Розділ 1. Характеристика водних ресурсів та їх використання

1. Водні дисперсні системи

У промисловості воду використовують як сировину і джерело енергії, як хладоагент, розчинник, екстрагент, для транспортування сировини й матеріалів. Загальна кількість природної води на Землі становить 1386 млн. куб. км, з них кількість прісної води – 35 млн. куб. км., тобто близько 2,5%. Обсяг споживання прісної води у світі досягає 3900 млрд. м³/рік. Близько половини цієї кількості споживається безповоротно, а інша половина перетворюється в стічні води. Залежно від ступеня мінералізації (в г / л) води діляться: на прісні (із вмістом солей <1); солонуваті (1 ... 10); солоні (10 ... 50) і розсоли (> 50). У свою чергу прісні води підрозділяються на води малої мінералізації (до 200 мг / л), середньої мінералізації (200 ... 500 мг / л) і підвищеної мінералізації (500 ... 1000 мг / л). За переважним аніоном усі води діляться на гідрокарбонатні, сульфатні та хлоридні. Жорсткість природних вод зумовлена наявністю в них солей кальцію і магнію й виражається концентрацією іонів Са²⁺ і Mg²⁺ в ммоль екв / л. Розрізняють загальну карбонатну та некарбонатну жорсткість. Загальна жорсткість становить суму двох жорсткостей: карбонатна – пов'язана з присутністю у воді бікарбонатів кальцію і магнію, а некарбонатних – сульфітів, хлоридів, нітратів кальцію й магнію. Щільність чистої води при 15°С і атмосферному тиску 999 г/м³. Зі збільшенням концентрації домішок щільність води зростає. Поверхневий натяг води при 18°С становить 73 мН/м, при 100°С – 52,5 мН/м. Теплоємність води при 0°С становить 4180 Дж / (кг°С). Теплота пароутворення при атмосферному тиску і температурі 100°С дорівнює 2250 кДж / кг.

Вода – слабкий провідник електричного струму питома електрична провідність при 18°С дорівнює 1 4,41.10^-8 Ом. см. Природна вода, що піддається антропогенному забрудненню, називається денатурованою або природно-антропогенною. Воду, яку використовують у промисловості, підрозділяють на охолоджуючу, технологічну та енергетичну. В промисловості 65 ... 80% витрати води споживається для охолодження рідких і газоподібних продуктів у теплообмінних апаратах. У цих випадках вода не стикається з матеріальними потоками й не забруднюється, а лише нагрівається. Технологічну воду підрозділяють на середовищеутворюючу, промивну і реакційну. Середовищеутворюючу воду використовують для розчинення йі утворення пульп, при збагаченні та переробці руд, гідротранспорті продуктів та відходів виробництва; промивну – для промивання газоподібних (абсорбція), рідких (екстракція) і твердих продуктів та виробів; реакційну – у складі реагентів, а також при відгонці та інших процесах. Технологічна вода безпосередньо контактує із середовищем. Енергетична вода використовується для отримання пари й нагрівання обладнання, приміщень, продуктів.

Для зменшення споживання свіжої води створюють оборотні та замкнуті системи водопостачання. При оборотному водопостачанні передбачають необхідне очищення стічної води, охолодження оборотної води, обробку і повторне використання стічної води. Застосування оборотного водопостачання дозволяє в 10 ... 15 разів зменшити споживання природної води. Оборотна вода повинна відповідати певним значенням показників: карбонатної жорсткості, рН, умісту завислих речовин та біогенних елементів, значенням ХПК (хімічна потреба в кисні). Оборотну воду в основному використовують у теплообмінній апаратурі для відведення надлишкового тепла. Вона багаторазово нагрівається до 40 ... 45 ° С і охолоджується в градирнях або в бризкальних басейнах. Значна частина її втрачається в результаті краплевинесення та випаровування. Через несправності й нещільності теплообмінників вона забруднюється до певної межі.

Для запобігання корозії, інкрустації, біологічному обростанню частину оборотної води виводять із системи (продувальна вода), додаючи свіжу воду з джерела або очищені стічні води. Основною вимогою до води, що витрачається на підживлення оборотних систем, є обмеження карбонатної й сульфатної жорсткості. Обмежується також уміст завислих речовин.

Для запобігання біологічному обростанню апаратів і споруд у оборотній воді обмежується вміст органічних речовин та з'єднань біогенних елементів (азоту, фосфору), що є живильним середовищем для мікроорганізмів. При роботі без скидання оборотної води для продування ставляться більш жорсткі вимоги до якості води.

Якість води, яка використовується для технологічних процесів, має бути вища, ніж води, яка знаходиться в оборотних системах. Стічна вода – це вода, що була у побутовому, виробничому чи сільськогосподарському вжитку, а також пройшла через забруднену територію. Залежно від умов утворення стічні води діляться на побутові, або господарсько-фекальні (ПСВ), атмосферні (АСВ) і промислові (ПСВ).

Господарсько-побутові води – це стоки душових, пралень, їдалень, туалетів, від миття підлог й ін. Вони містять домішки, з яких ~ 58% органічних речовин та 42% мінеральних. Атмосферні води утворюються внаслідок випадання атмосферних опадів і стікають з територій підприємств. Вони забруднюються органічними та мінеральними речовинами. Промислові стічні води – це рідкі відходи, які виникають при видобутку й переробленні органічної та неорганічної сировини. Стічні води забруднені різними речовинами: 1) біологічно нестійкі органічні сполуки; 2) малотоксичні неорганічні солі; 3) нафтопродукти; 4) біогенні сполуки; 5) речовини зі специфічними токсичними властивостями, в тому числі важкі метали, біологічно жорсткі органічні синтетичні сполуки, що не розкладаються.

Промислові та побутові стічні води містять зважені частки розчинних і нерозчинних речовин. Зважені домішки поділяються на тверді й рідкі, утворюють з водою дисперсну неоднорідну систему. Під неоднорідною системою розуміють систему, що складається з двох або кількох фаз, кожна з яких має свою поверхню поділу та може бути механічно відокремлена від іншої фази. Система, в якій зовнішньою фазою є рідина, називається рідкою неоднорідною системою.

Стічні води багатьох виробництв, крім розчинних неорганічних і органічних речовин містять колоїдні домішки, а також зважені грубодисперсні й дрібнодисперсні домішки, щільність яких може бути більше або менше щільності води.

Класифікація домішок за їх фазово-дисперсним станом:

а) гетерогенні системи:

I – суспензії, розмір часток 10^-1 мкм (суспензії, емульсії, мікроорганізми і планктон),

II – колоїдні розчини, розмір часток 10^-1 …10^-2 мкм (золи та розчини високомолекулярних сполук).

б) гомогенні системи:

III – молекулярні розчини, розмір часток 10^-2 … 10^-3 мкм (гази, розчинні у воді, органічні речовини);

IV – іонні розчини, розмір часток 10^-3 мкм (солі, основи, кислоти).

Залежно від фізичного стану фаз розрізняють такі рідкі неоднорідні системи: суспензії, емульсії й піни. Суспензія складається з рідини і зважених у ній твердих частинок. Залежно від розмірів частинок розрізняють грубі суспензії з частинками розміром > 100 мкм, тонкі (0,5 … 100 мкм) та каламуть (0,1 … 0,5 мкм). Проміжне становище між суспензіями й істинними розчинами займають колоїдні розчини з розмірами частинок менше ніж 0,1 мкм. Емульсія складається з 2-ох рідин, що не змішуються або частково змішуються, одна з яких розподілена в іншій у вигляді рідких крапель. Величина часток дисперсної фази в емульсіях коливається в досить широких межах. Піна – система, що складається з рідини і розподілених у ній бульбашок газу. Неоднорідні системи характеризуються масовим або об’ємним співвідношенням фаз та розмірами частинок дисперсної фази. Дисперсну фазу, що складається з частинок неоднакового розміру, прийнято характеризувати фракційним або дисперсним складом, тобто відсотковим умістом частинок різного розміру.

Стічні води являють собою полідисперсні гетерогенні (неоднорідні) агрегатнонестійкі системи. У процесі осадження розмір, щільність, форма частинок, а також фізичні властивості частинок системи змінюються. Властивості стічних вод відрізняються від властивостей чистої води. Вони мають більш високу щільність і в’язкість. Середня щільність суспензій та емульсій визначається об’ємним співвідношенням фаз

Ρ_c = ρ_д ⋅ϕ + ρ₀ (1 –ϕ ), (1.1)

де ρ_c, ρ_д – щільність стічної води, дисперсної фази (твердої або рідкої), кг/м³; ρ₀ – щільність чистої води; ϕ – об'ємна частка дисперсної фази.

В'язкість суспензії залежить від об'ємної концентрації (об'ємної частки) твердої фази і при φ ≤ 10% визначається за залежністю

μ_c = μ₀ (1+ 2,5ϕ ), (1.2)

де μ₀ – динамічна в'язкість чистої води, Па с.