книги из ГПНТБ / Карюхина Т.А. Химия воды и микробиология учебник

Дозы реагентов при известково-содовом умягчении рассчитывают по формулам:

120

Важным эксплуатационным показателем правильно­ сти подбора доз реагентов и окончания процесса умяг­ чения служит показатель стабильности воды. Стабиль­ ность определяется изменением щелочности воды в про­ цессе фильтрации, что соответствует выделению и отложению карбоната кальция на фильтрующей загрузке.

Термохимическое умягчение. Термохимический метод умягчения применяется, при подготовке воды для пита­ ния паровых котлов. Метод заключается в подогреве во­ ды выше 100° С и применении извести и соды, реже — ед­ кого натра и соды. Высокотемпературная обработка при­ водит к интенсификации процессов укрупнения и осаж­ дения хлопьев. При таком умягчении коагулянты не при­ меняют. Необходимые дозы реагентов меньше, чем при обычной температуре, так как из воды с температурой выше 100° С практически полностью улетучивается сво­ бодная углекислота.

Фосфатное доумягчение воды проводят после извест- ково-содовой обработки. Поскольку стоимость фосфор­ ных солей значительно выше, чем извести и соды, ис­ пользование одних фосфатов неэкономично. В качестве фосфатных реагентов используют диили тринатрийфосфат.

Умягчение происходит вследствие реакций:

3Ca(HC03 )2 +2Na3 P04 -> Ca3 (P04 )2 +6NaHC03 ;

3Mg(HC0 3 ) 2 +2Na 3 P0 4 - Mg3 (PQ4 )2 +6NaHC03 ;

1

3CaCl2 +2Na3 P04 - Ca3 (PQ4 )2 +6NaCl; i

3MgS0 4 +2Na 3 P0 4 - Mg3 (PQ4 )2 +3Na2 S04 .

I

В результате фосфатного доумягчения в сочетании с термохимической обработкой можно получить воду с остаточной жесткостью 0,04—0,05 мг-экв/л. * -

Сульфатную жесткость устраняют карбонатом, гид­ роокисью или алюминатом бария. Реакции умягчения

121

с карбонатом бария могут протекать следующим об­ разом:

C a S 04 + Ba C0 3 - BaS04 +CaC03 ;

* I

MgS04 +BaC03 -> BaS04 +MgC03 ;

Здесь символом [Кат] обозначена нерастворимая часть катионита, условно принимаемая одноосновным ионом.

В результате обменных реакций в воде появляются натриевые соли, не являющиеся солями жесткости. В то же время содержание бикарбонат-ионов не изменяется, а потому щелочность воды остается без изменений. Об­ щее солесодержание несколько возрастает, так как каж­ дый ион кальция с относительной атомной массой 40,08 заменяется двумя ионами натрия, вес которых выше и равен 2-22,99 = 45,98; замена магния (относительная атомная масса 24,31) приводит к еще большему росту солесодержания.

Катиониты характеризуются величиной обменной ем­

восстановлению его обменных свойств. Na-катионит вос-

122

стаиавливают концентрированным раствором NaCl (от 2 до 10%) по реакциям:

Отработанный раствор NaCl с солями кальция и маг­ ния сбрасывается в канализацию.

Если катионит регенерировать раствором кислоты, то получится катионит в Н - форме — [Кат]Н . Н-катионито- вый фильтр позволяет получить воду, лишенную солей кальция и магния, по той же схеме, что показана для Na-катионита, при этом в воде появляются кислоты НС1 и H 2 S0 4 в количестве, равном концентрации их анионов в исходной воде. Кислотность воды после Н-катиониро- вания возрастает, величина рН снижается.

В практике нередко совмещают Na- и Н-катиониро- вание, что позволяет получить глубоко умягчённую воду, лишенную в то же время агрессивных свойств (за счет щелочности после Na-катионирования и кислотности пос­ ле Н-катионирования).

Процесс Na- и Н-катионирования выполняют по раз­ ным схемам. Например, одна часть воды направляется на Na-катионитовый фильтр, другая — на Н-катионито- вый, после чего оба фильтрата смешиваются. Возможно совместное Na- и Н-катионирование, когда вся вода про­ ходит через катионит, содержащий и ионы Н+ и ионы Na+ .

фильтрах 0,3—1,1 мм, высота фильтрующего слоя 2—4 м. Эксплуатация водоумягчительных установок прово­ дится в соответствии с инструкциями, разрабатываемы­ ми с учетом местных условий. При контроле качества воды особое внимание уделяется определению показате­ лей, так или иначе связанных с понятиями жесткости и щелочности: жесткости общей и карбонатной, щелочно­ сти карбонатной^ и гидратной, содержанию солей каль­ ция и магния, общему солесодержанию, величине рН,

содержанию анионов.

123

§ 60. Обессоливание

Различают понятия: опреснение и обессолива­ ние воды. При опреснении из соленой воды получают воду хозяйственно-питьевого назначения; более глубо­ кое снижение солесодержания называется обессоливанием. Полное обессоливание достигается испарением с по­ следующей конденсацией пара, ионным обменом и элек­ тродиализом.

Дистилляция воды с последующей конденсацией па­ ра производится в многоступенчатых испарителях. Ост­ рый пар подается в змеевик I ступени испарителя, где охлаждается и конденсируется, образуя обессоленную воду. Охлаждающая вода нагревается, образует пар, ко­ торый передается в змеевик I I ступени испарителя и конденсируется. Обогащенная солями охлаждающая во­ да (рассол) сбрасывается в канализацию. Всего в испа­ рителях бывает до четырех — шести ступеней. Первичная энергия для дистилляции воды может быть получена за счет сгорания топлива, электроэнергии, солнечной ра­ диации.

При нагревании охлаждающей воды происходит вы­ деление солей и образование накипи на внешней стороне

ния, применяют вакуумные испарители. Создание глу­ бокого вакуума приводит к понижению температуры ки­ пения воды до 50° С и ниже, при которой выпадения со­ лей из воды не происходит.

В испарителях получают обессоленную воду с оста­ точным солесодержанием 1—3 мг/л.

При обессоливании методом ионного обмена воду по­ следовательно фильтруют через Н-катиониты и ОНаниониты.

При фильтрации через Н-катионит получается вода, содержащая НС1 и H2SO4. Эту воду пропускают через анионит [Ан]ОН. В результате происходят обменные реакции:

Обработку воды Н- и ОН-ионитами проводят после­ довательно в две-три ступени, при этом обработка воды на ОН-фильтре I I ступени позволяет удалить анионы слабых кислот — угольной и кремниевой.

124

Одноступенчатая установка позволяет получить воду с солесодержанием 2—10 мг/л,, двухступенчатая—0,1— 0,3 мг/л, трехступенчатая -г- до 0,05—0,1 мг/л.

Получение воды требуемого качества обеспечивается строгим контролем эксплуатации ионитовых фильтров — скорости фильтрации, длительности межрегенерационного цикла, интенсивности и длительности отмывки загру­ зочного материала и т. п. Необходимо тщательно конт­ ролировать состав регенерационных растворов, применя­ емых для восстановления исходных свойств ионита и отмывки его от остаточных органических загрязнений.

Большое внимание при этом уделяется степени пред­ варительной подготовки воды, в частности удалению'' из воды взвеси и органических примесей,

В ряде производств (полупроводников, электрова­ куумных приборов) требуется ультрачистая вода с соле­ содержанием не выше 0,02 мг/л.

Одним из перспективных методов получения ультра­ чистой воды является электродиализ. Сущность метода заключается в том, что при пропускании постоянного то­ ка через воду на пути направленного движения ионов ставятся полупроницаемые перегородки из ионитовых смол. На пути движения катионов к катоду перегородка представляет собой Н-катионит, а соответственно анио­ нов к аноду — ОН-анионит. Вода освобождается таким образом от ионов и обессоливается, а иониты одновре­ менно регенерируются за счет движения ионов к элект­ родам и замены этих ионов в смолах на Н + л ОН- .-

§ 61. Удаление соединений железа

Для хозяйственно-питьевых целей воду обезжелезивают, если концентрация железа в ней превышает 0,3 мг/л. Существует несколько способов обезжелезивания, применяемых в зависимости от ряда условий: фор­ мы, в которой железо находится в воде, наличия сопут­ ствующих примесей, требуемой эффективности очистки и технико-экономических показателей.

__Выбор метода обработки воды производится на основе~~результатов пробного обезжелезивания. Его прово­ дят последовательно несколькими методами, при этом к каждому следующему переходят при получении отри­ цательного результата предыдущего метода. Использу­ ют способы: аэрации и фильтрования; коагулирования,

125

отстаивания и фильтрования; известкования, отстаива­ ния и фильтрования; хлорирования и известкования с последующим фильтрованием.

Чаще всего проблема удаления железа возникает при использовании воды подземных источников.

Для обработки воды подземных источников одним из наиболее часто используемых способов является метод аэрации.

При аэрации из воды удаляется часть углекислоты, закисное железо переходит в окисное, которое образует

железа из воды в значительной степени определяется ве­ личиной рН. При р Н = 7 , 5 процессы обезжелезивания протекают очень быстро.

Обезжелезивание аэрацией рекомендуется в тех слу­ чаях, когда щелочность исходной воды' более 1 мг-экв/л, величина рН более 7, содержание аммонийных солей ме­ нее 1 мг/л, сероводорода менее 0,2 мг/л, перманганатная

Если какое-либо из сформулированных выше условий

*не выполняется, то метод аэрации должен быть допол­ нен хлорированием либо хлорированием и известковани­ ем. Скоагулированные хлопья железа удаляют путем фильтрования.

Окисление двухвалентного железа в трехвалентное

-ускоряется в присутствии пиролюзита, а также окислов марганца, которыми обрабатывают кварцевый песок и

получают так называемый «черный песок». Обрабаты­ ваемую воду фильтруют сначала через ом'арганцованный песок (или пиролюзит), а затем через обычный песок.

. Для окисления двухвалентного железа, а также мно­ гих органических примесей применяют хлорирование во­ ды. Введение извести позволяет провести процессы ней­ трализации и коагулирования, а также ускорить процесс осаждения гидроокиси железа.

Необходимая доза хлора (при обработке воды по­ верхностных источников) принимается равной половине перманганатной окисляемости, а доза извести подсчиты-

126

Эксплуатация установок по обезжелезиванию осуще­ ствляется на основе общих правил эксплуатации водо­ проводных сооружений. Так, при фильтровании воды ру­ ководствуются правилами эксплуатации фильтров, а при коагулировании — правилами эксплуатации реагентного хозяйства и соответствующих сооружений.

Для обезжелезивания воды применяют также гра­ дирни. Градирни могут быть разных конструкций; об­ щим принципом для всех является противоточное движе­ ние обрабатываемой воды и воздуха. В среднем для об­ работки 1 м3 воды требуется 10 м3 воздуха.

§ 62. Удаление солей марганца

Необходимость удаления марганца наиболее часто возникает при обработке подземных вод. Принцип удаления марганца из подземных вод, где он находится в двухвалентной форме, заключается в окислении его в трех- и четырехвалентные формы с последующим вы­ делением в виде гидроокисей М п ( О Н ) 3 и М п ( О Н ) 4 пу­ тем отстаивания и фильтрования. Если же обрабатыва­ ются поверхностные воды, то полный цикл обработки включает окисление (хлором, озоном), коагулирование, отстаивание и фильтрование.

Катализаторами могут быть высшие окислы марганца. Окисление в присутствии катализатора позволяет вести процесс при более низких значениях рН — примерно 8,5. При р Н < 7 , 5 окисление кислородом не проходит даже при наличии катализатора, поэтому становится необхо­ димым хлорирование.

Если обрабатываются небольшие количества воды, то возможно применение перманганата калия, который весьма эффективно переводит М п 2 + в нерастворимое со­ стояние — в виде Мп (ОН) 4 .

Коагулирование и подщелачивание воды поверхност­ ных источников позволяют практически полностью уда­ лить из нее соединения марганца.

§ 63. Удаление кремниевой кислоты

Содержание силикатов в воде различных ис­ точников колеблется в широких пределах — от 1 до

127

60 мг/л. Обескремнивание необходимо для воды, исполь­ зуемой для питания паровых котлов, для производства лекарств и некоторых сортов целлюлозы. Возможности различных методов • обескремнивания иллюстрируются табл. 6.

Т а б л и ц а 6

Наиболее глубокое обескремнивание обеспечивают фильтрационные методы 1 и 6, при этом самый высо­ кий эффект достигается при обессоливании ионитами. Реагентные методы дают меньший эффект, чем фильт­ рационные.

§ 64. Фторирование и обесфторивание

Содержанию фтора в хозяйственно-питьевых водах придается большое значение. Концентрация фто­ ра в питьевой воде должна быть не более 1,5 и не ме­ нее 0,5 мг/л.

При недостатке фтора в питьевой воде ее следует фторировать, при избытке — обесфторивать.

Для введения фтора в воду допускается применять NaF, CaF2 , H2 SiF6 и ее соли Na2 SiF6 и (NH4 )2 SiF6 . Фто­ ристые соединения вводят в воду в виде растворов. По­ скольку эти соединения сорбируются гидроокислами же­ леза и алюминия, их вводят обычно после фильтров, пе­ ред хлорированием.

У нас в стране фторирование применяется на водо­ очистных станциях Норильска, Мурманска и Ленин­ града.

128

Обесфториванне воды — сложный и дорогой метод обработки. Практически применяются методы ионного обмена на активированной окиси алюминия и гндрокснлапатите и сорбции осадками гидроокиси алюминия и гидроокиси магния в момент выделения.

Активированная окись алюминия регенерируется кис­ лым раствором Al2(SO,})3 и при этом заряжается суль­ фат-ионами. Обменные реакции при обесфторивании имеют вид:

Анионит обладает селективным свойством и погло­ щает фтор-ионы интенсивнее, чем бикарбонат-ион. Про­ цесс проводится на ионитовых фильтрах с загрузкой крупностью 1—Змм, насыпным объемным весом 0,5 г/ж3 . Высота фильтрующего слоя активированной окиси алю­ миния 2—3 м; расширение слоя при промывке — 50% рабочей высоты; скорость фильтрации через ионит 6 м/ч. Фильтр выключается на регенерацию в зависимости от качества фильтрата. Продолжительность фильтроцикла и расход сернокислого глинозема на регенерацию под­ считывают по формулам. Рабочая емкость сорбента при­

Ионит регенерируют 1%-ным раствором NaOH. Ра­ бочая емкость гидроксилапатита—4—6 кг фтора на 1 г

среды на уровне 5—5,5, т. е. вести процесс обесфторивания с предварительным подкислением. Перед фильтра­ цией воду подщелачивают для снижения ее корродиру­ ющего действия.

Сорбция свежеосажденной гидроокисью магния про­ исходит быстро — за 8—10 мин. Обесфториваемую воду