Промышленная водоподготовка

Основные методы водоподготовки:

Осветление воды (удаление взвешенных и коллоидных частиц)

Крупнодисперсные примеси и фитопланктон, образующийся при цветении водоемов, удаляют фильтрованием в специальных бассейнах. В качестве фильтрующих материалов используют кварцевый песок, дробленый антрацит, сульфоуголь, целлюлозу, керамзит и др. Используют также сетчатые микрофильтры. Коллоидные частицы из воды удаляют коагуляцией. Под коагуляцией понимают физико-химический процесс слипания коллоидных частиц и образование грубодисперсной микрофазы (флокул) с последующим ее осаждением. В качестве реагентов, называемых коагулянтами, обычно применяют сульфаты алюминия и железа. Повышение эффекта коагуляции достигается при добавлении флокулянтов (полиакриламида, активной кремниевой кислоты и др.). При этом ускоряется образование хлопьев Al(OH)3 и Fe(OH)3 и улучшается их структура. Образовавшуюся хлопьевидную массу с сорбированными ею коллоидными частицами выделяют из воды в отстойниках или на фильтрах.

Действие сульфата алюминия основывается на его гидролизе, заканчивающемся образованием геля гидроксида алюминия Аl(ОН)3 и свободной углекислоты. При коагулировании сульфатом железа диссоциация солей железа приводит к образованию малорастворимого гидроксида железа Fe(OH)3. После введения в воду сульфата алюминия идут следующие реакции:

Аl2(SO4)3 ↔ 2Al3+ + 3SO42–,

Al3+ + H2O ↔ Аl(ОН)2+ + H+,

Аl(ОН)2+ + H2O ↔ Аl(ОН)2+ + H+,

Аl(ОН)2+ + H2O ↔ Аl(ОН)3↓+ H+.

Образующийся гидроксид алюминия Аl(ОН)3 представляет собой коллоидное вещество, частицы которого имеют положительные заряды. Между тем коллоиды, содержащиеся в природной воде (гуминовые вещества, кремниевая кислота и др.), заряжены отрицательно. Это ведет к нейтрализации зарядов частиц обоих коллоидов, вызывающей их взаимную коагуляцию с образованием хлопьев. Аналогичное явление происходит и в случае применения FeSO4. Образующийся коллоидный раствор гидроксида железа Fe(OH)3 коагулирует содержащиеся в воде отрицательно заряженные коллоиды.

Ионы водорода, выделившиеся после гидролиза сульфата алюминия, связываются с находящимися в природной воде бикарбонатными ионами:

H+ + HCO3– ↔ H2CO3 ↔ H2O + CO2↑.

Благодаря этому кроме осветления воды достигается понижение ее карбонатной жесткости на 0,7–1 ммоль/л с одновременным таким же повышением некарбонатной жесткости воды по реакциям:

Аl2(SO4)3 + 6H2O → 2Аl(ОН)3↓+ 3H2SO4,

H2SO4 + Ca(HCO3)2 → CaSO4↓ + 2H2O + 2CO2↑,

H2SO4 + Mg(HCO3)2 → MgSO4 + 2H2O + 2CO2↑.

Общий ход реакции с участием коагулянта Al2(SO4)3:

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 → 3CaSO4↓+ 2Al(OH)3↓ + 6CO2↑

или

Al2(SO4)3 + 3Na2CO3 + ЗН2О → 2Аl(ОН)3↓ + 3Na2SO4 + 3CО2↑.

Скорость гидролиза коагулянта зависит от температуры воды (резко уменьшается при низкой температуре) и от величины рН. При повышенном рН (более 8,2) частицы Аl(ОН)3 получают отрицательный заряд, хлопья гидроксида алюминия не образуются, и процесс осветления воды замедляется. Коагулирующая способность реагента возрастает с повышением заряда иона электролита.

Обеззараживание

Наличие в воде болезнетворных микроорганизмов и вирусов делает ее непригодной для хозяйственно-питьевых нужд, а присутствие в воде некоторых видов микроорганизмов (нитчатых, зооглейных, сульфатовосстанавливающих бактерий, железобактерий) вызывает биологическое обрастание, а иногда разрушение трубопроводов и оборудования.

Обеззараживание воды осуществляют, в основном, хлорированием ее жидким или газообразным хлором Cl2, диоксидом хлора СlO2 и гипохлоритами – NaClO, Са(СlO)2. Для обеззараживания воды применяют также озон и ультрафиолетовое облучение.

Умягчение

Умягчением воды называется ее очистка от соединений кальция и магния, обусловливающих жесткость воды. В промышленности применяются физические, химические и физико-химические способы умягчения воды.

Дистилляция

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. В процессе испарения воды основная часть неорганических и органических примесей остается в жидкой фазе. Следовательно, пар и полученный из него конденсат очищаются от примесей.

Вымораживание

Так как большинство примесей хуже растворяется в твердой воде (лед), чем в жидкой, то, проводя частичную кристаллизацию (вымораживание) воды, можно очистить лед от примесей. Чем меньше льда получим из воды, тем он будет чище. С увеличением скорости кристаллизации эффективность очистки уменьшается. Для очистки воды можно использовать и обратный процесс: всю воду замораживают, а потом часть ее медленно расплавляют (размораживают). И в том, и в другом случае примеси концентрируются в жидкой фазе.

Известково-содовый и фосфатный методы

Известково-содовый и фосфатный методы умягчения воды основаны на переводе катионов Ca2+ и Mg2+ в осадок в результате протекания следующих реакций:

• обработка гашеной известью для устранения временной жесткости, удаления ионов железа и связывания СO2:

Са(НСO3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + 2Н2О,

Mg(HCO3)2 + 2Са(ОН)2 → 2СаСO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2Н2O,

FeSO4 + Са(ОН)2 → Fe(OH)2↓ + CaSO4↓,

СO2 + Са(ОН)2 → CaCO3↓ + Н2O;

• обработка кальцинированной содой для устранения постоянной жесткости:

MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3↓ + Na2SO4,

MgCl2+ Na2CO3 → MgCO3↓ + 2NaCl,

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4;

• обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения катионов Са2+ и Mg2+:

ЗСа(НСO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3,

3MgCl2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 6NaCl.

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

Дегазация

Важная часть комплексного технологического процесса водоподготовки – удаление из воды растворенных газов. Наличие газов в воде объясняется их сорбцией из воздуха, протеканием различных химических реакций в исходной воде и в процессе ее очистки. Эти газы можно разделить на химически не взаимодействующие (Н2, O2,) и химически взаимодействующие с водой и ее примесями (NH3, СO2, Сl2), по другой классификации выделяют коррозионно-активные (O2, СO2, NH3, Cl2, H2S) и инертные (N2, Н2, 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 (технический термин – термическая дегазация или деаэрация). Принцип ее заключается в создании контакта воды с паром, в котором парциальное давление газа, удаляемого из воды, близко к нулю. В ряде случаев используют химические методы. Так, для удаления кислорода в воду добавляют сильные восстановители (например, сульфит натрия); для удаления H2S воду хлорируют.