Промышленная водоподготовка

       В процессе водоподготовки применяют механические, физические, химические и физико-химические методы: осветление, умягчение, ионный обмен, обескремнивание и дегазацию. Питьевую воду, кроме того, дезинфицируют. В приведенной на рис. 1.1 схеме показаны основные методы водоподготовки. Осветление воды осуществляется в основном методами осаждения примесей, выделяющихся из воды в виде осадка. Эти методы называют также реагентными, так как для выделения примесей в воду вводят специальные реагенты. К процессам осаждения, применяемым для осветления воды, относятся коагуляция, известкование и магнезиальное обескремнивание.

Рис. 1.1. Схема очистки воды

       Под коагуляцией понимают физико-химический процесс слипания коллоидных частиц и образования грубодисперсной микрофазы (флокул) с последующим ее осаждением. В качестве реагентов, называемых коагулянтами, обычно применяют сульфаты Al₂(SO4)₃ и FeSO₄. Повышение эффекта коагуляции достигается при добавлении флокулянтов (полиакриламида, активной кремниевой кислоты и др.). При этом ускоряется образование хлопьев и улучшается их структура. Образовавшуюся хлопьевидную массу, состоящую в основном из гидроксидов Аl и Fe и примесей, выделяют из воды в отстойниках или специальных осветлителях (осадок в них поддерживается во взвешенном со- стоянии потоком поступающей снизу воды), напорных или открытых фильтрах и контактных осветлителях с загрузкой из зернистых материалов (кварцевый песок, дробленый антрацит, керамзит, шунгизит и др.), а также во флотаторах, гидроциклонах, намывных фильтрах. Для частичного удаления крупнодисперсных примесей и фитопланктона, образующегося при цветении водоемов, применяют сетчатые микрофильтры, плоские и барабанные сетки.

       Известкование воды производится для снижения гидрокарбонатной щелочности воды. Одновременно с этим уменьшаются жесткость, солесодержание, концентрации грубодисперсных примесей, соединений железа и кремниевой кислоты. Реагентом для этого процесса является гашеная известь Са(ОН)₂, которая подается в воду в виде суспензии (известкового молока). Для повышения эффективности удаления кремниевой кислоты в воду добавляют каустический магнезит (70…80 % MgO). Эти процессы, как правило, совмещаются и проводятся одновременно в одном аппарате – осветлителе. Окончательная очистка от осадка осуществляется с помощью фильтрования. В зависимости от соотношения размеров фильтруемых частиц и эффективного диаметра пор удержание частиц может происходить как в объеме фильтрующего слоя (адгезионное фильтрование), так и на его поверхности (пленочное фильтрование). В качестве фильтрующих материалов в основном используют кварцевый песок, дробленый антрацит, сульфоуголь, целлюлозу, перлит, вулканические шлаки, керамзит и др.

       Умягчением воды называется ее очистка от соединений кальция и магния, обусловливающих жесткость воды. Одним из наиболее эффективных способов умягчения воды является известково-содовый в сочетании с фосфатным. Процесс умягчения основывается на следующих реакциях:

1. Обработка гашеной известью для устранения временной жесткости, удаления ионов железа и связывания СО₂:

Са(НСО3)₂ + Са(ОН)₂ → 2СаСО₃ ↓ + 2Н₂О;

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → 2СаСО₃ ↓ + Mg(OH)₂ ↓ + 2H₂O;

FeSO₄ + Ca(OH)₂ → Fe(OH)₂ ↓ + CaSO₄ ↓;

2. Обработка кальцинированной содой для устранения постоянной жесткости:

MgSO₄ + Na₂CO₃ → MgCO₃ ↓ + Na₂SO4

MgCl₂ + Na₂CO₃ → MgCO₃ ↓ + 2NaCl

CaS0₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃ ↓ + Na₂SO₄

3. Обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения катионов Са²⁺ и Mg²⁺:

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ → Са₃(РО₄)₂ ↓ + 6NaHCO₃;

3MgCI₂ + 2Na₃PO₄ → Mg₃(PO₄)₂ ↓ + 6NaCl.

       Растворимость фосфатов кальция и магния ничтожно мала, что обеспечивает высокую эффективность фосфатного метода.

       В настоящее время для умягчения, обессоливания и обескремнивания воды нашей организацией применяется метод ионного обмена. Его сущность состоит в том, что твердое тело – ионит – поглощает из раствора электролита положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество других, одноименно заряжен- ных ионов. В соответствии со знаком заряда обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты.

       Катиониты – практически нерастворимые в воде вещества, представляющие собой соли или кислоты с анионом, обусловливающим нерастворимость в воде; катион же (натрий или водород) способен вступать в определенных условиях в обменную реакцию с катионами раствора, в котором находится катионит. Катиониты соответственно называются Na-катионитами и Н-катионитами.

       Аниониты – основания или соли с твердым нерастворимым катионом. Аниониты содержат подвижную гидроксильную группу (ОН-аниониты).

       В качестве Na-катионитов применяют алюмосиликаты: глауконит, цеолит, пермутит и другие; в качестве Н-катионитов – сульфоуголь, синтетические смолы; к ОН-анионитам относятся искусственные смолы сложного состава, например карбамидные.
Ионный обмен между раствором и ионитом имеет характер гетерогенной химической реакции. Следует отметить, что примеси, удаляемые из воды методом ионного обмена, не образуют осадка, и что такая обработка не требует непрерывного дозирования компонентов. Важной характеристикой ионитов является обменная емкость, показывающая способность ионита поглощать определенное количество ионов в данных условиях. Обменная емкость определяет продолжительность рабочего цикла ионитовых фильтров. При достижении заданного предела обменной емкости ионита проводят процесс его восстановления (ионный обмен, проводимый в обратном порядке). В основе катионного процесса умягчения лежат реакции обмена ионов натрия и водорода катионитов на ионы Са2+ и Mg2+. Обмен ионов натрия называется Na-катионированием, а ионов водорода – Н - катионированием:

2R/Na⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2Na⁺;

2R/Na⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2Na⁺,

где R – комплекс матрицы и функциональной группы, не участвующей в ионном обмене (его принято считать одновалентным).
Обмен катионов при Н-катионировании протекает согласно реакциям:

2R/H⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2H⁺;

2R/H⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2H⁺;

R/H⁺ + Na⁺ R/Na⁺ + H⁺.

       При достижении катионитами заданного предела обменной емкости их регенерируют промывкой раствором NaCl или серной кислоты H₂SO₄. Регенерация Н-катионного фильтра производится 1…1,5 %-ным раствором серной кислоты. Регенерация анионитовых фильтров производится обычно 4 %-ным раствором NaOH.

       На рис. 1.2 представлена схема установки для умягчения воды с последовательным применением Н - катионирования и ОН-анионирования. При прохождении воды через катионит она освобождается от ионов кальция и магния в Н-катионитовом фильтре 1, а затем в анионитовом фильтре 2 из нее удаляются анионы. Далее вода проходит через дегазатор 3, где она освобождается от кислорода и диоксида углерода, и далее через сборник 4 к потребителю. Для регенерации в фильтр 1 подается раствор серной кислоты, в фильтр 2 – гидроксида натрия.

Рис. 1.2. Схема установки для умягчения воды: 1 – катионитовый фильтр; 2 – анионитовый фильтр; 3 – дегазатор; 4 – сборник воды.

       Важная часть комплексного технологического процесса водоподготовки – удаление из воды растворенных газов. Наличие газов в воде объясняется как их сорбцией и протеканием химических реакций в процессе образования примесей в природной воде, так и появлением их в процессе различных стадий очистки. Эти газы можно разделить на химически невзаимодействующие (Н₂, О₂, СН₄) и химически взаимодействующие с водой и ее примесями (NH₃, CO₂, Сl₂), а также на коррозионно-активные (О₂, СО₂, NH₃, Cl₂, H₂S) и инертные (N₂, H₂, СН₄). Концентрация газов в воде зависит от многих факторов, основные из них – физическая природа газа, степень насыщения, давление в системе и температура воды.
      
Основной способ удаления из воды растворенных газов – десорбция (термическая деаэрация). Принцип ее заключается в создании контакта воды с паром, в котором парциальное давление газа, удаляемого из воды, близко к нулю, что является необходимым условием процесса десорбции. Этот процесс осуществляется, в основном, в деаэраторах (вакуумных, атмосферных, постоянного давления), которые по способу распределения воды и пара разделяют на струйные, пленочные и барботажные. Интервал рабочего давления в вакуумных деаэраторах составляет 0,0075…0,05 МПа.
      
В ряде случаев используют химические методы. Так, для удаления кислорода в воду добавляют сильные восстановители; для удаления H₂S воду хлорируют.
      
Для получения дистиллята, необходимого для производства химически чистых реактивов, лекарственных препаратов, проведения различных анализов в лабораторной практике применяется термическое обессоливание воды. Этот процесс осуществляется в испарителях кипящего типа. При этом дистиллят производят в основном из воды, предварительно умягченной на ионитовых фильтрах.
      
Наличие в воде болезнетворных микроорганизмов и вирусов делает ее не пригодной для хозяйственно- питьевых нужд, а присутствие в воде некоторых видов микроорганизмов (например, нитчатых, зооглейных, сульфатовосстанавливающих бактерий, железобактерий) вызывает биологическое обрастание, а иногда разрушение трубопроводов и оборудования. Обеззараживание воды осуществляют, в основном, путем хлорирования ее жидким или газообразным Сl₂, гипохлоритами – NaClO, Ca(СlО)₂, СlO₂. Для обеззараживания воды применяют также озон и ультрафиолетовое облучение.