6. Очищення і використання води.

6.1. Технічна вода.

Воду, яку використовують промислові підприємства, називають технічною. Її застосовують головним чином в якості охолоджувального елемента, транспортуючого середовища для сипучих матеріалів (наприклад, гідротранспорт подрібненої мінеральної сировини, золи на теплових електростанціях), розчинника і ін. У цілому по всіх галузях промисловості 70-75% від загальних витрат води застосовують як охолоджувальний агент по циркулярній схемі. У цьому випадку вода лише нагрівається і практично не забруднюється. Головні джерела забруднення води, яка використовується для охолодження у системах циркуляційного водопостачання, - вода, яка прибавляється у системи для поповнення неминучих втрат, і атмосферне повітря, з якого в охолоджувачах води вимикаються суспензовані речовини і гази, розчинні у воді.

Основними іонами, які можуть приводити до відкладань мінеральних солей у системах циркуляційного водопостачання, є аніони HCO₃^-, CO₃^2-, OH^-, SO₄^2-, PO₄^3-, SiO₃^2- , а також катіони Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Zn²⁺. Найчастіше зустрічається у сольових відкладах такий компонент як СаСО₃. Попередити відкладання карбонатів можна підкисленням води H₂SO₄ або HCl, її рекарбонізацією (зазвичай обробка топочними газами, які містять вуглекислий газ), дією поліфосфатів (NaPO₃)₆ Na₅P₃O₁₀, органічних фосфатів і ін. Для попередження (зменшення) корозії труб і теплообмінного обладнання у воду прибавляють інгібітори корозії: поліфосфати, інгібітори на основі хромато-цинкових сумішей і інші. Для попередження обростання обладнання бактеріями воду в основному хлорують (вміст хлору до 5 мг/л), а деколи озонують.

6.2. Водопідготування

Водопідготування — це комплекс технологічних процесів обробки і очищення води для приведення її якості у відповідність до вимог споживачів. Під час водопідготовки з води можуть видалятись Mn, F, синтетичні миючі і фарбувальні речовини, пестициди і ін. Водопідготовку проводять на спеціальних станціях, продуктивність яких може складати від декількох м³/доб до млн. м³/доб.

Процес водопідготовки включає ряд послідовних операцій, які тут наведені.

Освітлення полягає у видаленні з води поверхневих (відкритих) джерел крупнодисперсних і колоїдних мінеральних і органічних речовин, які обумовлюють кольоровість води. Для їх видалення воду обробляють коагулянтами — Al₂(SO₄)₃·nH₂O, FeSO₄·mH₂O, FeCl₃·xH₂O і флокулянтами — поліакріламідом, активною H₂SiO₃ і ін. Потім воду відстоюють і фільтрують.

Знезаражування води виконується для знищення хвороботворних мікроорганізмів і вірусів, які викликають непридатність води для господарсько-питних потреб. Присутність у воді деяких видів мікроорганізмів (наприклад, ниткоподібних, зооглейних, сульфатвідновлювальних бактерій і залізобактерій) викликає біологічне обростання, а деколи і руйнування трубопроводів і обладнання.

Найпоширеніше знезаражування води здійснюється рідким або газуватим хлором, гіпохлоритами металів — NaClO і Ca(ClO)₂ і ClO₂.

Для цієї ж мети використовують озон, ультрафіолетове опромінення, фторування за допомогою натрій фториду.

Стабілізація води полягає в тому, щоб забезпечити такий її хімічний склад, при якому вона не виділяє і не розчиняє відклади СаСО₃.

Показником стабільності служить індекс насичення (І) води карбонатом кальцію, який розраховують за даними про рН і температуру оброблюваної води, а також концентрації катіонів Са²⁺, загальних лужності і солевмісності. Виходячи з цих даних, знаходять рН_s, який відповідає насиченню води карбонатом. На основі рН_s і виміряного значення рН вираховують І = рН-рН_s. Вода вважається стабільною, якщо І = 0; при І<0 вода викликає корозію сталі, чавуну і інших матеріалів. При І>0 може виділятися СаСО₃ з утворенням протикорозійної плівки на стінках трубопроводів і обладнання. Це пов'язано з наявністю у воді СО₂: при його надлишку відбувається корозія, при нестачі — пересичення води СаСО₃ , що і призводить до утворення накипу.

Для зв'язування СО₂ в Са(НСО₃) або NaHCO₃ воду обробляють Са(ОН)₂, Na₂СO₃ або іншими лужними реагентами. Багато природних і промислових вод, які йдуть на охолодження, перенасичені CaCO₃ і Mg(OH)₂. При використанні води як охолоджувального агента вона нагрівається і випадання CaCO₃ ; крім цього осаджуються Mg(OH)2 і деякі солі. Для усунення відкладів воду підкислюють H₂SO₄ або HСl, обробляють CO₂ (за звичай топочними газами), фосфатують і стабілізують іншими реагентами.

Пом'якшення води зводиться до видалення з неї катіонів Са²⁺ і Mg²⁺, які викликають твердість води. Твердість води — це сукупність її властивостей, які викликані розчинними сполуками Кальцію і Магнію. Твердість води відображає вміст у ній Кальцію і Магнію у мекв/дм³:

Т = ((m,мг Mg²⁺)/(E(Mg²⁺)·V,дм³)) + ((m,мг Ca²⁺)/(E(Ca²⁺)·V,дм³)), де Т — твердість, m — наважка у мг, Е - еквівалент, V — об'єм води.

Розрізняють постійну (некарбрнатну) і тимчасову (карбонатну) твердості води. Тимчасова твердість води обумовлена гідрогенкарбонатами магнію і кальцію, а постійна іншими сполуками Магнію і Кальцію (у тому числі хлоридами, сульфатами). При кип'ятінні води солі, що викликають тимчасову твердість руйнуються, а продукти розкладу випадають в осад; речовини, які викликають постійну твердість при кипінні води не руйнуються, а тому осад не утворюють.

Тверда вода викликає певні труднощі і ускладнення при її використанні у різних технологічних процесах; якість харчових продуктів, особливо напоїв, така вода може значно погіршувати. Через це воду необхідно пом'якшувати. Це здійснюється шляхом прибавляння до води розрахованих кількостей вапна і промислової соди, пропусканням води через колону, наповнену катіонітом. Воду можна очищати шляхом опріснення і обезсолювання.

Видалення солей із води до межі, близької до вмісту їх у дистильованій воді (долі або декілька мг/л), називається обезсолюванням. А видалення солей до концентрацій, які допускаються при застосуванні води для пиття (до 1 г/л), - опрісненням.

Обезсолювання і опріснення води іонним обміном досягається шляхом послідовного фільтрування води через зернисті шари Н⁺ - катіоніта і ОН^- - аніоніта.

Обезсолювання води можна здійснити електродіалізом і зворотнім осмосом, які не потребують застосування хімічних реагентів і характеризуються суттєво меншими енергетичними затратами у порівнянні з дистиляцією.

Діаліз — це видалення за допомогою мембран низькомолекулярних сполук з колоїдних розчинів і розчинів високомолекулярних сполук.

Електродіаліз використовують для збільшення швидкості діалізу низькомолекулярних електролітів. З цією метою в діалізаторі створюють постійне електричне поле з падінням потенціалу 20 — 250 В/см і вище. Електродіаліз дозволяє прискорити очищення води у декілька десятків разів у порівнянні з діалізом. Витрата електроенергії на 1м3 води, обезсоленої електродіалізом складає 6 — 30 кВт·г/м³. Електролізом воду можна обезсолити на 90%.

Очищення води зворотним осмосом. Осмосом називають переважно одностороннє проникнення молекул розчинника (дифузію) через напівпроникнену мембрану із розчинника у розчин або з розчину з меншою концентрацією у розчин з більшою концентрацією.

Якщо змінювати напрям руху молекул води у процесі осмосу за рахунок створення тиску з боку розчину з вищою концентрацією солей (причому прикладений тиск повинен бути вищим осмотичного), то досягають процесу здійснення зворотного осмосу. Рух молекул води при цьому відбувається із розчину з вищою концентрацією солей у сторону розчину з нижчим вмістом солей. Відбувається процес протискування води через напівпроникну мембрану з метою одержання обезсоленої води. Зворотно осмотичні мембрани мають тонкий гомогенний шар без пор. Ступінь розділення на мембрані дуже високий і токсичний. Лише сліди деяких солей можуть проходити через структуру мембран. Бактерії і в тому числі віруси мембрана не пропускає. Саме тому за допомогою зворотного осмосу можна одержати високоочищену питну воду або ж у залежності від співвідношення відбору фільтрату, надчисту воду для медичних цілей. Така вода добре зарекомендувала себе у промисловості харчових продуктів, особливо алкогольних напоїв. Відбір чистої води при її очищенні цим методом складає від 40 до 75%. За допомогою установок зворотного осмосу, наприклад, фірми РОХЕМ РО — Васербехандлунг ГмбХ (м. Гамбург) можна одержати від 500 до 2 000 000 літрів на добу екологічно чистої води. Всі ці установки випускаються у модульному виконанні. Зворотним осмосом воду можна обезсолити на 98 % і більше.