5. Известкование воды

Известкование производится при обработке исходной воды в осветлителях суспензией гашеной извести Са(ОН)₂, называемой известковым молоком. Основное назначение известкования – снижение щелочности обрабатываемой воды. При этом происходит частичное снижение общей жесткости воды, солесодержания, кремнийсодержания, концентрации соединений железа и одновременно из воды удаляются грубодисперсные примеси.

Сущность процесса известкования состоит в том, что при вводе извести достигается повышение рН обрабатываемой воды до значения 9,5 – 10,3, при котором бикарбонаты и равновесная углекислота СО₂ переходят в карбонат-ионы . С учетом присутствия в обрабатываемой воде ионов кальция и образовавшихся карбонат-ионов произведение их концентраций становится больше произведения растворимости по СаСО₃, поэтому из воды выделяется труднорастворимый карбонат кальция.

В упрощенном виде при известковании протекают следующие реакции:

1) при вводе извести происходит её диссоциация, приводящая к повышению рН:

(1)

2) в воде появляются ионы ОН^-, которые связывают свободную углекислоту с последующей диссоциацией по схеме:

(2)

3) происходит диссоциация гидрокарбонатных ионов (бикарбонатов), определяющих щелочность воды:

(3)

причем по реакции (3) из одного одновалентного иона образуется один двухвалентный ион , а в эквивалентных единицах концентрация образовавшихся будет в два раза больше концентрации разрушаемых ионов ;

4) выделение в осадок почти нерастворимого СаСО₃ происходит при достижении произведения растворимости по карбонату кальция, так как в воде есть кальций, содержащийся в исходной воде, введенный с известью, и вновь образованные карбонаты:

(4)

5) при превышении дозы извести над её количеством, необходимым для образования карбонатов в воде, появляется избыток ионов ОН^- и может быть превышено произведение растворимости по с переводом магния в твердую фазу в виде Мg(ОН)₂:

(5)

Подсчитаем дозу извести, необходимую для декабонизации, снижения щелочности и переведения ионов Mg²⁺ в . Ионы ОН^- должны вводится в следующих количествах:

1. для переведения в в количестве, эквивалентном исходному содержанию ;

2. для перевода бикарбонатных ионов в карбонатные – в количестве, эквивалентном исходной концентрации ;

3. для переведения ионов Mg²⁺ в - в количестве, эквивалентном исходной концентрации .

Таким образом, ионы должны быть введены в обрабатываемую воду в дозе:

. (6)

Одновременно с известью вводятся ионы кальция.

Реакции, протекающие при известковании обратимы, поэтому для их смещения в нужном направлении приходится вводить некоторый избыток Са(ОН)₂ в количестве мг-экв/дм³.

Поэтому практическая доза извести с учетом избытка равна

. (7)

При совмещении процессов известкования и коагуляции в качестве коагулянта используют обычно сульфат двухвалентного железа в дозировке Д_к. На образование гидроксида железа при известковании требуется дополнительный расход извести как источника гидроксид-ионов, что должно учитываться при расчете дозы извести согласно реакции

Тогда в формуле (7) следует учесть дозу коагулянта в виде:

. (8)

При расчете дозы извести необходимо учитывать ионный состав обрабатываемой воды. Для практического использования расчетная доза извести Д_и, мг-экв/дм³, определяется для большинства типов вод, для которых Ж_о + Д_к ≥ Щ^исх – Щ^обр, по формуле:

(9)

Приведенные реакции (1-9) позволяют определить требуемую дозу извести в процессе известкования с дополнительным осаждением магния. Этот режим называется гидратным и происходит при рН = 10,0 – 10,3.

Формула (9) учитывает расход извести на осаждение магния, но во многих случаях осаждение магния не обязательно.

Режим, в котором осаждение магния не происходит или происходит не полностью, называется карбонатным. В этом случае выделяется, главным образом, СаСО₃ при рН = 9,5. Возможны два случая ведения этого режима.

Для вод, имеющих отношение , магний можно не осаждать совсем. Доза извести в этом случае определяется по формуле:

. (10)

Контроль режима известкования ведется по значению концентрации кальция в известкованной воде, которая должна быть примерно равна:

,

где - общая щелочность исходной воды, мг-экв/кг.

Для вод, имеющих отношение , осаждение магния оказывается неизбежным в количестве ( , и доза извести определяется по формуле:

. (11)

В карбонатном режиме шлам имеет структуру песка, быстро оседает, но столб жидкости над границей раздела осветляется плохо.

В промышленных условиях вести строгий режим дозирования извести, обеспечивающий отсутствие гидратной щелочности, практически невозможно. Поэтому обычно процесс известкования проводят в гидратном режиме с остаточной гидратной щелочностью, равной 0,1 – 0,3 мг-экв/дм³ (формула 8). В гидратном режиме образуется шлам, имеющий однородную творожную структуру с крупными хорошо осаждающимися хлопьями. К преимуществам гидратного режима известкования относится также то, что присутствие гидроксида магния в осадке способствует снижению кремнийсодержания на 25 – 30 % за счет адсорбции ионов на свежеосажденном гидроксиде магния.

Передозировка извести по отношению к доле выделенного магния Mg²⁺ при гидратном режиме не сопровождается снижением жесткости и щелочности, а вызывает замену некарбонатной магниевой жесткости на кальциевую по реакции

К моменту прохождения всех стадий известкования остаточная карбонатная щелочность (т.е. сумма и ) обычно составляет 0,5 – 0,8 мг-экв/дм³ в зависимости от кальциевой жесткости известкованной воды.

Ухудшение реальных результатов по щелочности, концентрациям ионов Са²⁺ (на 0,15 – 0,3 мг-экв/дм³) и Mg²⁺ (на 0,1 – 0,15 мг-экв/дм³) в процессе известкования по сравнению с равновесными их значениями связывают с влиянием кинетических факторов: достаточно медленной кристаллизацией образующейся твердой фазы СаСО₃ и Mg(OH)₂ при приближении системы к состоянию равновесия и «тормозящей» роли органических примесей (защитных коллоидов) исходной воды, а также с выносом из осветлителя микрокристаллов твердой фазы.