5972

1

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

А.Л. Васильев, Е.В. Воробьева, С.В. Кулемина

ВОДОПОДГОТОВКА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторных работ для обучающихся по дисциплине «Водоснабжение промышленных предприятий»

направлению подготовки 08.03.01 Строительство, направленность (профиль) Водоснабжение и водоотведение

Нижний Новгород

2022

2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

А.Л. Васильев, Е.В. Воробьева, С.В. Кулемина

ВОДОПОДГОТОВКА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторных работ для обучающихся по дисциплине «Водоснабжение промышленных предприятий»

направлению подготовки 08.03.01 Строительство, направленность (профиль) Водоснабжение и водоотведение

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

3

УДК 628.16

Васильев А.Л. / Водоподготовка для технологических процессов промышленных предприятий: учебно-методическое пособие / А.Л. Васильев, Е.В. Воробьева, С.В. Кулемина; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 27 с. – Текст: электронный.

В пособии даются рекомендации к проведению лабораторных работ и рассматриваются вопросы по технике безопасности при их выполнении. Раскрываются основные технологические процессы умягчения и обессоливания воды, используемые в процессе водоподготовки на промышленных предприятиях. Описываются методики проведения процессов умягчения и обессоливания воды.

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Водоснабжение промышленных предприятий» направлению подготовки 08.03.01 Строительство, направленность (профиль) Водоснабжение и водоотведение.

© А.Л. Васильев, Е.В. Воробьева, С.В. Кулемина, 2022

© ННГАСУ, 2022

1.3. Лабораторная работа №2. Умягчение воды катионитовым способом

2.2. Лабораторная работа №5. Обессоливание воды методом ионного

5

ВВЕДЕНИЕ

Вода является основой жизни на Земле. Основа здоровья населения — это качество воды и возможности его повышения. Однако интенсивное воздействие человека на окружающую среду привело к загрязнению и истощению водных ресурсов и сохранения гидросферы.

Значительная концентрация городского населения, резкое увеличение промышленных, сельскохозяйственных, транспортных, энергетических и других выбросов привели к нарушению качества воды, появлению в источниках водоснабжения отличных от естественной природной среды химических, радиоактивных и биологических агентов.

Выбор метода обработки воды для производственных процессов промышленных предприятий и схемы водоочистки производится в зависимости от качества исходной воды, требований, предъявляемых к воде в соответствии с технологией производства, и зависит от норм расхода воды различного качества на единицу выпускаемой продукции и технико-экономических соображений.

Для производственных целей используют техническую воду различного качества (частично-осветленная, глубоко-осветленная, умягченная, обессоленная и т.д.). На хозяйственно-бытовые нужды работников промышленного предприятия используется вода питьевого качества.

Общие требования к качеству и свойствам технической воды:

1.Вода должна быть безвредной для здоровья обслуживающего персонала и не обладать отрицательными органолептическими свойствами (при открытой системе).

2.Вода, используемая для охлаждения, не должна выделять механических, карбонатных или других отложений.

3.Вода не должна вызывать коррозии металла.

4.Вода не должна способствовать развитию биологических обрастаний аппаратов, оборудования и сетей.

Предлагаемое методическое пособие поможет успешно решить задачи, освоить методы и получить практические навыки по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Водоснабжение промышленных предприятий».

6

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

При выполнении лабораторных работ необходимо строго соблюдать все указания преподавателя, помнить, что неаккуратность, невнимательность, незнание свойств веществ, с которыми ведется работа, могут повлечь за собой несчастный случай. При работе с реактивами следует всегда помнить, что химические вещества в большинстве своем ядовиты.

Поэтому каждому студенту, работающему в химической лаборатории, необходимо знать и соблюдать следующие правила:

1.К лабораторной работе разрешается приступать только в присутствии преподавателя или сотрудника лаборатории.

2.Рабочее место содержать в чистоте, не загромождать его лишней посудой и посторонними предметами.

3.Приступая к работе, следует ознакомиться с методикой выполнения работы, осмыслить этапы ее выполнения, проверить наличие необходимой посуды и реактивов в соответствии с методикой. На каждой емкости с реактивом должна быть наклеена этикетка с указанием его названия и концентрации. Посуда должна быть чистой, без сколов и трещин.

4.Работу проводить в точном соответствии с ее описанием. Реактивы брать в количествах, указанных в руководстве, и строго придерживаться очередности их добавления.

5. Избыток отобранного реактива не следует возвращать назад в емкость, чтобы не испортить реактив.

6.Следует соблюдать осторожность при открывании емкостей с реактивами. Нельзя ее открывать, держа в руках. Следует поставить емкость на стол и только после этого открыть. После отбора реактива емкость сразу закрыть пробкой и поставить на место.

7.Для отмеривания жидких реактивов используют мерную посуду: пипетки, бюретки, мензурки, цилиндры.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ засасывать растворы в пипетки ртом. Для этого следует применять резиновую грушу.

8.Сухие реактивы брать с помощью лопаток, пластиковых или металлических шпателей.

9.Важным требованием является сохранение чистоты реактивов. Не загрязнять реактивы пипетками и шпателями, которые использовались при работе с другими реактивами. Нельзя путать пробки от банок с реактивами, собирать просыпанный реактив и ссыпать его обратно в банку.

10.При работе с кислотами и щелочами следить за тем, чтобы они не попадали на лицо, руки и одежду. Это вещества повышенной опасности и способны вызвать химические ожоги и отравления.

11.Кислоты осторожно тонкой струйкой приливают к воде при непрерывном перемешивании.

Приливать воду к кислоте ЗАПРЕЩАЕТСЯ.

7

12.При использовании сухой щелочи ее следует добавлять в воду пинцетом или шпателем небольшими порциями при непрерывном перемешивании.

13.При смешивании веществ, которое сопровождается выделением тепла, а так же в опытах с нагревом пользоваться термостойкой посудой.

14.При нагревании нельзя заглядывать сверху в нагреваемый сосуд во избежание возможного поражения при выбросе горячей массы.

15.При переносе сосуда с горячей жидкостью следует держать его двумя руками за дно и горловину, используя термоизоляционный материал (резиновую прихватку) или полотенце.

16.Горячий сосуд нельзя закрывать притертой пробкой, пока не остынет. 17.Все опыты с неприятно пахнущими веществами проводить в

вытяжном шкафу. Запах определяют, осторожно направляя на себя пары или газы легким движением руки.

18. Работы с легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ) и горючими жидкостями (ГЖ) осуществлять в вытяжном шкафу при включенной вентиляции и отключенных электронагревательных приборах.

19.Никакие вещества нельзя пробовать на вкус.

20.Отработанные реактивы следует сливать в специальные емкости для сливов, а не в канализацию.

21.В случае разлива реактива поставить в известность преподавателя или сотрудника лаборатории.

22.По окончании работы привести в порядок рабочее место, помыть посуду, протереть поверхность рабочего лабораторного стола, выключить приборы, закрыть водопроводные краны.

8

РАЗДЕЛ 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ

1.1 Общая часть

Жесткость воды характеризуется общей суммой катионов кальция и

магния.

Карбонатная жесткость определяется наличием в воде бикарбонатов

кальция и магния.

Некарбонатная жесткость определяется наличием солей сильных кислот

кальция и магния.

Общая жесткость питьевой воды, согласно СанПиН 2.1.3685-21 [1], не должна превышать 7 мг-экв/л; в исключительных случаях, по постановлению Главного государственного санитарного врача по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения на основании оценки санитарноэпидемиологической обстановки в населённом пункте и применяемой

технологии водоподготовки, допускается жесткость не выше 10 мг-экв/л.

При использовании жестких вод для хозяйственных нужд наблюдаются значительные потери жирового мыла на образование малорастворимых кальциевых и магниевых солей, жирных кислот. В жесткой воде плохо

развариваются овощи.

Мягкая вода требуется для целого ряда технологических процессов, производств (синтетического каучука, пластмасс, искусственных волокон,

кинопленки и т.д.), а также для питания паровых котлов.

Воды с высокой карбонатной жесткостью дают накипные отложения в трубопроводах и водонагревателях системы горячего водоснабжения, в трубах и теплообменных аппаратах систем водяного охлаждения, особенно систем

оборотного водоснабжения.

Процессы, приводящие к уменьшению концентрации кальциевых и магниевых солей в воде, называют умягчением. Снижение жесткости воды может быть достигнуто одним из следующих методов: термическим,

реагентным, катионитовым и комбинацией перечисленных методов.

Термическое умягчение воды методом нагревания основано на сдвиге углекислотного равновесия в сторону образования карбоната кальция СаСО3 и гидроокиси магния Mg(OH)2, которые переходят в осадок. Жесткость воды, обусловленная наличием бикарбонатов кальция и магния, значительно

снижается. Процесс можно описать следующими уравнениями:

Нагрев воды приводит почти к полному удалению из нее карбонатной жесткости. Метод термического умягчения находит применение в случаях, когда в воде преобладает карбонатная жесткость и когда нагрев воды входит в

9

технологический процесс (например, паросиловые установки низкого давления). Метод может использоваться в качестве предварительного умягчения воды перед катионитовым умягчением.

Реагентный метод умягчения воды является наиболее распространенным способом. В качестве реагентов применяют известь, соду, едкий натр, фосфаты, соли бария и др. Одним из более дешевых реагентов является известь. Известкование целесообразно проводить для умягчения воды с высокой карбонатной и малой некарбонатной жесткостью. Как самостоятельный метод умягчение известкованием применяется сравнительно редко, так как этим способом не удаляется некарбонатная кальциевая жесткость. Обычно его комбинируют с содовым методом. Карбонатная жесткость при этом устраняется известью, а некарбонатная – содой. Сущность известково-содового способа сводится к следующим основным процессам:

Ca(OH)2 + СО2 СаСО3 + Н2О

Са(ОН)2 + Mg(НСО3)2 СаСО3 + MgСО3 + 2Н2О

Са (OH)2 + МgСО3 СаСО3 + Mg(OH)2

Nа2СО3 + СаSO4 СаСО3 + Nа2SO4

Известково-содовый метод пригоден для умягчения воды с любым полным составом, и сводится он к образованию трудно растворимых соединений карбоната кальция СаСО3 и гидроокиси магния Mg(OH)2, которые

выпадают в осадок.

Для ускорения умягчения воды интенсифицируют процесс образования осадков путем добавления избытка реагента-осадителя, созданием контакта умягченной воды с ранее образовавшимся осадком, а также подогревом воды.

Расчетные дозы реагентов, в соответствии с СП 31.13330.2021 [2] не всегда обеспечивают должную степень умягчения воды ввиду трудности учета всех факторов, влияющих на процесс умягчения. Поэтому необходимые дозы извести и соды для реагентного умягчения воды определяют путем проведения технологического анализа воды, который сводится к пробному умягчению воды в лабораторных условиях.

Область применения известково-содового метода ограничивается глубиной умягчения, которая составляет 1-2 мг-экв/л, а при подогреве 0,2-0,4 мг-экв/л по общей жесткости; по карбонатной - 0,7 мг-экв/л, а при подогреве

10

0,2-0,3 мг-экв/л. Метод также используется в качестве предварительного умягчения воды перед катионитовым умягчением.

Эффективным средством для умягчения воды служит полифосфат натрия

Na5P3O10. В этом случае связывание ионов Ca2+ и Mg2+осуществляется за счет

образования хорошо растворимых в воде хелатных комплексных соединений

P3O105- + Ca2+ = [Ca(P3O10)]3-

P3O105- + Mg2+ = [Mg(P3O10)]3-

Катионитовый способ умягчения основан на способности некоторых твердых, практически нерастворимых в воде материалов - ионитов, обменивать входящие в их состав ионы на ионы, содержащиеся в воде. При этом вещества, обменивающие катионы, называют катионитами и сам метод называют катионовым умягчением воды. В основе ионообменного процесса лежат химические реакции, протекающие на внешних и внутренних поверхностях ионитов.

Обмен ионов происходит в строго эквивалентных количествах. Равновесие устанавливается очень быстро. Степень обмена в течение первых нескольких секунд достигает 90-95%. По мере истощения обменной способности катиона он регенерируется.

При умягчении воды применяют катионит в Naили Н- формах,

способные обменивать Na+ или Н+ на содержащиеся в воде Са2+ и Mg2+, которые обуславливают ее жесткость.

Катиониты: сульфоуголь, КУ-2, Леватит. В настоящее время наибольшее распространение получили синтетические катиониты. В качестве примера можно разобрать, катионит марки КУ-2, получаемый сополимеризацией стирола и дивинилбензола. Это сульфокатионит с активной группой – SO3H, внешне представляет собой желтоватые прозрачные шарики диаметром 0,25-1 мм.

Катионитный метод умягчения основан на фильтровании воды через слой катионита. Цикл работы катионитового фильтра состоит из следующих операций: умягчение, взрыхление, регенерация, отмывка.

Если катионит был переведен в Nа-форму, путем регенерации его раствором поваренной соли NaCI, то при фильтровании воды через слой такого катионита будут происходить следующие реакции обмена катионов:

2[K]Na + Ca(HCO3)2 [K]2Ca + 2NaHCO3 2[K]Na + Mg(HCO3)2 [K]2Mg + 2NaHCO3

2[K]Na + CaCl2 [K]2Ca + 2NaCl 2[K]Na + MgCl2 [K]2Mg + 2NaCl

2[K]Na + CaSO4 [K]2Ca + Na2SO4 2[K]Na + MgSO4 [K]2Mg + Na2SO4