Учебное пособие 800534

го реагента различают известковый, содовый, едконатриевый и фосфатный способы реагентного умягчения воды (см. табл. 8).

Пример - известковый способ: при введении в воду гидрата окиси кальция сначала происходит связывание растворенной в воде углекислоты с образованием бикарбонатных ионов. Затем бикарбонатные ионы переходят в карбонатные, которые, реагируя с присутствующими в растворе катионами кальция, выпадают в осадок. Параллельно магний осаждается в виде гидроокиси магния. Процессы могут быть описаны следующими уравнениями:

2CO2 Ca OH 2 Ca HCO3 2 ;

Ca HCO3 2 Ca OH 2 2CaCO3 2H2O;

HCO3 Ca OH 2 OH CaCO3 2H2O.

Из способов реагентного умягчения воды наибольшее распространение получил известково-содовый благодаря более широким границам его применимости.

Остаточная жесткость реагентного способа 0,1-2 мг/экв- л в зависимости от реагента и температуры реакции.

Реагентные водоумягчительные установки обычно состоят из следующих основных элементов:

100

-устройств для приготовления растворов, водораспределителей, дозаторов, реагентов;

-смесителей;

-камер хлопьеобразования;

-аппаратов, в которых завершается умягчение воды и происходит частичное ее осветление (вихревые реакторы, термоумягчители, напорные и безнапорные осветлители);

-осветлительных фильтров.

Точное дозирование реагентов при обработке воды с целью ее умягчения имеет очень важно для успешного осуществления технологического процесса. Обычно критерием правильности подбора доз реагентов и завершения процесса умягчения служит показатель стабильности воды.

6.3.5.4. Основы катионного умягчения воды

Сущность ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов или ионитов поглощать из воды (раствора электролита) положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. Процесс водообработки методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов, называют катионированием. В зависимости от того, каким обменным ионом «заряжен» катионит: натрием, водородом или аммонием - различают процессы Na+, H+ и NH4+ катионирования.

Энергия вхождения различных катионов в катионит по величине их динамической активности может быть охарактеризована для одинаковых условий следующим рядом:

Na+ <NH4+<H+<K+<Mg2+<Ca2+<Al3+<Fe3+,

т. е. чем больше заряд катионов, тем больше их энергия вхождения в катионит.

Скорость обмена катионов зависит от их диффузии к поверхности раздела катионит-вода и определяется структурой

101

катионита. Но, как показывают исследования, скорости реакции обмена ионов в катионитах и достижения полного равновесия весьма велики5. Поэтому допустимы большие скорости фильтрования умягчаемой воды через катиониты.

Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью (способностью) выражающейся количеством катионов, которые катионит может обменять в течение цикла работы. Обменную емкость катионита измеряют в граммэквивалентных задержанных катионов на 1 м3 катионита, находящегося в рабочем состоянии после пребывания в воде, т. е. в таком состоянии, в котором катионит находится в фильтре. Различают полную и рабочую обменную емкость катионита. Полной обменной емкостью называют то количество катионов кальция и магния, которое может задержать 1 м3 катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата сравнивается с жесткостью исходной воды. Рабочей обменной емкостью катионита называют то количество катионов Са2* и Мg2+, которое задерживает 1 м3 катионита до момента «проскока» в фильтрат катионов солей жесткости. Обменную емкость, отнесенную ко всему объему катионита, загруженного в фильтр, называют емкостью поглощения.

Катиониты и их свойства. Катиониты по составу разделяют на минеральные и органические, которые, в свою очередь, делят на катиониты естественного и искусственного происхождения. Минеральные катиониты естественного происхождения (алюмосиликаты калия, натрия, кальция, железа, некоторые минералы) характеризуются малой обменной способностью и недостаточной химической стойкостью, что привело к замене их искусственными катионитами. Минеральные катиониты искусственного происхождения приготовляют смешением раствора сульфата алюминия с растворами соды и жидкого стекла.

5 Реакция обмена ионов кальция и магния на ионы водорода достигает 90 ...

98 % в течение долей минуты, а равновесие устанавливается за 5 ... 6 мин

102

Втехнологии подготовки воды в основном применяют органические катиониты искусственного происхождения (сульфоуголь, КУ-1, КБ-4, Зеролит и многие другие).

Внастоящее время лидирующие позиции в практике ионного обмена занимают синтетические ионообменные смолы – иониты, представляющие собой высокомолекулярные соединения, которые состоят из молекул-гигантов с огромной молекулярной массой. Ионит – твердое, практически нерастворимое в воде вещество, механически прочное и химически устойчивое.

Ионообменные процессы, осуществляемые на катионитах, основаны на типовых реакциях катионного обмена (на примере магния):

где K - сложный радикал катионита (органический скелет), практически нерастворимый в воде и играющий роль неподвижного аниона.

Подобные процессы обмена осуществляются на практике в динамических условиях фильтрованием умягчаемой воды через слой набухшего катионита, загруженного в специальные фильтры.

Натрий-катионирование является самым распространенным методом ионного обмена при умягчении воды. Это связано с легкостью и дешевизной восстановления рабочих свойств ионита (регенерации) и хорошей растворимостью веществ, получаемых при регенерации.

Натрий-катионитовый метод применяют для умягчения воды с содержанием взвеси не более 8 мг/л и цветностью не более 30 град платиново-кобальтовой шкалы.

В процессе умягчения воды Na-катионированием содержание кальция и магния в воде может быть снижено до

103

весьма малых величин: при одноступенчатом – до 0,03 – 0,05 мг-экв/л и при двухступенчатом – до 0,01 мг-экв/л.

Регенерация Na-катионита достигается пропусканием через него раствора с большим содержанием натрия, например 10 %-ного раствора поваренной соли:

Получающиеся в процессе фильтрования хлориды кальция и магния сбрасываются в дренаж с последующей отмывкой катионита от продуктов регенерации.

H-катионирование сопровождается значительным изменением pH воды и насыщением ее углекислым газом.

Регенерация H-катионита достигается пропусканием через него раствора серной или соляной кислоты:

Задержанные катионитом ионы кальция и магния при регенерации его кислотой замещаются водородными ионами кислоты.

Осуществление метода H-катионирования на практике связано с некоторыми сложностями и с соблюдением особых требований техники безопасности, которые неизбежны при обращении с кислотами и их растворами,- необходимы кисло-

104

тостойкая изоляция аппаратов, трубопроводов и арматуры или изготовление их из специальных кислотостойких материалов (нержавеющая сталь, биметалл, пластмассы).

Процесс регенерации ионитов состоит из трех стадий: взрыхление ионита, собственно регенерация и отмывка ионита от продуктов регенерации и избытка регенерирующего вещества. Объем промывных вод обычно составляет 75 – 100 % объема регенерационных растворов.

H-Na-катионирование Наибольшее практическое применение нашло сочетание процессов Na- и H- катионирования. В этом случае может быть достигнута требуемая потребителем величина щелочности и кислотности благодаря взаимной нейтрализации кислой и щелочной воды. Процесс H-Na-катионирования может осуществляться по одной из описанных далее схем.

1.Параллельное H-Na-катионирование применяют для исходной воды с малой некарбонатной жесткостью. При этом часть воды пропускается через H-катионитный фильтр, а другая часть – через Na-катионитный фильтр. Затем оба фильтра смешиваются. В результате можно получить воду с весьма малой жесткостью и близкой к нулевой щелочностью. Выделяющаяся при взаимодействии Na-катионированной воды с H- катионированной водой углекислота удаляется на специальных дегазаторах.

2.Последовательное H-Na-катионирование обычно применяют для умягчения воды с относительно высокой жесткостью. При этом часть обрабатываемой воды пропускается через H-катионитный фильтр, затем смешивается с остальной частью воды, пропускается через удалитель углекислоты (дегазатор) и, наконец, вся смесь пропускается через Naкатионитный фильтр.

3.Совместное H-Na-катионирование осуществляется в одном фильтре. При этом верхний слой катионита в фильтре для работы по методу H-катионирования, а нижний – для работы по методу Na-катионирования.

105

Для доумягчения фильтрата после H-Na- катионирования применяют дополнительный Na-катионитный фильтр (так называемый Na-катионитный фильтр второй ступени).

Процесс регенерации ионитов состоит из трех стадий: взрыхление ионита, собственно регенерация и отмывка ионита от продуктов регенерации и избытка регенерирующего вещества. Объем промывных вод обычно составляет 75 – 100 % объема регенерационных растворов.

Катионитовые фильтры бывают напорные и открытые. Напорные катионитовые фильтры (горизонтальные, вертикальные) состоят из цилиндрического корпуса, дренажной системы для отвода из фильтров умягченной воды и подачи на него воды для взрыхления катионита, распределительной системы для подачи в фильтр регенерационного раствора и сборной системы для отвода из фильтра воды при взрыхлении катионита и распределения по площади фильтра умягчаемой воды. Наиболее широко применяют напорные фильтры, главным образом вертикальные. Открытые катионитовые фильтры применяют только на установках большой производительности (более 500 м3/ч) и только при одноступенчатом катионировании.

Магнитная обработка воды. В последние десятилетия,

как в России, так и за рубежом, для борьбы с образованием накипи и отложений на внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования применяют магнитную обработку воды. Ее широко используют в конденсаторах паровых турбин, парогенераторах низкого давления и малой производительности, тепловых сетях и системах горячего водоснабжения, в различных теплообменных аппаратах.

Магнитная обработка воды в аппаратах с постоянными магнитами и электромагнитами применяется уже несколько десятилетий. Эффект, последствия обработки воды в магнит-

106

ном поле известны давно. Но только в XX в. началось использование магнитов в технике водоподготовки6.

Замечено, что при воздействии магнитного поля на обрабатываемую воду кристаллы карбоната кальция вместо обычной накипи образуют рыхлую массу, легко вымываемую из трубопровода. Кроме того, образовавшаяся большая поверхность множества мелких кристаллов «конкурирует» за отложения с нагретой поверхностью. Более 70% частиц имеют размер менее 0.5 мкм.

Механизм воздействия магнитного поля на воду и содержащиеся в ней примеси окончательно не выяснен.

Магнитная обработка заключается в пропускании потока воды через магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом или электромагнитом.

Внастоящее время в России выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды – с постоянными магнитами и электромагнитами. Время пребывания воды в аппарате определяется ее скоростью в пределах 1-3 м/с. Метод эффективен при обработке вод кальциево-карбонатного класса, которые составляют около 80% всех вод России.

Всравнении с распространенными методами умягчения воды (ионообменными, баромембранными) магнитную обработку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплуатационные расходы.

6.3.6. Обессоливание воды

Снижение солесодержания воды до уровня 1 г/л или до концентрации близкой к содержанию солей в дистиллированной воде называют соответственно опреснением и обессоливанием.

6 Первый патент на аппарат магнитной обработки воды был выдан в 1946 г. бельгийскому инженеру Т. Вермейрену. еще за 10 лет до этого обнаружившего. что при нагреве воды, пересекшей силовые линии магнитного поля, на поверхности теплообмена накипь не образуется.

107

Существующие методы опреснения и обессоливания воды подразделяют на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатного состояния воды. К первой группе методов относят дистилляцию, нагрев воды до сверхкритической температуры (350 °С), замораживание, газогидратный метод; ко второй — ионный обмен, электродиализ, обратный осмос (гиперфильтрация), ультрафильтрацию, экстракцию и др. Наиболее распространены в практике дистилляция, ионообмен, электродиализ и обратный осмос.

Данные о глубине обессоливания воды этими методами (при исходной воде с содержанием растворенных солей менее 1000 мг/л) и ее удельном сопротивлении приведены в табл. 9.

108

6.3.6.1. Обессоливание воды дистилляцией

Для обессоливания воды дистилляцией (наиболее старый метод обессоливания) применяют испарители разных типов. Они различаются производительностью, конструкцией

ивидом потребляемой энергии. Обычно применяют электрические или паровые дистилляторы (дистилляционные или перегонные)установки.

Испарители представляют собой котлы низкого давления, в которых поступающая вода превращается в бедный солями пар и концентрат со значительным солесодержанием, который непрерывно (или периодически) сбрасывается.

Для получения воды большей степени чистоты необходимо обеспечить медленное кипячение, чтобы тяжелые примеси не уносились паром и не попадали в дистиллят. С целью уменьшения расхода энергии дистилляционные установки выполняются многоступенчатыми. Однако с увеличением числа ступеней испарения увеличивается суммарная площадь поверхности нагрева аппаратов и соответственно возрастают капитальные затраты. Оптимальное число ступеней испарения

идругие показатели установки обычно выбирают путем сравнения расчетных вариантов.

Одноступенчатые испарительные установки (дистилля-

торы) применяют при небольшом расходе обрабатываемой воды (не более 2-З м3/ч).

В многоступенчатых установках вторичный пар каждой ступени, за исключением последней, используется в качестве греющего пара последующей ступени. Вторичный пар последней ступени конденсируется в хвостовом конденсаторе. С увеличением числа ступеней испарительной установки количество дистиллята, получаемого на единицу затраченной тепловой энергии, возрастает. На тепловых электростанциях обычно ограничивают число ступеней двумя — пятью.

Более подробное протекание процессов дистилляции рассматривается в разделе «Ректификационные и дистилляци-

109