Термический метод очистки воды

Метод дистилляции

При нагревании водных растворов молекулы воды приобретают энергию, превышающую силы молекулярного притяжения, и выносятся в паровое пространство. Когда давление насыщенного пара Н₂О становится равным внешнему давлению, вода начинает кипеть. Ионы и молекулы растворенных веществ, содержащихся в воде и находящихся в гидратированном состоянии, не имеют такого запаса энергии и переходят в пар при невысоких давлениях в весьма незначительном количестве.

Таким образом, организовав процесс кипения водных растворов, можно разделить растворитель (воду) и содержащиеся в ней примеси.

Дистилляция (термическое обессоливание) реализуется в испарительных установках, в которых вода за счет получения теплоты от подводимого в нагревательную систему первичного пара превращается во вторичный пар, который затем конденсируется. Первичный пар обычно отбирается от паровой турбины. Вещества, загрязняющие воду, остаются в объеме испаряемой воды и удаляются из испарителя с отводимой (продувочной) водой. Дистиллят – конденсат вторичного пара – содержит лишь незначительное количество нелетучих примесей, поступающих в него за счет капельного уноса испаряемой воды (концентрата).

Опыт эксплуатации испарителей при питании солоноватыми или солеными водами показывает на серьезные затруднения, возникающие из-за быстрого образования накипи на теплопередающих поверхностях, снижения коэффициента теплопередачи и уменьшения эффективности работы испарителей.

В борьбе с накипеобразованием в испарителях используются методы физические, химические и физико-химические, кроме того, возможно использование для уменьшения накипеобразования специальных конструкций и материалов для испарителей

Загрязнения пара и способы их удаления

Рассмотрим условия протекания процесса образования накипи при парообразовании, когда концентрации присутствующих в котловой воде ионов постепенно возрастают. В насыщенном растворе трудно растворимого вещества произведение концентрации ионов достигает величины произведения растворимости ПP, характеризующего предел растворимости данного вещества при данной температуре и зависящего исключительно от температуры и химической природы вещества.

Если через КА обозначить трудно растворимую соль, в которой К⁺ обозначает катион, а А^- – анион, то для насыщенного раствора этой соли имеет место следующее равенство:

.

(4.3)

Здесь обозначают концентрации соответственно катиона и аниона, выраженные в моль в кубическом дециметре (моль/дм³) раствора.

Произведение растворимости ПP для данного соединения и данной температуры является величиной постоянной; оно изменяется с изменением температуры.

Если , то раствор не насыщен, и осадок выпадать не будет; при неизбежно выпадение осадка.

Выпадение данной соли из раствора начинается только в том случае, когда произведение концентрации ионов, входящих в ее состав, превышает значение произведения растворимости для данной соли. Из уравнения (4.3) следует, что с увеличением концентрации одного иона концентрация другого иона должна уменьшаться, так как величина произведения растворимости для данной температуры остается без изменений. Если к насыщенному раствору какой-либо соли прибавить электролит с тем же, что и в растворе катионом или анионом, то равновесие раствора переместится в направлении уменьшения растворимости данной соли с выделением избытка ее в твердую фазу.

В парогенераторах с многократной циркуляцией разделение пароводяной смеси, поступающей в барабан, никогда не бывает полным, поэтому насыщенный пар, выходя из барабана, увлекает за собой некоторое количество капелек котловой воды вместе с содержащимися в ней растворенными солями и щелочами, а также коллоидными и грубодисперсными частицами органических и минеральных веществ.

Практически все вещества, содержащиеся в котловой воде, обладают способностью в той или иной мере растворяться в сухом насыщенном и перегретом паре. Характер поведения этих веществ в паровой фазе определяется главным образом их физико-механическими свойствами, а также параметрами пара.

На качество пара, производимого барабанным парогенератором, влияют следующие факторы:

а) солевые составы питательной и котловой воды, а также воды, используемой для регулирования температуры перегретого пара во впрыскивающих пароохладителях;

б) высота и объем парового пространства барабана, способы ввода пароводяной смеси в барабан и способ отвода насыщенного пара из барабана; наличие и эффективность работы внутрикотловых сепарирующих, паропромывочных и других устройств;

в) эксплуатационный режим парогенератора (величина и равномерность нагрузки, положение уровня воды в барабане и пр.).

Относительная величина загрязнения пара характеризуется коэффициентом уноса К_у, который определяется по формуле

(5.20)

где а_п и А_к.в – солесодержание или концентрация какого-либо вещества в паре и котловой воде, мкг/дм³.

В парогенераторах различают унос капельный и избирательный. Унос называют капельным в том случае, когда загрязнение пара происходит вследствие выноса веществ, содержащихся в котловой воде, в пар с капельками последней. Если же загрязнение пара происходит вследствие растворения в сухом насыщенном и перегретом паре некоторых веществ, содержащихся в котловой воде, то такой унос называют избирательным.

В общем случае величина коэффициента уноса определяется формулой

(5.21)

где К_к.у = а_к.у/А_к.в – коэффициент капельного уноса; К_и.у = а_и.у/А_к.в – коэффициент избирательного уноса; а_к.у – капельный унос, мкг/дм³; а_и.у – избирательный унос, мкг/дм³;

(5.22)

Вывод вредных примесей из цикла и поддержание эксплуатационных норм качества котловой воды в парогенераторах барабанного типа достигаются с помощью непрерывной продувки. На блоках с прямоточными парогенераторами представляется возможным выводить из пароводяного цикла только часть примесей, главным образом кальциевых соединений и продуктов коррозии, накапливающихся на поверхностях нагрева парогенераторов, с последующим периодическим удалением образовавшихся отложений посредством водной или химической промывок.

Поэтому необходимо рассмотреть второй способ водного режима – продувку, ступенчатое испарение, промывку насыщенного пара.

Очистка высокоминерализованных вод

Обратный осмос

Принцип обратного осмоса основан на явлении осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Если чистую воду и водный раствор какого-либо вещества поместить в два отсека по обе стороны полупроницаемой мембраны, способной пропускать только молекулы воды, то в такой системе будет наблюдаться следующее. Из-за разности давления (концентраций) молекул (Н₂О) в разных отсеках осуществляется переход молекул воды в объем с их меньшей концентрацией, т.е. в отсек концентрированного раствора. Объем раствора при этом постепенно увеличивается, сам раствор разбавляется, ∆р уменьшается, тормозя дальнейший перенос молекул Н₂О. Количественно процесс осмоса характеризуется значением осмотического давления р, которое согласно закону Вант-Гоффа прямопропорционально концентрации растворенного вещества С и абсолютной температуре Т раствора:

,

(8.1)

где i = (1 + α) – коэффициент Вант-Гоффа; (α – степень диссоциации растворенного вещества);

М – масса 1 моля растворенного вещества;

R – универсальная газовая постоянная.

Чтобы осуществить обработку высокоминерализованной воды обратным осмосом, нужно, создав (в отсеке с раствором) избыточное давление, превышающее осмотическое, заставить молекулы воды диффундировать через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном прямому осмосу, т.е. со стороны высокоминерализованной воды в отсек чистой воды (рис.8.1).

Рис.8.1. Принципиальная схема прямого и обратного осмоса:

а) начало осмотического переноса; б) равновесное состояние; в) обратный осмос;

1 – пресная вода; 2 – солёная вода; 3 – мембрана

Преимущество обратного осмоса перед дистилляцией связано с отсутствием энергоемких фазовых превращений, однако для достижения длительного срока службы полупроницаемых мембран необходима предварительная глубокая очистка воды от коллоидных и глубоко дисперсных примесей.

Электродиализ

Электродиализ – процесс удаления из растворов (проводников второго рода) ионизированных веществ путем переноса их через мембраны в поле постоянного электрического тока. В такой системе возникает направленное движение ионов растворенных солей, а также ионов Н⁺ и ОН^-, причем катионы движутся к катоду, а анионы к аноду. При достижении катода катионы восстанавливаются в соответствии с катодными реакциями, например:

;	(8.2)
.	(8.3)

Анодные реакции:

;	(8.4)
;	(8.5)
.	(8.6)

Для предотвращения переноса ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся по реакциям (8.3) и (8.6), электродиализатор разделяют на отсеки с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов или только для анионов (рис. 8.3).

При направленном движении ионов к соответствующим электродам катионы, встречающие на своем пути катионопроницаемую мембрану К, свободно проникают через нее. В то же время для анионов эти мембраны являются практически непроницаемыми. Аналогично происходит движение анионов через анионопроницаемую мембрану А, одновременно препятствующую переносу катионов.

Рис.8.3. Принципиальная схема многокамерного электродиализатора

Вода, используемая в электродиализаторах, требует предварительной тщательной обработки.

18