Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод - файл n1.doc

приобрести
Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод
скачать (12651.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc12652kb.19.09.2012 18:34скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
Глава IV.5

СТАБИЛИЗАЦИЯ И ДЕГАЗАЦИЯ ВОДЫ

§ 1. СТАБИЛИЗАЦИЯ ВОДЫ

Стабильность является одним из основных показателей качества воды. Согласно ГОСТ 3313—46 «Методы технологического анализа. Определение стабильности воды», стабильной считается вода, кото­рая не выделяет и не растворяет осадок карбоната кальция.

Качество воды, прошедшей очистные сооружения, нельзя считать удовлетворительным, если она при прохождении по сети приобретает окраску или дает осадок.

Стабильность воды может нарушаться из-за наличия агрессивной угольной кислоты или кислорода, низким рН, перенасыщенностью во­ды карбонатом кальция или гидроксидом магния, повышенной концен­трацией сульфатов или хлоридов.









При стабилизации состава воды едким натром, содой и известью приготовленные растворы реагентов дозируют в обрабатываемую во­ду. При использовании для стабилизации воды извести приготовле­ние известкового молока осуществляется в гасителях различных кон­струкций. Известкованием не только повышается рН, но и увеличива­ется жесткость обрабатываемой воды. Если последнее нежелательно, воду подщелачивают 3—5 %-м раствором соды или едкого натра, ко­торые вводятся в обрабатываемую воду обычно прсле фильтров.

Применение для снижения агрессивных свойств воды едкого натра, соды и извести сопряжено с рядом трудностей. Неточная дозировка этих реагентов приводит к резкому колебанию рН воды. Введение в избытке едкого натра, соды и извести может привести к умягчению воды в результате взаимодействия их с солями жесткости. Кроме то­го, использование едкого натра и соды в практике весьма ограничено из-за их сравнительно высокой стоимости.

Эти недостатки во многом устраняются при использовании карбо­натных пород кальция (мела или мрамора); при этом не происходит умягчение воды и резкое изменение ее рН в случае колебания дозиро­вок, что значительно упрощает контроль за ходом стабилизации. При стабилизации воды в процессе очистки пользуются суспензией мела, которую приготовляют в баках, снабженных мешалками. Предельная концентрация суспензии определяется удобством ее дозирования. Что­бы избежать повышения цветности воды за счет усиления окраски гу-миновых веществ при повышении рН, суспензию вводят в воду, в основном уже освобожденную от органических соединений (в конец отстойника, между отстойником и фильтром или непосредственно на фильтр). Взаимодействие мела и СО2 протекает достаточно быстро. При использовании в схеме очистки осветлителей снижения агрессив­ности воды можно достигнуть во взвешенном алюмомеловом слое.

В случае стабилизации состава очищенной воды целесообразно применять мраморно-песчаные фильтры, которые выполняют функцию осветления воды и одновременно связывания находящейся в ней агрес­сивной угольной кислоты. Это достигается загрузкой обычных скорых фильтров песком и мраморной крошкой. Эксплуатация фильтров в производственных условиях подтвердила эффективность их действия.

В некоторых случаях агрессивную угольную кислоту из очищенной воды удаляют методами дегазации, которые описаны далее в § 2.

Нестабильность воды, как известно, может обусловливаться и пере­насыщенностью воды карбонатом кальция. Последнее наблюдается во многих природных водах (например, ключевых) и особенно часто в производственных оборотных водах, идущих на охлаждение.

Использование воды для охлаждения приводит к ее нагреву, в ре­зультате чего происходит распад гидрокарбонатов и выпадение кар­боната кальция. Для борьбы с нестабильностью воды, приводящей к отложениям солей на поверхности тру­бопроводов и аппаратуры, применяют подкисление ее, карбонизацию дымовыми газами (рекарбонизацию), фосфатирование и гуматиро-вание.

Подкисление воды достигается обычно введением серной или соля­ной кислоты:





частности конденсаторов турбин, является фосфатирование воды (Об­работка воды гексаметафосфатом натрия или ортофосфатом натрия).

Гексаметафосфат натрия (NaPO3)6 вследствие своих поверхност­но-активных свойств адсорбируется на поверхности зародышей крис­таллов карбоната кальция. Изолируя частички СаСО3, пленка (NaРО3)6 препятствует росту зародышей микрокристаллов и их выпа­дению.

Применение ортофосфата натрия Na3PO4.12H2O основано на его свойстве переводить накипь в шлам. Ортофосфат натрия образует ма­лорастворимый в воде ортофосфат кальция, который откладывается на гранях кристаллов СаСО3, изменяет их форму и препятствует соедине­нию в более крупные кристаллические агрегаты. В результате этого вместо накипи выпадает рыхлый, легко удаляемый шлам.

В качестве одного из средств, предотвращающих выпадение кар­боната кальция в воде оборотного водоснабжения, используется гума-тирование. Оно основано на адсорбции кристалликами карбоната кальция некоторых органических соединений (гуминов и др.), что пре­пятствует их росту и выпадению. Гуматирование осуществляется об­работкой воды торфяной вытяжкой. В некоторых случаях целесооб­разна комбинированная обработка воды; например, при обработке вод с большой карбонатной жесткостью применяется сочетание под-кисления с фосфатированием.

Обработка воды для борьбы с кислородной агрессивностью осуще­ствляется физическими и химическими методами, описанными далее в §2.

При наличии сульфатной и хлоридной агрессивности воды следует применять, в случае контакта ее с бетонными сооружениями, специ­альные меры к защите их от разрушительного действия агрессивной воды.

§ 2. ДЕГАЗАЦИЯ ВОДЫ

Удаление из воды растворенных газов называется дегазацией воды. Наибольшее значение в технологии обработки воды имеют кис­лород, аммиак, сероводород и углекислый газ.

Чаще всего приходится удалять из воды коррозионно-активные угольную кислоту, кислород и сероводород, обусловливающие или уси­ливающие коррозию металлов, а также бетона (угольная кислота). Наличие этих газов в воде отрицательно влияет во многих случаях на качество продукции и сохранность оборудования. Кроме того, серово­дород придает воде неприятный запах.

Содержание перечисленных газов в больших количествах в при­родных водах, как правило, маловероятно, за исключением некоторых подземных вод. Обычно вода насыщается ими в результате специаль­ных методов обработки. Например, при обезжелезивании, катионито-вом умягчении или ионитовом обессоливании возникает необходи­мость удаления из воды образовавшейся угольной кислоты.

Существующие методы дегазации воды делятся на физические и химические.

Физические методы основаны на свойстве растворенных в воде газов выделяться при увеличении поверхности контакта воды с воздухом или создании условий, обеспечивающих минимальную рас­творимость газов в воде (понижение парциального давления газа над раствором, повышение температуры).

Первый способ — аэрирование — приемлем для газов, парциаль­ное давление которых в воздухе близко к нулю (свободная угольная кислота и сероводород). Кислород ввиду значительного парциального давления в воздухе аэрированием удалить невозможно.

Аэрирование воды осуществляется дождеванием, фонтанировани­ем, барботажем воздуха через слой воды, пропусканием через градирни, разбрызгиванием в вакууме.

Дождевание воды достигается с помощью специальных приспособ­лений, а в простейшем случае — деревянных ящиков с отверстиями в днище, помещенных над приемными резервуарами. Высота падения воды 2—3 м.

Фонтанирование воды проводится в железобетонных или бетонных бассейнах, над которыми на высоте около 1,5 м расположена сеть рас­пределительных труб с установленными на них разбрызгивающими насадками. Скорость истечения воды из насадок должна быть такой, чтобы обеспечить наибольшее время пребывания ее в воздухе и наи­лучший эффект разбрызгивания.

Уменьшение парциального давления удаляемых газов в воздухе над водой достигается усиленной вентиляцией помещения, в котором проводится разбрызгивание.

Для дегазации воды используют также пленочные градирни с раз­личными насадками, работающие без принудительной подачи воздуха и с подачей его вентилятором, а также струйно-пленочные контактные градирни.

Особенно эффективно аэрирование при удалении сероводорода. Оптимальные условия аэрирования характеризуются определенным















Для интенсивной деятельности серобактерий необходимо нейтра­лизовать образующуюся серную кислоту. Для этого вода должна содержать достаточно карбонатов. Таким образом, удаление серо­водорода происходит частично в результате аэрации и частично за счет биохимического окисления сероводорода серобактериями.

Другие способы удаления сероводорода (с помощью пиролюзитэ, отсосом под вакуумом, нагреванием и т. д.) не нашли достаточного применения из-за значительных экономических затрат при эксплуа­тации и сложности технического оформления.

Удаление угольной кислоты описано ранее при рассмотрении про­цесса стабилизации воды.

Глава IV.6 УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ

Умягчением воды называется процесс, приводящий к снижению жесткости, т. е. уменьшению концентрации кальциевых и магниевых солей.

Существует несколько методов умягчения воды. Выбор того или иного из них определяется главным образом необходимой глубиной умягчения (предельной величиной остаточной жесткости), качест­вом исходной воды и экономическими соображениями.

Для умягчения воды применяют:

  1. термические методы, основанные на нагревании воды до ки­
    пения;

  2. реагентные методы, при которых находящиеся в воде ионы Са2+
    и Mg?+ связываются определенными реагентами в практически не­
    растворимые соединения;

  3. метод ионного обмена, основанный на фильтровании воды че­
    рез специальные материалы, обменивающие входящие в их состав
    ионы Na+ и Н+ на ионы Са2+ и Mg2+, содержащиеся в воде;

  4. комбинированные методы, представляющие собой различные
    сочетания описанных методов (термохимические, реагентно-катиони-
    товые).

Термические и термохимические методы умягчения воды приме­няются в основном в теплоэнергетике.

§ 1. УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ НАГРЕВАНИЯ

Умягчение воды методом нагревания до кипения основано на сдвиге углекислотного равновесия в сторону образования карбоната

кальция:



Смещение равновесия происходит в результате уменьшения раст­воримости углекислого газа при повышении температуры. Кипяче­нием можно полностью удалить газ и, следовательно, намного сни­зить карбонатную кальциевую жесткость, однако полностью ее устранить не удается, так как карбонат кальция, хотя и незначитель­но (13 мг/л при температуре 18 °С), все же растворим в воде.

При наличии в воде гидрокарбоната магния процесс перехода в осадок происходит следующим образом: вначале образуется сравнительно хорошо растворимый (11О мг/л) карбонат магния:



Таким образом, при кипячении воды жесткость, обусловленная гидрокарбонатом кальция и магния, значительно снижается.

При кипячении растворимость сульфата кальция падает до 0,65 мг/л, что также способствует умягчению воды.

Описанный метод применяется для удаления из воды преимуще­ственно карбонатной жесткости и используется для умягчения воды, идущей для питания котлов низкого и среднего давления, а также в качестве вспомогательного метода при реагентных способах умяг­чения.

§ 2. РЕАГЕНТНОЕ УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ

При реагентном умягчении вода обрабатывается веществами, связывающими находящиеся в воде ионы Са2+ и Mg2+ в практически нерастворимые соединения. В качестве реагентов применяют известь, кальцинированную соду, едкий натр, ортофосфат натрия, гидроксид бария и другие вещества.

Известь является одним из наиболее дешевых реагентов. Поэтому умягчение воды с высокой карбонатной и небольшой некарбонатной жесткостью (или при отсутствии некарбонатной жесткости) це-к лесообразно проводить известкованием.

Процесс умягчения воды известкованием (декарбонизация извест­кованием) основан на реакции:





Ввиду того что сода образуется при реакции едкого натра с гидро­карбонатами, необходимая для добавки в воду доза ее значительно уменьшается.

При высокой концентрации гидрокарбонатов в воде и невысокой некарбонатной жесткости избыток Na2CO3 может остаться в умяг­ченной воде, поэтому метод можно применять только при учете со­отношений между карбонатной и некарбонатной жесткостью. Если карбонатная жесткость приблизительно равна некарбонатной, то соду можно совсем не прибавлять, так как необходимое количество ее для умягчения такой воды образуется в результате реакции гид­рокарбонатов с едким натром. Доза кальцинированной соды возра­стает по мере увеличения некарбонатной жесткости воды.

Содово-натровый метод обычно применяется для умягчения во­ды, в которой карбонатная жесткость несколько больше некарбо­натной.





















При прочих равных условиях аэ зависит от удельного расхода регенерирующего вещества: с увеличением последнего возрастает аэ. Однако рост а., при удельных расходах NaCl, превышающих 250 г на I г-экв обменной способности, очень незначителен. На основании этой зависимости и приведенного уравнения построена номограмма (рис. IV.31), с помощью которой можно определить удельный рас­ход соли в зависимости от содержания катионов в исходной воде и требуемой жесткости фильтрата.

В ряде отраслей промышленности и коммунальном хозяйстве не требуется глубокое умягчение воды. В этом случае воду необходимой жесткости можно получать с помощью Na-катионитовых фильтров, регенерируемых с коэффициентом регенерации около 0,5, который достигается при расходе NaCl 75 г на 1 r-экв удаляемых солей жест­кости. Такая регенерация Na-катионитовых фильтров называется «голодной». При указанных расходах соли катионитовый метод мо­жет конкурировать с умягчением воды известкованием.

В некоторых случаях (например, в теплоэнергетике) жесткость фильтрата должна быть очень незначительной — не выше 0,015 мг-экв/л. Согласно номограмме, удельный расход соли на регенерацию будет очень велик. С целью снижения расхода соли и получения более высокого и устойчивого эффекта умягчения применяют двух­ступенчатое Na-катионирование. В этом случае умягчаемая вода проходит последовательно через Na-катионитовые фильтры первой, а затем второй ступени. На фильтрах первой ступени жесткость ис­ходной воды снижается на 70—90 %. Эти фильтры регенерируются пониженными расходами соли—125—150 г на 1 г-экв поглощенных катионов. Фильтры второй ступени регенерируются повышенными дозами соли — 250—340 г на 1 г-экв поглощенных катионов, что да­ет возможность получать глубоко умягченный фильтрат.

Экономия соли достигается тем, что фильтры первой ступени, задерживающие основную часть катионов жесткости, регенерируют­ся при пониженных удельных расходах соли, а фильтры второй ступе­ни, хотя и регенерируются при высоких расходах соли, но редко, так как нагрузка на них не превышает 10—30 % исходной жесткости.

Недостатком Na-катионирования является увеличение щелочно­сти обрабатываемой воды в результате перехода карбонатной жест­кости в эквивалентное количество гидрокарбоната натрия, разлага­ющегося при нагревании воды на NaOH и СО2. Высокая щелочность воды, идущей для питания паровых котлов, может вызвать вспени­вание и броски котловой воды, а также каустическую хрупкость котельного металла. В этом случае для уменьшения щелочности













Поэтому в случае предварительной обработки воды алюминиевы­ми или железными коагулянтами должны быть приняты меры, предупреждающие проскок А13+ или Fe3+ в осветленную воду. В про­тивном случае обменная емкость катионитового фильтра будет сни­жена.

В современных фильтрах высота слоя катионита составляет 2— 4 м; в Na-катионитовых фильтрах второй ступени высота слоя ка­тионита принимается 1,5 м. Скорость фильтрования на катионитовы.к фильтрах может варьировать в широких пределах — от 4 до 25 м/ч, а на Н — Na-катионитовых фильтрах второй ступени — не более 60 м/ч.

Катионитовый метод целесообразно применять прежде всего для умягчения подземных вод или для глубокого умягчения предвари­тельно осветленных поверхностных вод.

§ 4. МАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ

Магнитная обработка применяется в теплоэнергетике как метод предотвращения накипеобразования, обусловленного кальциевой кар­бонатной жесткостью, в паровых котлах низкого давления, водово-дяных и других подогревателях теплофикационных систем и т. п.

Результатом воздействия магнитных полей на поток воды является образование ионных ассоциатов, которые при пересыщении, происходящем в связи с уменьшени­ем растворимости при повышении температуры, выполняют роль центров кристал­лизации. При наличии карбонатов образование ассоциатов облегчается возникно­вением вследствие магнитной анизотропии ионов СО32- , преимущественной ориен­тации их в магнитном поле, благодаря чему возникают пространственные комбина­ции, подобные наблюдаемым в кристаллах СаСОз.

При магнитной обработке воды накипеобразователи не удаляют­ся, а выделяются в виде взвешенных частичек. В связи с этим успеш­ное применение метода во многом зависит от надежного удаления осадков из теплообменных аппаратов, так как в противном случае происходит укрупнение, скопление и уплотнение шлама на поверх­ностях нагрева и в итоге — образование «вторичных накипей».

Перевод накипеобразователей в шламообразную форму зависит от количества и качества обрабатываемой воды, природы растворен­ных в ней солей и газов, а также от условий воздействия магнитны к полей: напряженности магнитного поля, скорости воды, количества пересечений потоком воды зон воздействия магнитных полей и др. Удаление же осадков связано с условиями циркуляции воды и под­держанием наиболее эффективного шламового режима. Для полу­чения эффекта воду необходимо обрабатывать до поступления ее в теплообменный аппарат. После обработки вода должна находиться в спокойном состоянии, аэрация и интенсивное перемешивание ее должны быть исключены. В теплообменной аппаратуре не должно быть застойных зон.

Поскольку при магнитной обработке рН воды возрастает, а раст­воримость газов снижается, проводить деаэрацию воды после маг­нитной обработки с целью уменьшения коррозионной агрессивности

нет необходимости. Кроме снижения коррозии, магнитная обработка воды подавляет рост водорослей.

Механизм эффектов, возникающих при магнитной обработке во­ды, в настоящее время раскрыт недостаточно, что связано с освоени­ем лишь отдельных сторон и возможностей процесса.

§ 5. ИМПФИРОВАНИЕ ВОДЫ

Для целого ряда производств требуется отсутствие в воде карбо­натной жесткости, в то время как наличие некарбонатной — вполне допустимо. Например, такие требования предъявляются к воде, иду­щей для охлаждения.

Перевод карбонатной жесткости в некарбонатную может осу­ществляться добавлением к воде соляной или серной кислот. Этот процесс называется импфированием (подкислением). Уравнения хи­мических реакций следующие:



Кислота добавляется в количествах, эквивалентных карбонатной жесткости.

К преимуществам метода относятся быстрота протекания химиче­ской реакции, отсутствие осадков и громоздкого реагентного хозяй­ства. Недостатками метода являются высокая стоимость, необходи­мость защиты оборудования от коррозии и тщательного контроля за введением кислоты.

Глава IV.7 ОПРЕСНЕНИЕ И ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ

Процесс удаления солей из воды в зависимости от степени их извлечения называется обессоливанием или опреснением. При обес-соливании концентрация растворенных солей снижается до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде, а при опресне- . нии — до концентрации, допустимой при использовании воды для хозяйственно-питьевых нужд (как уже указывалось, суммарное со­держание солей в соответствии с ГОСТ 2874—73 не должно превы­шать 1000 мг/л, в том числе сульфатов — не более 500 мг/л, хлори­дов — не более 350 мг/л).

Для опреснения и обессоливания воды применяют две группы ме­тодов. Первая группа основана на удалении из воды солей, вторая — на извлечении из соленой воды молекул Н2О. Применение методов первой группы, как правило, не сопровождается изменением агрегат­ного состояния воды; осуществление методов второй группы обычно сопровождается фазовыми переходами воды в парообразное или твердое состояние. Исключением являются экстракционный метод и гиперфильтрация, когда молекулы Н2О извлекаются из соленой во­ды без изменения ее агрегатного состояния. К методам опреснения и обессоливания воды, осуществляемых без изменения ее агрегатно-

го состояния, относятся ионный обмен, электродиализ, экстракция органическими растворителями, гиперфильтрация (обратный осмос), газогидратный метод, биологический, ионоосмотический и др. Основ­ными методами, осуществление которых связано с изменением агре­гатного состояния воды, являются дистилляция и вымораживание. Опреснение и обессоливание воды методами извлечения солей те­оретически более экономичны, так как в соленой воде молекул солей в 30—100 раз меньше, чем молекул Н2О. Однако реализовать это экономическое преимущество в настоящее время мешает техническое несовершенство этих методов.

§ 1. ОПРЕСНЕНИЕ И ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ

Метод дистилляции основан на выпаривании воды с последующей конденсацией паров. Процесс протекает при температуре, соответст­вующей данному давлению и солесодержаиию воды. Образовавший­ся при кипении пар при давлении ниже 4,9 МПа, практически не со­держит солей, поэтому при его конденсации получается пресная вода.

Для испарения воды ее нужно нагреть до температуры кипения и затем сообщить дополнительно теплоту фазового перехода воды в пар, так называемую скрытую теплоту парообразования, равную при температуре 100 °С — 2,26 МДж/кг. Такое же количество тепло­ты необходимо отнять у пара для превращения его в воду. Эта теп­лота может быть в значительной степени рекуперирована, причем степень рекуперации характеризует тепловую экономичность дистил-ляционных установок. Для выпаривания используют теплоту, выде­ляющуюся при сгорании топлива, теплоту конденсации пара, энер­гию солнечных лучей, атомных реакторов и т. п.

По характеру использования теплоты и степени ее рекуперации испарительные установки разделяются на одноступенчатые, много­ступенчатые и термокомпрессионные.

Одноступенчатая испарительная установка (рис. IV.34) представ­ляет собой испаритель 1 с нагревательным элементом 2, в который



от внешнего источника подводится теплота (обычно в виде теплоты

пара) для испарения соленой воды, и конденсатор 3, где для охлаж­дения используется соленая вода.

Многоступенчатые испарительные установки представляют собой несколько последовательно соединенных испарителей, работающих таким образом, что теплота конденсации пара предыдущей ступени используется для догрева и испарения воды в последующем испа­рителе.

Отличие термокомпрессионных испарительных установок состоит в том, что необходимая для испарения воды теплота поступает в ис­паритель при конденсации первичного пара, температура которого повышена в результате компремирования его в компрессоре или па­ровом эжекторе. Соленая вода (рис. IV.35) поступает в испаритель 1, в котором вакуум-компрессором 2 создается вакуум. Пары кипя­щей соленой воды отсасываются вакуум-компрессором и сжимаются им. Механическая работа сжатия переходит в теплоту, в результате чего пар нагревается до температуры более высокой, чем темпера­тура соленой воды в испарителе. Поступая в трубчатый теплообмен­ник 3, погруженный в соленую воду, пар конденсируется и теплота конденсации используется для испарения новой порции воды. Для запуска испарителя служит стартовый котел 4 и нагреватель 5, не­обходимые для нагрева воды в начальный период работы установки.

В перечисленных типах установок могут использоваться испари­тели вакуумные, атмосферные или работающие под избыточным (по сравнению с атмосферным) давлением.

По характеру кипения испарители могут быть пленочными (в ко­торых кипение происходит в пленке воды, движущейся по поверхно­сти теплопередачи), с кипением в толще испаряемой воды и с вы­несенной зоной кипения (адиабатные).

Все испарители разделяются на проточные, через которые испа­ряемая вода проходит один раз, и циркуляционные.

Солнечное опреснение представляет интерес для районов с жар­ким климатом (Казахская, Туркменская и Узбекская ССР и др.), так как стоимость тепловой энергии составляет 30—50 % общей стоимо­сти опреснения воды дистилляцией. Существуют установки очень простые — типа «горячий ящик» (рис. IV.36) и более сложные — с концентрированием солнечных лучей оптическими методами. Коэф­фициент полезного действия солнечных опреснителей достигает 30—40 %.

§ 2. МЕТОД ВЫМОРАЖИВАНИЯ

Опреснение воды методом вымораживания основано на исполь­зовании явления разделения кристаллов пресного льда и рассола при замерзании соленой воды. Температура замерзания рассола ни­же температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации солей, поэтому в твердое состояние вначале переходит чистая вода. В результате полости, заполненные рассолом, оказываются включен­ными в массу пресного льда. С увеличением температуры окружаю­щей среды первыми в жидкое состояние переходят включения рассо-



(плавления) составляет только 1/7 часть скрытой теплоты парообра­зования. Однако в настоящее время расход энергии на получение хо­лода выше расхода энергии для получения тепла. Очень дорого обхо­дится также отделение пресного льда от рассола. Поэтому вымора­живание может иметь значение при использовании природного холо­да в районах со стабильной низкой температурой в зимнее время, а также в районах с отрицательными ночными температурами при положительных дневных температурах.

В последнем случае режим работы опреснительной установки следующий. Вечером бассейн заполняется соленой водой. Ночью при отрицательной температуре воздуха на поверхности воды образуется слой частично опресненного льда. Утром находящаяся под слоем льда соленая вода спускается, а лед опускается на рифленое дно бас­сейна. Днем при положительной температуре лед начинает таять. Первые порции воды бывают солоноватыми, поэтому их сбрасывают. При последующем таянии льда получается пресная вода, которая собирается для использования. Этот способ применим в тех случаях, когда температура ниже —3 °С бывает не менее 5—6 ч в сутки. С 1 м2 площади бассейна можно получить 5—7 л пресной воды в сут­ки при средней температуре ночью —5 °С и днем +5 °С.

В районах со среднесуточной температурой воздуха в зимний период ниже —3 °С применяется бунтовый способ. Сущность его за­ключается в том, что в зимний период намораживаются бунты льда. При этом замораживается вся поступающая на опреснение соленая вода: солесодержание льда равно солесодержанию исходной воды. Толщина льда в бунтах обычно 2,5—4 м. Весной при прогревании массива льда (температура 0,5—1,0 °С) включения рассола стано­вятся жидкими, стекают и отводятся в сток. Лед опресняется и при­обретает пористую структуру в течение 30—35 дней. Когда солесо­держание вытекающей из-подо льда воды снизится до 1,5—2 г/л, бунты льда укрывают нетеплопроводным материалом, чтобы замед­лить таяние льда и получать пресную воду в течение всего теплого периода.

§ 3. ГАЗОГИДРАТНЫЙ МЕТОД

Газогидратный метод опреснения воды основан на способности некоторых газов при определенных для каждого вещества давлении и температуре образовывать при контакте с водой твердую фазу в виде газогидратов общего вида М.2О, где М — молекула гид-ратообразующего газа. В структуру газогидратов включаются только молекулы воды, а ионы растворенных солей остаются в растворе.

Сущность газогидратного метода опреснения воды состоит в сле­дующем: в соленую воду вводят гидратообразующий газ и после формирования твердой фазы (газогидрата) ее отделяют от рассола, который образовался вследствие отнятия от исходной соленой воды части молекул Н2О, пошедших на образование газогидрата; кри­сталлы газогидрата отмывают от рассола и плавят, в результате чего получают пресную воду. При плавлении газогидратов выделяется газ, который может быть рекуперирован, т. е. использован для' повтор­ного получения газогидратов.

Способностью образовывать газогидраты обладают насыщенные углеводороды (метан, этан, пропан), их галогенпроизводные (фрео-ны), хлор, углекислый газ и др.

По строению кристаллической решетки газогидраты имеют сход­ство с тридимитной решеткой льда, а по внешнему виду напоминают лед или мокрый снег. Установлены две возможные структуры газо­гидратов: I и П. Формула состава кристаллов газогидратов I струк­туры— М.53/4 Н2О или М.72/з Н2О, газогидратов II структуры — М.17Н2О.

Оптимальный для опреснительной установки гидратообразующий агент должен удовлетворять следующим условиям: обеспечивать гид-ратообразование при температуре более высокой, чем температура окружающей среды, и небольшом давлении; иметь высокую скорость и низкую теплоту гидратообразования; образовывать крупные и плот­ные кристаллы; обладать малой растворимостью в воде и высокой стабильностью, не вызывать коррозии оборудования и не быть ток­сичным. В наибольшей степени отвечают перечисленным требованиям насыщенные угреводороды, особенно пропан, и фреоны.

Из доступных и недорогих гидратообразующих веществ вызывает интерес пропан, который дает возможность проводить процесс опреснения при температуре 2—5 °С и давлении до 0,6 МПа. Перспек­тивными являются также фреоны.

Для осуществления процесса опреснения воды газогидратным ме­тодом необходимо знать условия фазовых превращений при смешении агента-гидратообразователя с водой. На рис. IV.37 приведена фазо­вая диаграмма системы пропан — вода.

В процессе фазовых превращений при изменении температуры и давления (0—0,7 МПа) пропан может быть в газообразном или жидком состоянии либо в виде кристаллогидратов. Приведенная диа­грамма описывает фазовые состояния пропана и определяет границы различных его состояний в зависимости от температуры смеси воды с пропаном и давления газа и паров воды над поверхностью смеси. На диаграмме выделяются четыре характерные области. В обла-



сти I, ниже и правее линии АО, при смешении пропана с дистиллиро­ванной водой могут существовать только раздельно газ и вода В об­ласти II, расположенной для системы дистиллированная вода — пропан между линиями АО и ОВ, одновременно существуют три фазы — газообразный пропан, газогидраты и вода. Линия ОВ явля­ется линией конденсации, поскольку левее и выше нее в области III і пропан частично конденсируется, и в этой области могут быть жид­кий пропан, газогидраты и вода. В области IV, ограниченной линия­ми ОС и OD, могут существовать только жидкий пропан и вода Точка О называется четверной, поскольку при соответствующей ей температуре (5,25 °С) и давлении (~ 0,575 МПа) присутствуют все четыре фазы (гидрат, вода, жидкий пропан и газообразный), или критической, так как при давлениях больших, чем в точке О, гидра ты не образуются. Повышение солесодержания приводит к сдвип границы областей I и II (линия АО), в результате чего области су­ществования газогидратов (II и III) сужаются.

Принципиальная схема установки для опреснения воды газогид-
ратным методом приведена на рис. IV.38. Исходная соленая вода
поступает в вакуумный дегазатор /, где из нее удаляется растворен-ный воздух. Затем насосом 2 вода подается в кристаллизатор 3 че-
рез теплообменники 4 и 5, в которых она охлаждается выводимой
из установки пресной водой и рассолом.

В кристаллизатор 3 подается жидкий пропан из ресивера 6.
Смесь газогидратов с рассолом поступает в шнековый пресс 7, где
кристаллы отделяются от рассола. Рассол отфильтровывается и со-
бирается в приемнике 8, а кристаллогидраты перемещаются шнеком
к выходному мундштуку 9. По пути происходит частичное плавление
кристаллогидратов и одновременная их отмывка от рассола. Отмы
вочная вода сливается в приемник 10 и затем подмешивается к ис
ходной соленой воде, поскольку ее солесодержание не превышает
солесодержание исходной воды.

Отмытые кристаллогидраты поступают в плавильник 11, где они плавятся за счет теплоты подаваемого сюда скомпремированного про









Аниониты делятся на сильно- и слабоосновяые. Сильноосновные аниониты обладают способностью извлекать из растворов анионы сильных кислот (например, серной, соляной, азотной, кремнефтори-стоводородной и др.) и анионы слабых кислот, таких как угольная и кремниевая. Слабоосновные аниониты способны к поглощению анио­нов только сильных кислот. Неспособность слабоосновных анионитов к поглощению анионов слабых кислот объясняется низкой основно­стью компонентов, входящих в состав ионообменного материала. Это приводит к тому, что обменные анионы ионной атмосферы, обра­зующейся в водном растворе вокруг зерен анионита, достаточно проч­но удерживаются положительным зарядом зерен. Прочность связи обусловливает возможность замены обменных анионов анионита только анионами сильных кислот, находящихся в растворе, вследст­вие их большей подвижности. Анионам слабых кислот труднее нару­шить эту связь из-за своей малой подвижности.

Характеристика некоторых анионитов приведена в табл. IV.5.

Конструкция анионитовых фильтров и режим их работы аналогич­ны катионитовым фильтрам.

Регенерация ОН-анионитовых фильтров осуществляется 2—3 %-м раствором едкого натра (расход NaOH — 85 г на 1 г-экв поглощен­ных анионов). Толщина слоя анионита составляет 2—2,5 м. Скорость фильтрования принимается от 5 до 20 м/ч. Обессоленная таким об­разом вода содержит не более 10—15 мг/л солей. Удалитель угле-

кислого газа может размещаться между Н-катионитовым и анионито-вым фильтрами или после анионитовых фильтров. Целесообразнее применять первый вариант, так как углекислый газ, нарушая нор­мальную работу анионитовых фильтров, снижает их обменную ем­кость. В то же время такое расположение дегазатора усложняет схе­му, поэтому в ряде случаев приходится использовать второй ва­риант.

В конце цикла анионы угольной кислоты, поглощенные ОН-анио-нитовыми фильтрами, начинают вытесняться анионами сильных кис­лот, поэтому, если требуется постоянное значение рН воды, в техно­логическую схему включают буферный Na-катионитовый фильтр. Оставшаяся в воде угольная кислота в Na-катионитовых фильтрах образует гидрокарбонат натрия.

При опреснении морской воды резко падает обменная способность Н-катионита. Для осуществления процесса в этом случае рекоменду­ется ступенчатое опреснение и рециркуляция обессоленной воды.

При ступенчатом опреснении вода поступает на ОН-анионитовый фильтр, загруженный сильноосновным анионитом. При этом до 50 % анионов солей, растворенных в воде, замещается на ОН-. После ОН-анионитового фильтра вода подается на Н-катионитовый фильтр. После Н-катионирования вода вновь поступает на ОН-анионитовые фильтры для удаления анионов, оставшихся после первого ОН-анио­нитового фильтра.

При рециркуляционном методе часть обессоленной воды поступа­ет в начало сооружений и смешивается с сырой водой. Разбавление сырой водой уменьшает противоионный эффект, снижающий обменную способность Н-катионита.

При подготовке питательной воды для котлов высокого и сверхвы­сокого давления возникает необходимость удаления из воды кремние­вой кислоты. Однако анионы этой кислоты недостаточно хорошо по­глощаются анионитом при наличии анионов сильных кислот. В этом случае схема, состоящая из Н-катионитовых и анионитовых фильтров, не обеспечивает нужного качества воды. Поэтому добавляют еще одну группу фильтров, загруженных сильноосновным анионитом, кото­рый будет хорошо задерживать ионы SiO3|2 при условии задержания

анионов сильных кислот предыдущей группой анионитовых фильтров.

Глубоко обессоленную воду получают с помощью фильтров сме­шанного действия, содержащих смесь Н+-формы катионита и ОН--формы анионита.

§ 5. ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ

Удаление из воды солей электродиализом основано на том, что в электрическом поле катионы солей движутся к погруженному в воду катоду, а анионы — к аноду. Если сосуд с опресняемой водой, в кото­рую погружены катод и анод, разделить проницаемыми для катионов и анионов перегородками (мембранами) на три части — катодную, рабочую и анодную (рис. IV.40) — и включить постоянный ток, то постепенно большая часть катионов содержащихся в воде солей будет



перенесена в катодное, а анионов — в анодное пространство. Вода, находящаяся в рабочей части электродиализатора, опреснится. В пе­реносе электричества, кроме ионов растворенных в воде солей, прини­мают участие также Н+- и ОН--ионы. В результате в катодной камере вода подщелачивается, а в анодной — подкисляется.

Значительный прогресс в области электродиализа связан с приме­нением мембран, обладающих избирательной ионопроводностью (ионоселективные мембраны), Такие мембраны, изготовленные из ио­нообменных материалов, избирательно пропускают только катионы (катионообменные мембраны) или анионы (анионообменные мембра­ны). Эта способность ионообменных мембран связана с тем, что высо­кая концентрация фиксированных ионов в мембранах препятствует проникновению из раствора в мембрану ионов, заряженных одноимен­но с фиксированными. Поэтому в разбавленных растворах ионообмен­ные мембраны проницаемы только для противоионов. Если пакет чередующихся катионо- и анионообменных мембран поместить в элек­трическое поле (рис. IV.41), то в нечетных камерах, образованных ионообменными мембранами, концентрация солей в воде будет повы­шаться, а в четных — понижаться. В электродиализаторах различают следующие основные конструктивные элементы: электродные камеры с электродами, мембраны, прокладки между мембранами, коллекторы для подвода и отвода обрабатываемых жидкостей, прижимные плиты.

В электродиализных установках наиболее широко применяются ге­терогенные ионообменные мембраны, изготовляемые, например, на основе порошков термопластичного полимера и соответствующего ионита.

Прокладки в электродиализных установках регулируют расстоя­ние между мембранами и определенным образом направляют поток жидкости. Их чаще всего изготовляют из клингерита, паронита, рези­ны, полиэтилена, поливинилхлорида и других материалов. Стремятся,

чтобы прокладки в наименьшей степени экранировали мембраны и обеспечивали наивысший коэффициент их полезного использования, Наиболее отвечает указанным требованиям электродиализатор струн- ного типа. В нем мембраны разделены тонкими неэлектропроводными струнами, проекции которых параллельны относительно друг друга в каждой камере и взаимно перпендикулярны в смежных камерах. Ко­эффициент полезного использования мембран в таких диализаторах достигает 90—95 %.

Электроды, применяемые в электродиализаторах, чаще всего изго­товляются из графита или платинированного титана.

Вода, поступающая в электродиализатор, должна соответствовать требованиям, обусловленным тем, что многие вещества, для которых ионообменные мембраны непроницаемы, осаждаются в камерах аппа­рата, увеличивая их электрическое и гидравлическое сопротивление. «Отравление» ионообменных мембран чаще всего происходит вещест­вами, находящимися в коллоидном состоянии, и веществами, имеющи­ми малую подвижность в фазе ионита. Поэтому желательно возможно более полное удаление из воды этих примесей. Рекомендуется поддер­живать следующий состав воды, подаваемой в электродиализатор:



На практике наиболее распространена схема подготовки воды перед электродиализом, включающая хлорирование воды, коагулирование с последующим отстаиванием и фильтрованием и ионный обмен.

§ 6. МЕТОД ОБРАТНОГО ОСМОСА

Метод опреснения, основанный на фильтровании соленой воды че­рез полупроницаемую мембрану, пропускающую воду, но задерживаю­щую гидратированные ионы растворенных в воде солей, называется обратным осмосом.

Процесс осмоса и возможные его причины уже рассматривались в главе 11.2. Схема движения молекул воды в начале осмотического пе­реноса и в равновесном состоянии приведена на рис. IV.42, а и б.

Величина h определяет величину осмотического давления, которое зависит от разности концентраций ионов в растворах, находящихся по обе стороны мембраны. При разности концентраций растворов, соот­ветствующих океанской (солесодержание 35 г/л) и дистиллированной .воде, величина осмотического давления составляет около 2,5 МПа.

Чтобы осуществить опреснение воды, нужно, создавая избыточное давление, заставить воду фильтроваться через мембрану в направле­нии, противоположном осмотическому переносу, т. е. со стороны соле­ной воды (рис. IV. 42, в). Очевидно, что необходимое для этого давле­ние должно быть больше осмотического. Действительно, практика показала, что опреснение воды начинается лишь при давлении, превы­шающем осмотическое. При этом скорость фильтрования при опреде­ленном давлении прямо зависит от солесодержания опресняемой воды,



а степень опреснения уменьшается с возрастанием солесодержания воды.

Для объяснения механизма полупроницаемости мембран сущест­вует несколько гипотез (гиперфильтрации, адсорбции, диффузии, ион­ного обмена и др.), однако все они требуют экспериментального под­тверждения.

На рис. IV.43 представлена одна из возможных схем установки для опреснения воды обратным осмосом. Мембрана укладывается по внутренней поверхности пористых труб из стеклопластика /, способ­ных выдерживать давление порядка 2,5 МПа. Вода, подающаяся насо­сом высокого давления 2, частично профильтровывается через мем­брану 3 и стенки пористой трубы и стекает в сборный лоток 4. Для ре­куперации энергии рассола, находящегося под высоким давлением, он сбрасывается через турбину 5. Установка состоит из нескольких сек­ций пористых труб. Каждая секция содержит 100 труб.

Высокими рабочими характеристиками обладают ацетилцеллю-лозные мембраны.

Большой интерес для опреснения соленой воды методом обратно­го осмоса представляют динамические полупроницаемые мембраны, образующиеся при фильтровании через пористые подложки под дав­лением растворов, содержащих примеси диспергированных веществ. Динамические мембраны отличаются высокой производительностью (сотни литров с 1 м2/ч) и продолжительным сроком службы.

Особенно эффективна очистка систем, один или несколько компо­нентов которых сами способны осаждаться на подложках, образуя динамические мембраны. Это так называемое самозадержание часто наблюдается при фильтровании через пористые подложки сточных вод.

§ 7. ЭКСТРАКЦИЯ

Разделение водных растворов солей на компоненты (вода и соли) экстракционным методом теоретически возможно двумя способами: экстрагированием растворенных солей из воды и экстрагированием воды из солевого раствора. Первый из них технологически целесооб­разнее, поскольку происходит извлечение компонента, содержащегося

в системе в меньшем количестве. Однако в настоящее время не распо­лагают экстрагентами, достаточно хорошо растворяющими соль и не смешивающимися с водой. Экстрагирование же воды из солевого рас­твора практически осуществимо, так как известно достаточное количе­ство органических соединений, способных избирательно экстрагиро­вать воду из растворов. При контакте этих растворителей с соленой водой образуются две жидкие расслаивающиеся фазы: органическая {экстракт), состоящая из экстрагента с растворенной в нем водой, и водная (рафинат), представляющая собой концентрат солей с не­большим количеством растворителя. Экстрагирование пресной воды и выделение ее из экстракта основано на изменении растворимости во­ды в экстрагенте при изменении температуры.

Процесс экстракционного опреснения состоит из трех основных стадий: собственно экстракции, заключающейся в смешении соленой воды и экстрагента с последующим разделением (расслаиванием) водной и органической фаз; сепарации — отделения экстрагированной воды и рассола от экстрагента гравитационным расслаиванием при изменении температуры экстракта и рафината; десорбции — извле­чения остатков экстрагента и.з опресненной воды и рассола (способ десорбции зависит от свойств используемого экстрагента).

Из большого количества изученных органических веществ наибо­лее пригодны для экстракции соединения, содержащие азот, кислород или фтор, так как эти элементы способны образовывать с водой ком­плексы на основе водородной связи.

Экстрагенты, применяемые для опреснения воды, должны обла­дать высокой селективностью (вода в составе экстракта должна со­держать значительно меньше солей, чем нерастворенная часть воды), значительной экстракционной емкостью (разностью между макси­мальной и минимальной растворимостью воды в экстрагенте), чувст­вительностью взаимной растворимости в системе вода — экстрагент к температуре, малой растворимостью экстрагента в воде, легкостью его регенерации и другими свойствами.

Из известных растворителей наилучшими экстракционными свой­ствами обладают азотсодержащие соединения, особенно вторичные и третичные амины. Наиболее часто используются в качестве экстра-гентов триэтиламин (ТЭА), смеси триэтиламина с диэтиламином (ДЭМА), диизопропиламин (ДИПА).

Принципиальная схема экстракционного опреснения воды приведе­на на рис. 1V.44. Процесс экстракции протекает в экстракционном аппарате /, где соленая вода контактирует с растворителем (ами­ном), в результате чего образуются фазы экстракта и рафината. Экстракт, содержащий пресную воду, направляется через систему теп­лообменников 2 и нагреватель 3 в сепаратор гравитационного типа 4, где в результате повышения температуры и изменения растворимости происходит разделение (расслаивание) воды и амина. Отделенный экстрагент через теплообменник 2 и холодильник 6 возвращается в цикл, а опресненная вода и рафинат с остатками амина направляют­ся на доочистку в десорбционные аппараты 5.

Экстракция воды может осуществляться по одноступенчатой (рис. IV.44) и многоступенчатой схемам.



при использовании в качест­ве экстрагента ТЭА одноступен­чатая экстракция обеспечивает выход пресной воды в количестве 40—60 % объема исходной при минерализации ее до 7 г/л.

Эффект опреснения возрастает при использовании многоступен­чатой противоточной схемы эк­стракционного узла. В такой схе­ме водная и органическая фазы движутся по экстракционным ступеням навстречу друг дру-

гу; при этом водная фаза постепенно насыщается солями, а органи­ческая — водой. В результате этого одновременно достигается повы­шение выхода экстрагированной воды и снижение ее остаточного солесодержания при высокой степени концентрирования солей в рафи-нате. Как показали исследования, при использовании в качестве эк­страгента смесей ТЭА и ДЭМА на пяти экстракционных ступенях до­стигается 90%-е извлечение пресной воды с концентрацией солей око-ло 1 г/л при средней минерализации исходной воды 5—7 г/л и ее 8—10-кратном концентрировании.

Считается, что по технико-экономическим показателям экстракци­онный процесс целесообразен при минерализации воды от 2 до 10 г/л.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


Глава IV .5
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации