Промышленная экология. Учебно-методическое пособие

2HR + Ca(HCO3)2→ CaR2 + 2H2O + 2CO2;

2HR + Mg(HCO3)2→ MgR2 + 2H2O + 2CO2; 2HR + CaCl2→ CaR2 + 2HCl;

2HR + MgSO4→ MgR2 + H2SO4; HR + NaCl→NaR + HCl;

2HR + Na2SO4→ 2NaR + H2SO4.

Н-катионирование воды позволяет полностью удалить жесткость и щелочность, а также снизить солесодержание.

Кислотность воды велика, все бикарбонаты полностью переходят в растворенный углекислый газ, который отдувается в декарбонизаторе

– ДКБ. Вода после декарбонизатора содержит только анионы сильных кислот и имеет кислую реакцию. Для ее нейтрализации в воду дозируют раствор щелочи. В результате очищенная вода имеет минимальную щелочность и жесткость, а содержание катионов соответствует первоначальному содержанию анионов сильных кислот. Снижение солесодержания соответствует исходной щелочности.

Регенерацию катионита осуществляют, как правило, слабым раствором серной кислоты.

4.Н-катионирование с голодной регенерацией на сильноили слабокислотном катионите. Используют для разрушения карбонатной щелочности воды без образования кислого фильтрата. Это достигается тем, что фильтры регенерируются таким количеством кислоты, которого недостаточно для вытеснения всех катионов, ранее поглощенных из воды. Это приводит к расположению в верхних частях фильтрующего слоя катионита с обменным катионом водорода, а в нижних – с обменными катионами кальция и магния.

Прошедшая через такой фильтр вода не содержит сильных кислот

иимеет незначительную щелочность (порядка 0,6–0,8 мг-экв/кг).

5.H-Na-катионирование. Процесс Н-Na-катионирования предполагает смешивание двух потоков умягченной воды – кислой после Н-катионитовых фильтров и щелочной после Na-катионитовых фильтров. Это позволяет получить глубоко умягченную воду с заданной величиной щелочности.

При необходимости поддерживать щелочность на определенном уровне при минимальной жесткости применяют параллельное или последовательное H-Na-катионирование. Оба этих режима обеспечивают

инекоторое снижение солесодержания воды.

Параллельное Н-Na-катионирование: одну часть воды пропускают через Н-катионитовый, другую – через Na-катионитовый

51

фильтры. Обработанные растворы смешиваются в расчетных соотношениях. Глубина умягчения при использовании такой схемы – остаточная жесткость Жо = 0,1–0,2 мг-экв/дм3. Далее воду подают в декарбонизатор, где удаляют углекислоту.

Последовательное H-Na-катионирование заключается в пропускании части питающего раствора через катионит в Н-форме, смешении подкисленного раствора с исходным, декарбонизации и умягчении всего потока на катионите в Na-форме. Подобное включение катионитовых фильтров позволяет более полно использовать обменную емкость Н-ка- тионита и снизить расход кислоты на его регенерацию.

Такой способ умягчения используется для сильноминерализованных вод с солесодержанием более 1 г/дм3, когда карбонатная жесткость менее 50 % от общей, а щелочность составляет

0,7–1,0 мг-экв/дм3.

Магнитная обработка воды. Для борьбы с накипеобразованием применяют обработку воды в магнитном поле. Сущность метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки (шлам) удаляют при продувке. Метод эффективен при обработке вод кальциево-карбонатного класса, которые составляют около 80 % вод всех водоемов нашей страны и охватывают примерно 85 % ее территории.

Обработка воды магнитным полем получила широкое применение для борьбы с накипеобразованием в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления и малой производительности, в тепловых сетях и сетях горячего водоснабжения и различных теплообменных аппаратах, где применение других методов обработки воды экономически нецелесообразно. В сравнении с умягчением воды основными преимуществами магнитной обработки являются простота, дешевизна, безопасность и почти полное отсутствие эксплуатационных расходов.

Магнитная обработка природных вод (как пресных, так и минерализованных) приводит к уменьшению интенсивности образования накипи на поверхностях нагрева только при условии перенасыщенности их как карбонатом, так и сульфатом кальция в момент воздействия магнитного поля и при условии, что концентрация свободного оксида углерода (IV) меньше его равновесной концентрации.

На практике применяют магнитные аппараты с постоянными стальными или феррито-бариевыми магнитами и электромагнитами.

52

Аппараты с постоянными магнитами конструктивно проще и не требуют питания от электросети. В аппаратах с электромагнитом на сердечник (керн) наматываются катушки проволоки, создающие магнитное поле.

В последнее время получили распространение аппараты с внешними намагничивающими катушками. Для омагничивания больших масс воды созданы аппараты с послойной ее обработкой.

Лабораторная работа 4 Умягчение воды

Для умягчения воды в ходе лабораторной работы используются следующие методы:

1)кипячение;

2)внесение активированного угля;

3)применение реагентов (Ca(OH)2, Na2CO3, Na3PO4).

Цель работы: оценить эффективность различных способов умягчения воды.

Оборудование, материалы и реактивы

Бюретки 1–2-го класса точности вместимостью 25 см3 по ГОСТ 2925.

Воронки лабораторные по ГОСТ 25336.

Колбы мерные 2-го класса, вместимостью 100 см3 по ГОСТ 1770.

Колбы стеклянные лабораторные конические номинальной вместимостью 250 см3, типа Кн по ГОСТ 25336.

Бумага универсальная индикаторная для контроля рН. Аммония хлорид по ГОСТ 3773.

Аммиак водный по ГОСТ 3760 (25 %).

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709 и (или) бидистиллированная (вода дистиллированная, перегнанная повторно в стеклянных емкостях).

Гидроксиламина гидрохлорид по ГОСТ 5456.

ГСО состава трилона Б массовой долей 2-водной динатриевой соли этилендиамин-N,N,N',N'-тетрауксусной кислоты не менее 99,5 % или стандарт-титр (фиксанал) трилона Б или трилон Б (эти- лендиамин-N,N,N',N'-тетрауксусной кислоты динатриевая соль 2-водная) по ГОСТ 1065.

53

Индикатор эриохром черный Т (хромогеновый черный ЕТ) или хромовый темно-синий кислотный (кислотный хромовый синий Т).

Натрия хлорид по ГОСТ 4233. Натрия сульфид по ГОСТ 2053. Кальция гидроокись по ГОСТ 9262. Кислота соляная по ГОСТ 3118.

Метиловый оранжевый (пара-диметиламиноазобензолсульфо- кислый натрий) по ТУ 6-09-5171.

Натрий углекислый по ГОСТ 83. Уголь активированный по ГОСТ 6217. Натрия гидроокись по ГОСТ 4328.

Натрий фосфорнокислый по ГОСТ 4172.

Все реактивы, используемые для анализа, должны быть квалификации химически чистые (х. ч.) или чистые для анализа (ч. д. а).

Удаление жесткости методом кипячения предполагает нагрева-

ние проб воды до закипания и кипение в течение 15 мин.

Ход работы

1.Определить все виды жесткости в воде, как описано в п. «Проведение анализа» лабораторной работы 3.

2.Поместить 100 см3 обрабатываемой воды в термостойкую колбу вместимостью 250 см3.

3.Поставить колбу на электроплитку.

4.Кипятить воду в течение 15 мин.

5.Охладить пробу.

6.Профильтровать через бумажный фильтр.

7.Провести определение всех видов жесткости в фильтрате обработанной жидкости, как описано в п. «Проведение анализа» в лабораторной работе 3.

Удаление жесткости активированным углем предполагает внесение активированного угля на 15 мин при постоянном перемешивании.

Ход работы

1. Определить все виды жесткости в воде, как описано в п. «Проведение анализа» лабораторной работы 3.

54

2.Поместить 100 см3 обрабатываемой воды в колбу вместимостью 250 см3.

3.Насыпать в колбу активированный уголь из расчета 2–3 г угля на 100 см3 обрабатываемой жидкости.

4.Оставить на 15 мин, периодически перемешивая.

5.Отфильтровать обработанную пробу через бумажный фильтр.

6.Провести определение всех видов жесткости в фильтрате обработанной жидкости, как описано в п. «Проведение анализа» лабораторной работы 3.

Удаление жесткости с помощью реагентов предполагает внесе-

ние в обрабатываемую жидкость химического вещества, которое связывает находящиеся в воде ионы Ca(II) и Mg(II) и переводит их в нерастворимую форму для дальнейшего удаления его с помощью фильтрации. Для достижения максимального эффекта необходимо рассчитать точную дозу реагента, исходя из стехиометрического соотношения.

1. Гидрооксид кальция. При умягчении воды протекают следующие реакции:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → MgCO3 +CaCO3↓ + 2H2O MgCO3 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaCO3↓

Объем раствора гидроксида кальция рассчитывают по формуле

где ( )2 – объем раствора гидроксида кальция, см3;

МЭ – молярная масса эквивалента вещества Ca(OH)2, г/моль;( )2 – концентрация раствора Ca(OH)2, мг/см2;

V – объем обрабатываемой пробы воды, дм3.

2. Карбонат натрия. При умягчении воды протекают следующие реакции:

Ca(HCO3)2 + Na2CO3 → CaCO3↓+ 2NaHCO3

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓+ Na2SO4

MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3↓+ Na2SO4

Объем раствора карбоната натрия рассчитывают по формуле

55

МЭ – молярная масса эквивалента вещества Na2CO3, г/моль;2 3 – концентрация раствора Na2CO3, мг/дм3.

3. Фосфат натрия. При умягчении воды протекают следующие реакции:

3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓+ 3Na2SO4

3MgCl2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓+ 6NaCl 3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 6NaHCO3 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 →Ca3(PO4)2↓+ 6NaHCO3

Объем раствора фосфата натрия рассчитывают по формуле

Ход работы

1.Определить все виды жесткости в воде, как описано в п. «Проведение анализа» лабораторной работы 3.

2.Поместить 100 см3 обрабатываемой воды в колбу вместимостью 250 см3.

3.Добавить в воду рассчитанный объем реагента согласно фор-

мулам (3.8)–(3.10).

4.Перемешать жидкость в течение 1 мин и оставить на 15 мин.

5.Отфильтровать обработанную пробу через бумажный фильтр.

6.Провести определение всех видов жесткости в фильтрате обработанной жидкости, как описано в п. «Проведение анализа» лабораторной работы 3.

Обработка и оформление результатов

Для сравнения используемых методов обработки воды с целью умягчения необходимо рассчитать эффективность (Э, %) при использовании каждого метода по формуле

где ЖК – жесткость воды после обработки, ммоль/дм3; ЖН – жесткость воды до обработки, ммоль/дм3.

По результатам измерений и расчетов заполняют табл. 3.4.

56

Сделать выводы по работе. Сравнить эффективность методов умягчения. Для использованных методов необходимо оценить соответствие конечной жесткости воды (ЖК) предельно допустимым концентрациям.

Таблица 3.4

Сравнительная характеристика методов умягчения

Контрольные вопросы

1.Дайте определение понятия «умягчение воды».

2.Дайте основные характеристики и условия применения реагентного метода умягчения воды.

3.Какие реагенты используются для реагентного умягчения? Приведите реакции.

4.Дайте основные характеристики и условия применения ионного метода умягчения воды.

5.Дайте основные характеристики и условия применения термического метода умягчения воды.

6.Дайте основные характеристики и условия применения диализного метода умягчения воды.

7.Приведите четыре гипотетические теории модели действия полупроницаемых мембран.

8.Поясните сущность магнитной обработки воды.

9.Рассчитайте количество реагента (Ca(OH)2, Na2CO3, Na3PO4), необходимое для умягчения воды объемом 2,0 м3 с исходной общей жесткостью 12 °Ж. Концентрацию реагента примите равной его концентрации, использованной в лабораторной работе.

57

4 . О Б Е З З А Р А Ж И В А Н И Е В О Д Ы И М Е Т О Д Ы Д Е Х Л О Р И Р О В А Н И Я

Обеззараживание питьевой воды – под этой фразой понимают различные мероприятия по удалению из воды вирусов и бактерий, которые могут вызывать различные инфекционные заболевания.

В технологии водоподготовки существует много методов обеззараживания воды, которые условно можно разделить на два основных класса – химические и физические. В химических методах обеззараживание достигается введением в воду биологически активных соединений. При физических методах вода подвергается обработке различными физическими воздействиями. Выбор способа обеззараживания зависит от множества факторов: источника водоснабжения, биологических особенностей микроорганизмов, экономической целесообразности и т. д.

4 . 1 . Ф и з и ч е с к и е м е т о д ы о б е з з а р а ж и в а н и я

Физическая группа методов является самой обширной. К физическим методам обеззараживания воды относят ультразвуковое и ультрафиолетовое излучение, серебрение, кипячение, обратный осмос, электрокоагуляцию, представленные в табл. 4.1.

58

Продолжение табл. 4.1

59

4 . 2 . Х и м и ч е с к и е м е т о д ы о б е з з а р а ж и в а н и я

Для обеззараживания воды в настоящее время применяют хлор, бром, йод, двуокись хлора, соли хлорноватой и хлорноватистой кислот, озон, перманганат калия, перекись водорода, поскольку сильные окислители, окисляя энзимы бактериальных клеток, убивают бактерии. Процесс обеззараживания воды сильными окислителями проходит две ступени: сначала обеззараживающий агент диффундирует через оболочку внутрь клетки микроорганизма, а затем вступает в реакцию с энзимами внутри клетки.

60