Очищення стічних вод виморожуванням та кристалізацію газогідратів

Очищення мінералізованих стічних вод від солей, що містяться в них, можна проводити з використанням природного або штучного (із застосуванням холодильних машин) виморожування. Перший метод називають природним виморожуванням, а другий – штучним.

Природне виморожування. Природне виморожування із застосуванням природного холоду можна використовувати в місцевості з відносно м'якою зимою, де тривалість морозного періоду невелика і чергуються мінусові нічні і плюсові денні температури, або в північних районах у зимовий період.

Зміст методу полягає в тому, що мінералізовану воду подають в бетонні майданчики-лотки, які є мілкими басейнами з хвилястим дном і розміщені терасами. Мінералізовану воду після попереднього охолодження в резервуарі подають на заморожувальні майданчики. Вночі вона замерзає з утворенням льоду завтовшки 1–2 см. Вдень розсіл, що залишився, видаляють у нижній басейн і використовують для виділення солей кристалізацією, а лід опускається на дно і топиться при нагріванні. Перші порції талої води, збагачені солями, скидають у стік, після чого їх можна використовувати для повторного виморожування. Наступні порції більш прісної води направляють у збірник і використовують повторно в технологічному процесі.

Процес опріснення мінералізованих вод зазвичай проводять циклічно з урахуванням коливання температури зовнішнього повітря впродовж доби. За солевмісту вихідної води до 15 г/дм³ досягається продуктивність 5–7 дм³ опрісненої води з вмістом солей 0,5–1,0 г/дм³ з 1 мг площі поверхні басейну. Задавши продуктивність установки, можна обчислити геометричні розміри і кількість басейнів. Установка проста в експлуатації і не потребує кваліфікованої праці.

Штучне виморожування буває:

• виморожування з охолодженням води крізь тепле передавальну стінку;

• виморожування у вакуумі;

• контактне виморожування.

Кристалізаційний метод очищення мінералізованих стічних вод ґрунтується на здатності деяких газів (хлор, метиленхлорид, фреони тощо) утворювати під час взаємодії з мінералізованою водою тверді гідрати (клатрати), які зовні нагадують сніг. Після відокремлення кристалогідратів від розсолу і наступного їх розтоплення отримують прісну воду. Розсоли подають на подальшу переробку для виділення солей. Газоподібні агенти повторно повертають у цикл. Утворення газогідратів, а не льоду дає змогу істотно зменшити навантаження на холодильні машини та енергетичні затрати. У цьому разі ексергетичний коефіцієнт корисної дії підвищується до 16–18 %.

Фізико-хімічні властивості газогідратів. Хімічно насичені, які за звичайних умов перебувають у газоподібному стані, молекули Аr, Кr Хе, Rn, СН₄, СН₃СІ, С0₂, N₂0, S0₂ Н₂S СІ₂, Вr₂ та ін. утворюють кристалічні подвійні сполуки з водою, що дістали назву гідрати газів. У кристалічних ґратках цих сполук молекули води розміщуються так, що між ними утворюються закономірно розташовані пустоти, в які можуть вкорінюватися перелічені вище гази. Залежно від розміру молекул вкоріненого газу утворюються два типи ґраток. В одному кубічна елементарна комірка містить 46 молекул Н₂0, а в іншому – 136 молекул Н₂O, наприклад, 6Вr2 ∙ 46Н₂0, 8Кr ∙ 46Н₂0, 8СНСІ₃ ∙ 136Н₂0, тобто від 6 до 18 молекул води на кожну молекулу гідрато-утворювального агента. Гідрати невеликих молекул кристалізуються за першим типом, гідрати більших (важчих) молекул – за другим (гідрати рідин, оскільки речовини, побудовані з великих молекул, за нормальних умов є рідинами).

Більшість газогідратів стійкі за низьких температур або високого тиску. Стабільність цих гідратів підвищується за наявності побічних газів, наприклад 0₂ і N₂. Останні можуть у значних кількостях вкорінюватися в ґратки газогідратів. Найменшу температуру гідратоутворення має пропан. Він приєднує найбільше число молекул води за порівняно малої теплоти утворення кристалогідратів. Крім цього, пропан є одним з найдешевших газів, тому його застосовують як гідратоутворювальну речовину.