным анионитом. Главное назначение этого фильтра - удаление растворенной кремнекислоты из частично обессоленной воды. Сильноосновный анионит второй ступени регенерируется раствором NaOH, сначала 2-4% р-ром NaOH, а затем 0,2-0,3%. Регенерационный раствор после пропуска через аниониговые фильтры 2-ой ступени содержит NaOH, и еще кроме этого карбонаты и силикаты натрия. Этот раствор используется для регенерации анионитовых фильтров первой ступени, загруженных слабоосновным анионитом. Н-катионитовый фильтр третей ступени служит для удаления небольшого количества натрия, кот. может попасть в обессоленную воду после недостаточно полной отмывки анионита от продуктов регенерации. Это помогает также уменьшить расход воды на отмывку анионитового фильтра второй ступени и повышает экономичность работы. Н-катиониговый фильтр 3-ей ступени реген-ся 1-2% р-ром серной кислоты. Анионитовый фильтр третьей ступени предназначен для удаления из воды продуктов растворения и разрушения катионов, а также служит для повышения степени использования анионитовых фильтров второй ступени, кот. могут выключаться на регенерацию не по проскоку кремнекислоты в воду, а при ее достижении в фильтрате концентрации 0,1-0,2 мг/л. При этом регенерация анионитовых фильтров третьей ступени производится 2-4% раствором аммиака, т.к. при регенерации едким натром существует опасность попадания катионов натрия в воду, особенно в первый период после их регенерации. Трехступенчатая установка позволяет снизил» общее солесодержание до 0,05-0,1 мг/л, а по кремнекислоте - 0,02-0,05 мг/л. В данной схеме часто вместо двух фильтров третьей ступени применяют фильтр со смешанной катионигово-аниониговой загрузкой - ФСД (фильтр смешанного действия). ФСД оборудован распределительным устройством для подачи обессоленной воды и регенерационных растворов, а также дренажной системой и специальным промежуточным коллектором, который располагается на границе раздела катионитов и анионитов. Иониты подбираются т.о., чтобы во влажном состоянии насыпная масса анионита была несколько меньше, чем катионита. На дне ФСД располагается система для перемешивания ионитов после регенерации. Для загрузки ФСД рекомендуется анионит АВ-17-8 и катионит КУ-2 или КУ2-8, при этом зерна катионита несколько больше и крупнее анионита. Следовательно, чтобы при взрыхлении и последующей подаче воды происходит полное разделение катионита и анионита. Катионит осаждается внизу, вверху зерна анионита. н ц На дне ФСД располагается система для перемешивания ионитов после регенерации. Для загрузки ФСД рекомендуется анионит АВ-17-8 и катионит КУ-2 или КУ2-8, при этом зерна катионита несколько больше и крупнее анионита. Следовательно, чтобы при взрыхлении и последующей подаче воды происходит полное разделение катионита и анионита. Катионит осаждается внизу, вверху зерна анионита. Применение ФСД дает возможность получить глубокообессоленную воду за счет большой скорости фильтрования при малом количестве фильтров. При наладке ФСД сначала в него загружают катионит, который предварительно замачивают в растворе соли. Толщина слоя катионита принимается такой, чтобы промежуточный коллектор был покрыт тонким слоем катионита. Поверх катионита загружают анионит. Высота слоев обычно примимается по 0,6 м. Эксплуатация ФСД осуществляется следующим образом: перед пуском ФСД регенерируют. Для этого раствор кислоты (3% - серной, 5% - соляной), вводят через нижний дренаж и отводят через промежуточный одновременно для того, чтобы кислота не попадала на анионит. Через него сверху вниз пропускают обессоленную воду, забирая ее промежуточным коллектором. Отмывка катионита током воды снизу вверх совмещается с регенерацией анионита раствором щелочи. Для чего щелочь (2-4% раствор) вводят через распределительное устройство над анионитом и забирают промежуточным дренажом. Обессоленная вода для отмывки катионита подается и отводится также, как кислота. Отмывка анионита производится током обессоленной воды сверху вниз до тех пор пока не исчезнет реакция на сульфат-ионы в промывочной воде, промывочная вода отводится нижним дренажем. Затем зерна катионита и анионита перемешиваются в фильтре сжатым воздухом и окончательно отмывают током воды сверху вниз от продуктов регенерации. В этом случае фильтр представляет собой как бы множество сдвоенных катионитовых, анионитовых фильтров. Скорость фильтрования через ФСД - 40-50 м/ч. Разделение катионита и анионита для регенерации достигается взрыхлением всего слоя с интенсивностью 6 - 8 л/см* с плавным выключением подаваемой снизу для взрыхления воды, чтобы сначала осели наиболее крупные и тяжелые зерна катионита, а затем более легкие анионита. ФСД позволяет получить глубоко умягченную воду, сокращает количество фильтров в установках по обессоливанию, однако расход реагентов на его регенерацию на 50-60% выше, чем при работе раздельных фильтров. Качество работы фильтров ФСД зависит от сепарации катионитовой и анионитовой смолы перед регенерацией. При неполном разделении требуется большое кол-во промывочной воды и понижается глубина обессоливания. Фирмой «Серво» предложено разделение катионита и анионита слоем инертной смолы - 3-х слойный фильтр. Скорости сидементации инертной смолы (разделения смолы) находится между катионитом и анионитом, и благодаря этому достигается полное разделение ионитов, более эффективная регенерация и снижение солесодержания. Дальнейшим развитием ФСД является схема внешней регенерации смолы. Это дает возможность эксплуатировать один общий регенерирующий фильтр для нескольких ФСД. При этом колонна рабочих ФСД имеет низкую высоту низкую потерю напора. Регенерирующий фильтр работает с большей высотой псевдоожиженного слоя при меньшем диаметре фильтра. Процесс разделения улучшается с разделением границы между смолами, при этом в рабочих ФСД отсутствуют сложные по конструкции дренажные устройства. Регенерация Н-катионитовых фильтров 1 ступени в цикле обессоливания производится также как и регенерации фильтров при Н-Ма-катионитовом умягчении фильтров первой ступени. Фильтры выводятся на регенерацию при снижении кислотности фильтрата на 20% от максимального и регенери-ся кислотой с удельным расходом 70-75 гр/гр экв загрязнений. Для экономии кислоты ее подогревают до 25-30°С. Н-катионитовые фильтры второй и третьей ступени на продолжительность межрегенерационного периода не рассчитывают. Этот период очень большой. Площадь сечения этих фильтров определена скоростью фильтрования = 40-50 м/ч, причем подводящие и отводящие трубы рассчитываются на кратковременную скорость 1 0 0 м/ч. Для уменьшения гидравлического сопротивления эти фильтры загружают катионитами с размером зерен больше 0,5-0,7 мм. л л Высота загрузки не более 1,5 м. Удельный расход серной кислоты принимается =100 гр/гр экв задержанных катионов. Время регенерации 3 часа. Расход воды на отмывку 8-10 m-Vmj загрузки. Воду после отмывки Н-катионитового фильтра второй ступени и отработанный регенерационный раствор используетсяся для взрыхления и регенерации Н-катионитового фильтра первой ступени. При расчете анионитовых фильтров первой ступени продолжительность фильроцикла принимается 20-22 часа на установках с ручным управлением и 9-10 часов с автоматизированным. Продолжительность регенерации 2-2,5 часа на одноступенчатой и 4 часа на двух- и трехступенчатых, на которых для экономии щелочи и отмывочной воды часто производят последовательную регенерацию фильтров второй и третьей ступени и фильтров первой ступени. Рабочая обменная способность анионитового фильтра первой ступени: Ераб °= а Е а 7 - 0 ,ж 879 с , з п?лн % - коэф-нг эффективности регенерации, зависящий от удельного расхода щелочи. При удельном расходе Q = 60 гр/гр экв а = 0,8-0,9. Етли - полная обменная способность , q - удельный расход воды на отмывку анионита с возможностью использования промывочных вод второй и третьей ступени, q = 7,5 mj при повторном использовании промывочных вод и 10 mj без повторного использования. л Анионитовые фильтры 2-ой ступени расчитывают по скорости фильтрования 15-25 м/ч. Высота загрузки 1,5 м. Регенерируется фильтры 4% раствором едкого натра. Удельный расход едкого натра 120-140 кг на 1 м: загрузки. Удельный расход едкого натра для фильтров 3 ступени 2000 гр/гр экв поглощенной кремнекислоты. Продолжительность регенерации 3 ч. Отработанный регенерационный раствор и промывочная вода анионитовых фильтров используется для регенерации анионитовых фильтров 1-ой ступени. Для чего предусмотрены баки и коммуникации для сбора, хранения и подачи отработанного регенерационного р-ра. В тех случаях, когда едкого натра в отработанных регенерационных ррах не хватает для анионитовых фильтров 1 -ой ступени, предусматривают подачу регенерационных р-ров соды или аммиака , который значительно дешевле, чем едкий натр , все р-ры готовят на умягченной или частично обессоленной воде. 5. Обессоливание конденсата в ТЭУ и ГРЭС Обессоливание можно производить по упрощенной схеме одноступенчатого катионирования и анионирования на фильтрах ФСД. Если используется не термостойкие анионитовые материалы (сульфоуголь, КУ-1, ЭД-10-П), то конденсат следует охлаждать до 35 градусов и ниже, как правило, конденсат загрязнен окислителями металлов и не следует перед подачей. При глубоком обессоливании воды сильноосновные аниониты сорбируют из воды, в результате чего емкость поглощения по анионитам сильно падает, сорбция носит необратимый характер. При регенерации едким натром удаляется только часть органики, поэтому для защиты от органики воду перед подачей на сильноосновные аниониты следует очищать. Обычно это достигается коагулированием сернокислым алюминием с последующим отстаиванием и фильтрованием. Однако при коагуляции перманганатная окисляемость снижается до 5-10 мг/л , вместо 3-5 мг/л, которые допустимы при работе сильно основных анионитов, поэтому необходимо дальнейшее снижение органики путем катонитического окисления или сорбции на фильтрах с активным углем или специальными сорбентами. 5. Обессоливание конденсата в ТЭУ и ГРЭС Обессоливание можно производить по упрощенной схеме одноступенчатого катионирования и анионирования на фильтрах ФСД. Если используется не термостойкие аниониговые материалы (сульфоуголь, КУ-1, ЭД -10-П ), то конденсат следует охлаждать до 35 градусов и ниже, как правило, конденсат загрязнен окислителями металлов и не следует перед подачей. При глубоком обессоливании воды сильноосновные аниониты сорбируют из воды, в результате чего емкость поглощения по анионитам сильно падает, сорбция носит необратимый характер. При регенерации едким натром удаляется только часть органики, поэтому для защиты от органики воду перед подачей на сильноосновные аниониты следует очищать. Обычно это достигается коагулированием сернокислым алюминием с последующим отстаиванием и фильтрованием. Однако при коагуляции перманганатная окисляемость снижается до 5-10 мг/л , вместо 3-5 мг/л, которые допустимы при работе сильно основных анионитов, поэтому необходимо дальнейшее снижение органики путем катонитического окисления или сорбции на фильтрах с активным углем или специальными сорбентами. Регенерация активного угля осуществляется растворомром щелочи или слабым (0,01%) р-ром гипохлорига натрия. Это восстанавливает адсорбционную емкость лишь частично и после нескольких регенераций активный уголь приходиться заменять или подвергать прокаливанию. Перехлорирование воды перед подачей на фильтр с активным углем значительно увеличивают межрегенерационный период, за который происходит окисление органики хлором. Вместо активированного угля можно применять специальные полимерные сорбенты ИА-1П, ЕЗ, ЕН. Эти сорбенты регенерируются 10% р-ром поваренной соли. Нашей промышленностью выпускаются макро и изопористые иониты, способные к ионному обмену и к обратной сорбции органики. Они не нуждаются в защите от органических загрязнений (сульфакатионит КУ-23 , анионит АВ-17-10П, эмберлайт). Н Н Если Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите Сtri-Enter. ©2008-2014.Иперк»т-кн: гиг-- I Т ем а № 11. О бессоли ван и е во д ы 11.3. Опреснение воды электродиализом Сущность опреснения или химического обессоливания воды электродиализом заключается в том, что в электрическом поле, создаваемом при пропуске постоянного тока через слой воды происходит перенос ионов, растворенных в воде солей, катиониты к катоду, а аниониты к аноду. Если сосуд с опресненной водой разделить мембранами на 3-и части: катодную рабочую, анодную и включить постоянный ток, то большая часть катионов солей будет переносится в катодное, а анионов в анодное пространство, при этом находящаяся в рабочем отсеке электродиализатора вода будет опресняться. В этом процессе участвуют кроме анионов и катионов растворенных солей, что снижает эффективность работы электродиализатора. Согласно закону Фарадея кол-во электричества, необходимого для обессоливания воды, определяется уравнением: УИ = 2 6 ,8 ( С „ - С Д Ут - теоретическое кол-во электричества: Сп - кол-во начальное гр экв солей; Ск - конечное. Расход электрического тока будет больше, поскольку наблюдается перенос несолеобразующих ионов Н* и ОН” и т.п. Встречный перенос ионов, перемещающихся на встречу в соседнюю камеру, поэтому КПД в трех камерных электролизерах с пористыми неактивными мембранами очень низок и составляет < 0,025 - 0,5 - rj3. Уд - действительный выход по току. Это отношение характеризует степень совершенства электролизера. Оно меньше 1. Вследствии очень низкого КПД этот метод не получил распространения, т.к. стоимость обессоленной воды была очень высокой, расход электроэнергии 60-70 кВт/ч на 1 м- опресненной воды. Экономичность повысилась при применении специальных электрохимическиактивных мембран селективно проницаемые диафрагмы (катодо- и анодопроницаемые диафрагмы). Они отличаются тем, что обладают избирательной ионопроводимостью, т.е. способны пропускать через себя либо катионы, либо анионы. Кроме того, при наличии таких диафрагм устраняются диффузионные процессы, т.к. размеры пор в диафрагмах соизмеримы с размерами ионов. Электрохимически активные мембраны изготавливаются из ионообменных смол. При внедрении таких диафрагм выхода по току > 0,9. Еще большему повышению экономичности способствует применение многокамерных электролизеров с иониговыми диафрагмами. Ионопроводящие мембраны используются в диализаторе, изготовленном из ионообменных смол толщиной 0,5-1 мм. Селективность иониговых мембран, т.е. способность пропускать ионы с зарядом одного знака обусловлено наличием в них фиксированных ионообменных групп электрических полей, которые препятствуют прохождению через мембрану ионов того же знака, что и заряд иона, фиксированного в полимерной матрице. Катионные мембраны МК-40, МК-100, как и катионообменные полимеры содержат и пропускают катионы, но задерживают анионы. А плотные мембраны МА-40, МА-100 содержат подвижные анионы СГ, SO ^- , НСОз“, и проводят анионы, но задерживают катионы. Вода, содержащая соль, движется в мембранной батарее электродиализатора между кашонигными и анионитными мембранами через отверстие, вырезанное в полиэтиленовой перегородке толщиной 1 мм. Толщина мембраны 0,5 мм. Катионитовые и аниониговые мембраны чередуются и перемежаются перегородками, разделяющие мембраны рамки изготавливаются из резины, паранига, полиэтилена и других неэлектропроводных материалов. Они могут быть лабиринтными и прокладочными. В первых рамки снабжены извилистыми перегородками, создающими каналы, по которым движется диализат или рассол, во вторых рамки создают наружные стенки камеры, а мембраны поддерживаются вкладышами перфорированного или пространного плетения, кот. изготавливаются из диэлектрика (капрон, полиэтилен и т.д.). Электроды устанавливаются в торцовых плитах, кот. с помощью стяжных болтов сжимают рамки мембраны; электроды изготавливаются из платины, платинированного титана, гранита, магнетика; для питания используется постоянный ток 380 В. Когда включается постоянное электрическое поле все катионы устремляются к отрицательному полюсу, если первая мембрана катионная, то катионы проходят через нее в соседний водяной отсек, где происходит концентрация катионов, а первый отсек частично опресняется. Если первая мембрана анионная. То катионы не могут через нее пройти и остаются в первом отсеке, кот. становится концентрирующим отсеком. Анионы ведут себя аналогично, но движутся в противоположном направлении. Это т.н. классический или однонапрвленный электродиализ. Однонаправленным он называется потому, что полярность электрического поля в нем не меняется и ионы движутся в одном направлении. Он имеет ряд недостатков. Так для надежной работы в воду требуется добавлять кислоту или смягчители воды, это необходимо потому, что в воде в небольших кол-ax присутствуют Са(НСОз)2, BaS04, FeSO.* - эти в-ва оседают на поверхности мембраны и снижают эффективность процесса концентрирования солей. Неминеральные в-ва (органика, коллоиды, микробы) также загрязняют поверхность и не могут быть удалены в процессе электродиализа, поэтому 1 раз в неделю, месяц диализатор останавливается для очистки мембраны. Обратимый электродиализ лишен вышеуказанных недостатков. Здесь с помощью автоматического переключателя меняется полярность электрического поля. При этом отсек, кот. был опресняющим, стан-ся концентрирующим и наоборот. Т.о., в обратимом электродиализе нерастворимые и малорастворимые вещества удаляются из системы. Особенностью обратимого электродиализа явл-ся то, что мембраны явл-ся симметричными, т.е. они одинаково действуют в обеих направлениях. Концентрирующие и опресняющие отсеки идентичны по размерам и гидравлическим параметрам. Для работы электродиализа вода поступает в опресняющий отсек под давлением 5-6 МПа. Выход очищенной воды при электродиализе составляет 90-95%. Для нормальной работы системы не требуется добавления никаких химических веществ. Расход электроэнергии на диализ значителен и складывается из двух слагаемых: энергии насоса 0,5 кВт/м3 и энергии на перенос ионов 0,5 кВт/м3 воды на 1 гр соли. Метод электродиализа целесообразен при опреснении с содержанием мет-а в воде от 2,5 до 10 гр/л. При этом получается вода с солесодержанием до 500 мг/л. Т ем а № 11. О бессолн ван н е во д ы 11.4. Опреснение воды гпперфнльтрацней (обратный осмос) Гиперфильтрацией называется процесс разделения истинных растворов, который заключается в фильтровании жидкости через полупроницаемые мембраны, пропускающие воду (растворитель), но задерживающие растворенные в-ва (пщратные ионы солей). Этот процесс отличается от процесса фильтрования мало концентрированных суспензий. На очистку фильтрованием направляется жидкость, представляющая собой гетегогенную систему (2-х фазную) с различной степенью дисперсности взвешенных веществ. На осмотическое разделение направлены гомогенные системы (однородные истинные растворы). При фильтровании задерживается взвесь размером не менее 100-200 ангстрем , обратно осмотическая мембрана должна быть настолько безотказной, чтобы служить барьером для в-в, кот. нах-ся в р-рах в виде молеку или ионов, но процедить молекулы воды, которые имеют размер 1,38А (1А = 10‘10м = 10"мм). Это вызывает дополнительное гидравлическое сопротивление при продавливании через полупроницаемую мембрану чистого растворителя (воды), при обратном осмотическом разделении возникает еще одна противодействующая сила (разность осмотического давления). Если между пресной и соленой водой поместить полупроницаемую мембрану, то в силу того, что концентрация молекул воды в пресном объеме будет больше, чем в объеме соленой, где часть объема занимают ионы солей, то кол-во ударов со стороны пресной воды будет больше, следовательно, давление со стороны пресной в соленую,т.о. движущей силой осмотического переноса воды через полупроницаемую мембрану является разность концентраций воды по обе стороны мембраны. Принцип гиперфильтрации заключается в том, что создавая избыточное давление, заставить воду фильтроваться через мембрану в направлении, противоположном осмотическому переносу. При ОО (обратном осмосе) не должно происходить загрязнение мембраны, т.е. задержанные вещества должны отводиться от мембраны и не сорбироваться на ее поверхности или в объеме. Загрязнение мембраны явл-ся вторичным процессом, отрицательно влияющим на процесс разделения растворов. Если загрязненные в-ва не отводятся от мембраны, то при идеальной ее полупроницаемости процесс фильтрования должен прекратиться, т.к. увеличение концентрации солей в растворе будет сопровождаться повышением осмотическогодавлени и когда оно превысит величину гидростатического давления, создаваемого насосом, движущая сила будет = 0. При неидеальной полупроницаемости накопление растворенных веществ у мембраны приводит к увеличению их прохождения через мембрану, в этом случае процесс фильтрования прекращается, но эффект разделения = 0. Этим и обусловлена принципиальная схема ОО обработки воды. Разделенный раствор, очищенный от взвеси под давлением больше осмотического подается в аппарат, из которого выходят два потока: 1. 2. фильтрованный, очищенный от растворенных солей; концентрат с увеличенной по сравнению с исходной жидкостью концентрацией солей. Ввиду переноса воды через полупрницаемую мембрану у ее поверхности концентрация солей увеличивается по сравнению с исходным содержанием в растворе в данном сечении, при этом устанавливается такая величина градиента концентрации, кот. обеспечивает динамическое равновесие между подводом вещества к мембране. Это явление возникновения градиента концентрации в-в перпендикулярно поверхности мембраны называется контракционной поляризацией. В аппаратах наблюдается возникновение градиента концентрации, направленного вдоль мембраны. Это связано с тем, что при движении вдоль мембраны часть фильтруется через нее и концентрация солей в растворе по мере движения по аппарату увеличивается. Это явление называется концентрированием растворов. При этом концентранионная поляризация во всех случаях отрицательна. Увеличение концентрации солей возле мембраны приводит к образованию осадка труднорастворимых веществв на мембране. Это приводит к увеличению концентрационной поляризации. Снижается скорость фильтрования из-за увеличения осмотического давления и действия осадка на поверхности. Концентрирование растворов может быть положительным явлением, т.к. при оцисткеке сточных во 0 0 уменьшается их объем, который подлежит дальнейшей обработке или получают растворр с большим содержанием ценных компонентов, которые могут применяться повторно или утилизироваться. Процесс 0 0 характеризуется параметрами: V = 11.6 • 1 0 " * , [ g ^ ] = \м ? / м 2сут .] • задерживающая способность мембран по отношению к веществу (селективность): RD = 11 -----—> - уровень концентрирования зависит от условии в аппарате: И Сф - конц-ия солей в фильтрате; См - конц-ия солей в мембране; л С» r=t> Г - концентрационная поляризация, С - средняя конццентрация солей в объеме. Г - концентрационная поляризация, С - средняя конццентрация солей в объеме. Существует 4 гипотезы, объясняющие процесс отделения солей от воды через полупроницаемую мембрану под действием разности давления: гиперфильтрационная или сетовая, сорбционная, электрокинетическая, связанной и капиллярной воды. Наибольшее распространение получила сиговая модель, только она позволяет объяснить осмотический перенос растворителя от менее концентрированного раствора в более концентрированный и подтверждается экспериментальными данными. В соответствии с этой теорией в мембранах имеются поры, диаметр кот. достаточен, чтобы пропустить молекулы воды, но мал для прохождения ионов и молекул растворенных в-в. В воде имеются раствореные вещества, размер которых незначительно отличается от размеров молекул воды, однако при рассмотрении гиперфильтрационной модели нужно иметь в виду не радиус ионов, а радиус их гидратных оболочек. Размер их 5-15°А, в то время как радиус молекулы воды 1,38. Приведенная сетовая модель удовлетворительно объясняет и ряд наблюдаемых закономерностей: 1. 2. 3. опреснение начинается лишь при давлении, превышающем осмотическое: скорость фильтрации находится в прямой зависимости от солесодержания исходной воды: при большом солесодержании степень опреснения (селективность мембран) уменьшается, что объясняется уменьшением степени гидротации ионов с увеличением концентрации солей. Полупроницаемые мембраны являются основной частью любого 0 0 аппарата и определяют не только технологические показатели, но и технические и эксплуатационные показатели. Существует большое количество разнообразных мембран, но только некоторые из них нашли широкое применение в промышленности, они изготавливаются из различных полимерных материалов, пористого стекла, графита и др. От материала мембраны зависит ее свойство, химическая стойкость, прочность, структура. 1. Получение и характеристика мембран для гиперфильтрации Полупроницаемые мембраны подразделяются на мембраны с эластичной, жесткой структурой и комбинированные. К мембранам с эластичной структурой относятся полимерные мембраны, к мембранам с жесткой - металлические, стеклянные и графитовые микропористые мембраны. Комбинированные сочетают в себе жесткую основу с нанесенным на нее полупрон-ым слоем. К этой группе относятся и составные мембраны, которые образуются при наложении друг на друга 2-х различных полупроницаемых мембран. По форме мембраны делятся на листовые, трубчатые и в виде полого волокна. Листовые мембраны изготавливают в виде ленты, трубчатые двух типов: с расположенным активно-полупроницаемом слое на внешней и внутренней поверхности трубки. Эластичные мембраны: в эту группу входят полимерные полупроницаемые мембраны, кот. изготавливают из полиамидов, полиуретонов, поликарбонитов, поливинила, целлюлозы. Наибольшее распространение нашли мембраны из ацетилцеллюлозы, а также мембраны в виде полых волокон, изгот-ых из ацетилцеллюлозы и ароматических полиамидов. Полимерные мембраны изгототавливаются путем разлива растворов или расплавов на формирующей поверхности. Имеется два метода формирования мембран - сухой и коагуляционный. Получение мембран сухим путем проводится в 3 стадии: 1. 2. 3. приготовление р-ра полимера: разлив его на формирующую поверхность; выдерживание для испарения растворителя. В рз-те пол-ем тонкие однородные мембраны. Так листовые ацетлцеллюлозные мембраны имеют плотный полупроницаемый слой толщиной 0,25-0,5 мк со средним размером пор 0,01 мк. Ацетилцел-ые мембраны производят ряд зарубежных фирм. Фирмапроизводитель Истмен (США) Кодак-Пате (Франция) Дин Кемикл (США) Тип мембраны RQ-90 RQ-95 RQ-97 RQ-98 КР-89 КР-94 КР-97 Средняя произ-ть, л/ м3 Селективность, % Давление, МПа 1360-1400 880-1360 552-880 360-552 1140-1420 900-1140 650-900 360 88-92 92-96 96-97 97-99 89 94 97 99,9 9,8 9,8 9,8 9,8 5,9 5,9 5,9 5,9 Трубчатые ацешлцеллюлозные мембраны изготовляются сухомокрым способом по двум направлениям: 1. 2. мембраны формируют на гладкой поверхности стеклянных труб, а затем трубу удаляют, а мембрану переносят на пористый каркас, мембрану формируют на пористом каркасе - это значительно упрощает сборку мембранных элементов. Другой разновидностью трубчатой мембраны является полимерные мембраны, выполненные в виде полого волокна - трубки, внутренний диаметр которых 20-150 мк при толщине стекла 10-50 мк.Полые волокна могут работать при подаче разделяемого раствора как внутрь капилляра, так и к его наружной поверхности. Получают волокно экструзией через фильеры, после чего испаряют и осаждают в осадительной камере. Жестко-структурные мембраны представляют собой стеклянные капилляры с толщиной стенки 0,1-0,3 мк и внешним диаметром 0,5-1,5 мм. Капиллярные мембраны формируют из целого боросиликатного стекла с последующей обработкой в кислоте. Стенки капилляров получаются пористые с размером пор 20-1000°А. Стеклянные мелкопористые мембраны не обладают высокими селективными свойствами и проницательностью, но термо- и химическостойкие, стойкие к воздействию микроорганизмов, работают при давлении до 30 МПа. К числу мембран с жесткой структурой относятся металлические мембраны с размером пор 0,1-5 мк, т.е. имеют не высокую селективность, однако имеют повышенную терм-ю, хим-ю и бактер-ю стойкость и механическую прочность. Применяется для предварительной очистки различных стоков. Комбинированные мембраны Это двухслойные системы, состоящие из готовой пористой основы и полупроницаемого слоя. Для получения полупроницаемого слоя основу пропитывают, напыляют или осаждают на поверхности различные в-ва, которые обеспечивают селективность. В качестве основы применяется листовая сталь, металлокерамика, стекло, графит, полимерные пленки. Получение полупроницаемого слоя методом пропитки осуществляется с помощью химической реакции при взаимодействии солей образующих в порах нерастворимый осадок. При разделении растворов слой осадка служит селективным барьером для молекул и ионов. Наиболее целесообразной областью применения пропитанных мембран является ультрафильтрация водных р-ров высокомолекулярных соединений. Для обработки СВ интерес представляет намывные мембраны, образ-ся при фильтрации через пористую основу раствора, в котором постоянно добавляют примеси диспергирующего вещества, котороеспособно в результате сорбции создать на поверхности основы полупроницаемый слой. Это гидроокиси металлов, полиэлектролигы. Недостаток мембран - непрочность полупроницаемого слоя, невысокая селективность, что ограничивает их применение. Установки для опреснения воды Представляет собой устройство составленное из набора мембранных элементов и приспособлений для их работы. Они подразделяются по виду мембранных элементов: 1. 2. Одна из первых установок для гиперфильтрации была предложена Хагенсом, производительность 1,2 м3/сут. С расходом электроэнергии 5,3 кВтч/м3 воды. Аппараты рулонного типа. Представляют собой трубу длиной 9 м, диаметром 7-20 см, в кот. вставлены последовательно несколько рулонных фильтрующих мат., соединенных между собой при помощи муфт. Рулонные фильтрующие материалы широко применяются и выпускаются нашей промышленностью, имеют производительность больше, чем другие фильтрующие элементы. Если Вы нашли ошибку, выделите её и нажмите C tri+ E jjjB _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ $2003-2014.икяржт-ияс Б и б л и огр аф и ч еск и й сп и сок исп ользуем ой л и тер ату р ы Основной 1. 2. 3. 4. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. Учебное пособие.- М.: ACS, 2007. Фрог Б.Н., Иванов М Б. Реагентные методы очистки воды для промпредприятий. Учебное пособие, - М.: МГСУ, 2004. Журба М.Г. и др. Водоснабжение, Проектирование систем и сооружений. Учебное пособие для ВУЗов в 3-х томах. Т.2.- М.: АСВ, 2003. Горбачев Е.А. Проектирование очистных сооружений водопровода из поверхностных источников. Учебное пособие для ВУЗов, - М.: АС®, 2004. Дополнительный 1. 2. 3. Николадзе Г.И. и др. Подготовка воды для потьевого и промышленного водоснабжения. - М.: Высшая школа, 1988. Громогласов А.А. Водоподготовка: процессы и аппараты: Учебное пособие для вузов.- М.; Энергоатомиздат, 1990. СНиП 2.04.02-84*.Водоснабжение. Наружные сети и сооружения