Министерство образования и науки РФ

Северный (Арктический) федеральный университет

имени М.В. Ломоносова

ПРОЦЕССЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ

В СХЕМАХ ВОДОПОДГОТОВКИ

Методические указания к лабораторным работам № 1,2.

Архангельск

2013

Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией

Института Энергетики и транспорта

Северного (Арктического) федерального университета

имени М.В. Ломоносова

Составитель:

З.Г. Марьина, доцент, канд. техн. наук

Рецензент:

А.В. Новожилова, доцент, канд. техн. наук

УДК 628.

Процессы предварительной очистки воды в схемах водоподготовки: методические указания к выполнению лабораторных работ №1,2 по курсу «Химия воды». З.Г. Марьина – Архангельск: Изд-во САФУ, 2013. – 30с.

Подготовлены кафедрой промышленной теплоэнергетики Института Энергетики и Транспорта САФУ.

В методических указаниях приведены теоретические основы методов предварительной обработки воды: коагуляции и известкования, изложены цели работ, методики их проведения, методики аналитического контроля качества обрабатываемой воды, порядок обработки опытных данных, требования к отчету при оформлении работ и контрольные вопросы.

Предназначены для студентов, обучающихся по направлению 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» очной и заочной форм обучения в соответствии с программой третьего поколения по подготовке бакалавров.

Ил. . Табл. . Библиорг. 5 назв.

© Северный (Арктический)

федеральный университет

имени М.В. Ломоносова,

2013

Общие указания

Перед выполнением лабораторных работ необходимо изучить основные теоретические положения по теме работы.

Приведенные в методических указаниях анализы могут использоваться при оценке показателей качества воды для следующих целей водопользования: для хозяйственно-питьевого водоснабжения; при подготовке добавочной воды паровых котлов различного назначения, для оценки качества подпиточной воды тепловых сетей.

Выполнение лабораторных работ по процессам предварительной очистки и обработка результатов опытов позволяют оценить значение данного вида обработки и изменение качества воды в этих процессах. В реальных условиях эксплуатации знание характеристик используемой воды необходимо для организации оптимальных режимов работы оборудования водоподготовки на ТЭС и в котельных.

1. Характеристика природных вод и их примесей

Природные воды классифицируют по ряду признаков, простейшим из них является солесодержание воды. В соответствии с солесодержанием различают пресную воду – солесодержание менее 1 г/дм³; солоноватую – солесодержание 1–10 г/дм³; соленую – солесодержание более 10 г/дм³;

Примеси природных вод по степени дисперсности (крупности) подразделяют:

- на истинно-растворимые (ионно- или молекулярно-дисперсные) со степенью дисперсности менее 1 нм, распространенные в воде в виде отдельных ионов, молекул;

- коллоидно-дисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм;

- грубодисперсные с размером частиц более 100 нм (0,1 мкм).

По химическому составу примеси подразделяются на два вида: минеральные и органические.

К минеральным примесям относятся находящиеся в диссоциированной форме соли, кислоты, основания. Они присутствуют в воде в виде катионов и анионов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, HCO₃⁺, Cl⁺, SO₄^2-, SiO₃^2-, NO₃^-), а также растворенные в ней и содержащиеся в атмосфере газы (N₂, O₂, СО₂), а также газы, вносимые сточными водами.

Коллоидные примеси представляют собой агломераты из большого числа молекул с наличием поверхности раздела между твердой фазой и водой. Из-за малых размеров коллоидные частицы не теряют способности к диффузии и имеют значительную удельную поверхность. Коллоидные частицы не выделяются из воды под действием силы тяжести, не задерживаются обычными фильтрующими материалами (песком, фильтрующей бумагой). В природных водах в коллоидно-дисперсном состоянии находятся различные производные кремниевой кислоты и железа, а также органические примеси.

Грубодисперсные примеси (взвешенные вещества) имеют столь большую массу, что практически не способны к диффузии. С течением времени устанавливается определенное седиментационное равновесие: примеси либо выпадают в осадок, либо всплывают на поверхность (при плотности частиц меньше плотности воды). Длительно оставаясь во взвешенном состоянии, грубодисперсные примеси обусловливают мутность воды. Чем больше размер частиц грубодисперсных примесей, тем быстрее и легче выделяются они из воды при отстаивании или фильтрации.

Органические вещества, попадающие в открытые водоемы в результате вымывания их из почв и торфяников, объединяют обычно под общим названием гумусовых. Особенно загрязнены гумусовыми веществами, имеющими характерную желтую или коричневую окраску, стоки болотного происхождения. Кроме того, поверхностные воды обогащаются органическими веществами в результате отмирания водной флоры и фауны с последующими процессами их химического и биохимического распада.

Гумусовые вещества природных вод разделяют условно на три группы, объединяющие органические примеси по более или менее близким физическим и химическим свойствам: 1) гуминовые кислоты обычно находятся в водоемах в виде коллоидов, переходя в истинно растворенное состояние лишь при высоких значениях рН; 2) коллоидные соединения фульвокислот; 3) истинно растворенные соединения фульвокислот.

Водород карбоксильных групп СООН гуминовых кислот может замещаться катионами с образованием солей, называемых гуматами. Гуматы щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде, в то время как гуматы кальция, магния и железа - труднорастворимы. Гуминовые кислоты могут также образовывать с гидроксидами железа и алюминия комплексные соединения, частично представленные и коллоидной формой.

Большое значение в увеличении количественного и качественного содержания органических веществ в поверхностных водоемах и водотоках играют недостаточно очищенные бытовые, производственные, а также сельскохозяйственные стоки. Известно, что органические вещества являются главной причиной ухудшения органолептических свойств воды, т. е. появления запахов и привкусов.

Из-за сложности индивидуальной классификации органических примесей каждого типа в практике анализа используют общую способность органических примесей окисляться под действием специфических окислителей. Содержание в воде органических примесей оценивается окисляемостью - показателем, представляющим собой расход сильного окислителя (обычно KMnO₄) для окисления в стандартных условиях органических примесей, содержащихся в 1 дм³ воды. Этот критерий не дает точного представления о реальной концентрации органических веществ в воде, так как окисляются и некоторые минеральные примеси, однако позволяет приближенно характеризовать и сравнивать воды различного типа.

2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ

Жесткость воды является одним из важнейших показателей. Общей жесткостью воды Ж_о называется суммарная концентрация ионов кальция и магния, выражаемая в мг-экв/дм³. По определяющему катиону общая жесткость подразделяется на кальциевую Ж_Ca и магниевую Ж_Mg. Общая жесткость воды подразделяется на карбонатную и некарбонатную. Карбонатная жесткость Ж_к, в основном, обусловливается присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния (Ca(HCO₃)₂ , Mg(HCO₃)₂), так как СаСО₃ и MgCO₃ малорастворимы в воде. Некарбонатная жесткость Ж_нк объясняется наличием в воде хлоридов, сульфатов и других некарбонатных солей кальция и магния: CaCl₂, MgCl₂, CaSO₄, MgSO₄, CaSiO₃ и др. Таким образом, общая жесткость воды равна сумме кальциевой и магниевой жесткостей, с одной стороны, и сумме карбонатной и некарбонатной жесткостей с другой. Для вод, у которых , принимается, что Ж_о = Ж_к, а Ж_нк = 0.

По величине общей жесткости природных вод установлена следующая классификация: Ж_о< 1,5 мг-экв/дм³ – малая; Ж_о = 1,5 - 3,0 мг-экв/дм³ – средняя; ; Ж_о = 3,0 - 6,0 мг-экв/дм³ – повыщенная; Ж_о = 6,0 - 12,0 мг-экв/дм³– высокая; Ж_о > 12 мг-экв/дм³ – очень высокая. Жесткие воды образуют плотные отложения на поверхностях нагрева. Общей щелочностью воды Щ_о называется общее содержание в ней веществ, обусловливающих при диссоциации или в результате гидролиза повышенную концентрацию ионов ОН^-. В природных водах щелочность выражается концентрацией таких анионов, как а также присутствием солей некоторых слабых органических кислот (гуматов), которые в результате гидролиза связывают ионы Н⁺ и тем самым повышают концентрацию ионов ОН^-. В зависимости от того, какой анион присутствует в воде различают:

а) гидратную щелочность Щ_г, обусловленную концентрацией в воде ионов ,

б) карбонатную щелочность Щ_к, обусловленную концентрацией в воде карбонатных ионов ;

в) бикарбонатную (гидрокарбонатную) щелочность Щ_бк, обусловленную концентрацией бикарбонатных ионов .

Обычно в природных водах бикарбонатная щелочность существенно преобладает над другими видами щелочности, поэтому её значение без большой погрешности выражает общую щелочность воды. Гидратная щелочность определяется лишь при рН > 9.

Водородный показатель служит для характеристики степени кислотности по концентрации водородных или гидроксильных ионов. Для удобства эту концентрацию выражают в виде десятичных логарифмов, взятых с обратным знаком, и обозначают символом рН:

Условие нейтральности воды при 25 ^оС

.

При рН < 7 – кислая среда; при рН > 7 – щелочная среда.

Значение водородного показателя водных растворов определяет интенсивность диссоциации содержащихся в них слабых кислот или оснований. С понижением рН, т.е. с повышением активности или концентрации ионов Н⁺, процентное содержание недиссоциированных молекул слабых кислот повышается, а содержание их анионов понижается (табл. 1.2). Для катионов слабых оснований наблюдается обратное соотношение.

Значение водородного показателя природной воды обычно колеблется в пределах рН = 6 – 8 и зависит в основном от соотношения в воде концентраций и .

Таблица Состояние диссоциации слабых оснований и кислот при различных значениях рН и температуре 25 °С, %

Вещество	рН
	4	4,5	5	5,5	6	6,5	7	7,5	8	8,5	9	9,5	10	10,5
	-	-	-	-	-	-	0,6	1,6	5,3	15,0	35,8	63,7	84,8	94,6
	-	-	-	-	-	-	99,4	98,4	94,7	85,0	64,2	36,3	15,2	5,4
	99,6	98,7	95,9	88,0	69,9	42,3	18,9	6,8	2,3	0,7	0,2	-	-	-
	0,4	1,3	4,1	12,0	30,1	57,7	81,1	93,0	97,3	97,8	95,3	87,0	68,0	40,2
	-	-	-	-	-	-	-	0,2	0,4	1,5	4,5	13,0	32,0	59,2
	1,3	0,4	0,1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
	98,6	99,4	99,3	98,0	94,2	83,6	61,7	33,8	13,9	4,9	1,6	0,5	0,1	-
	0,1	0,2	0,6	2,0	5,8	16,4	38,3	66,2	86,1	95,1	98,3	99,2	98,9	96,9
	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,1	0,3	1,0	3,1
	-	-	100,0	-	99,9	-	99,6	-	96,1	-	71,5	-	20,0	4,0
	-	-	-	-	0,1	-	0,4	-	3,9	-	28,5	-	79,9	95,4
	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,1	0,6

Окисляемость воды – это показатель, имеющий условное значение и представляющий собой расход какого-либо сильного окислителя, необходимого для окисления в определенных условиях органических примесей, которые содержатся в 1 дм³ воды. Обычно для этих целей применяется перманганат калия (КMnO₄) или бихромат калия (K₂Cr₂O₇), различая соответственно перманганатную и бихроматную окисляемость. Результаты определения перманганатной окисляемости воды выражаются в кислородных или перманганатных единицах т.е. миллиграмм О₂ или КMnO₄ на кубический дециметр, которые различаются в 3,95 раза. Бихроматная окисляемость обычно превышает перманганатную в 2 – 2,5 раза, а разность между ними позволяет судить об устойчивости органических примесей к действию окислителей. При определении окисляемости обоих видов происходит окисление не только содержащихся в воде органических веществ, но и некоторых неорганических, например закисного железа, сероводорода, нитритов. В то же время некоторые органические вещества перманганатом калия не окисляются. Поэтому перманганатная окисляемость характеризует содержание в воде органических веществ приближенно и условно.

Окисляемость чистых грунтовых вод составляет обычно 1–3 мг О₂/дм³, в то время как в водах поверхностных источников окисляемость повышается до 10–12 мг О₂/дм³. Реки болотного происхождения и поверхностные источники в период паводка отличаются очень высокой окисляемостью, превышающей, например, 30 мг О₂/дм³. Сточные воды, содержащие органические вещества и сбрасываемые в водоемы, могут повышать окисляемость воды различных источников.