Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия биосферы. Учебное пособие для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»
.pdf
41
электролитов. В связи с этим очистка цветных вод с повышенной степенью
минерализации протекает обычно лучше, чем легких, бедных солями вод.
Из описанного процесса обесцвечения следует, что коагуляции
подвергаются не коллоидные примеси воды, а образующиеся при гидролизе
коагулянтов гидроксиды. Вода очищается не в результате коагуляции, а
вследствие адсорбции различных коллоидных и ВМС примесей на поверхности
гидроксидов. Процесс коагуляции гидроксидов фактически приводит к удалению
отработанного сорбента из очищенной воды.
Характер осветления природных вод определяется свойствами взвеси: при
наличии крупных частичек вода осветляется благодаря их оседанию под
влиянием сил гравитации, а при наличии высокодисперсных – осветление воды
определяется их обменной катионной ёмкостью. Если эта ёмкость превышается
250 мг-экв/л, вода осветляется без добавления коагулянта в результате сжатия
двойного электрического слоя за счет обмена одновалентных ионов на двух – и
трёхвалентные.
Природные воды обычно содержат взвесь со значительно меньшей
обменной ёмкостью. В этом случае эффективное хлопьеобразование наступает
лишь при добавлении коагулянта, образующего гидроксид, к хлопьям которого
прилипают частички взвеси, или он сам обволакивает взвещенные вещества.
Большое значение имеет также ортокинетическая коагуляция вследствие
захватывания взвеси сеткой оседающих хлопьев гидроксида.
Из сказанного следует, что процесс коагулирования зависит, прежде всего
от солевого состава воды, главным образом от её анионного состава, поскольку
Аl(ОН)3 и Fe(ОН)3 заряжены положительно и коагулирующими ионами для них
являются анионы. Самыми распространёнными анионами большинства
природных вод являются: SO
4
2-
, Cl – и НСО
3
-
. Концентрация этих анионов,
обеспечивающая максимальную скорость коагуляции Аl(ОН)3 и Fe(ОН)3,
составляет, для SO
4
2-
– 0,001-0,002 н, для Cl– – 0,07 н и для НСО
3
–
0,005 н. В
природных водах концентрация указанных анионов обычно ниже, следовательно,
коагуляция гидроксидов протекает медленнее.
42
Флокулянтами в технологии химической очистки воды называются
вещества, интенсифицирующие процесс коагуляции гидроксидов Al 3+ и Fe3+. Они
принадлежат к классу линейных полимеров, для которых характерна цепочечная
форма макромолекул. Молекулярная масса флокулянтов находится в пределах от
десятков тысяч до нескольких миллионов, длина составляет сотни километров.
В качестве флокулянтов используют высокомолекулярные соединения,
хорошо растворимые в воде. По современным представлениям водные растворы
флокулянтов – истинные растворы, то есть гологенные однофазные
термодинамические устойчивые системы. Высокомолекулярные флокулянты
обычно делят на органические (природные и синтетические) и неорганические. В
качестве природные флокулянтов используется крахмал, водорослевую крупку,
белковые гидролизные дрожжи, картофельную мезгу, жмыхи и другое. Из
синтетических флокулянтов применяются, прежде всего, органический полимер
полиакриламид (ПАА). Выпускают также флокулянты катионного типа (марки
ВА – 2, ВА – 3), которые в отличие от ПАА (анионного типа) вызывают
образование крупных хлопьев без обработки примесей воды коагулянтами.
Наиболее распространённым неорганическим флокулянтом является
активированный силикат натрия – активная (активированная) кремниевая
кислота.
Крахмал – представляет собой смесь двух углеводов: линейного полимера –
амилозы и сильно разветвлённого полимера – амилопектина. Выделяются
крахмал из клубней картофеля, зёрен кукурузы, риса и других растений в виде
гранул, не растворимых в холодной воде.
Крахмал относят к флокулянтам анионного типа с большим отрицательным
зарядом. Флокулирующее действие его усиливают кислотной обработкой.
Флокулянты на основе крахмала применяют для обработки питьевой воды в ФРГ,
США, Франции, Нидерландах и других странах.
Полиакриламид (ПАА) – белое, аморфное, хорошо растворимое в полярных
растворителях, вещество, содержащее ионогенные группы. ПАА гидролизуется
водой, щелочами и кислотами с образованием акриловой кислоты и её солей.
43
ПАА относится по полиэлектролитам, диссоциирующим в воде на
высокомолекулярный поливалентный ион и катионы. Механизм действия этого
флокулянта основан на адсорбции его молекул на частичках Аl(ОН)3 или Fe(ОН)3,
образующихся при гидролизе солей – коагулянтов. Молекулы ПАА способны
образовывать ассоциаты фибриллярного типа – пачки длиной 130 нм.
У нас для очистки питьевой воды применяют два сорта технического ПАА –
известковой и аммиачной. Оба сорта ПАА выпускают в виде прозрачной желто –
зелёной желеобразной массы, прилипающей к дереву, ткани, бумаги.
ПАА разрешается использовать при условии, это содержание мономера –
акриламида в питьевой воде, определённое бромид – броматным методом, не
превышает 0,2%.
Флокулянт ВА – 2 представляет собой порошкообразный или 7 – 15%
подвижный раствор полиэлектролита. Молекулярная масса – (5 -.10) •104.
Флокулянт ВА – 2 взаимодействует с гумусовыми веществами, образуя
нерастворимые в воде агрегаты. Имея положительный заряд, он адсорбируется на
отрицательно заряженных колллоидно-дисперсных примесях воды, связывая их в
крупные агрегаты. Поэтому коагуляция в случае применения ВА – 2 происходит
без обычных минеральных коагулянтов – Al2(SO4)3 или FeCl3. Присутствующие в
воде высокомолекулярных гуминовых кислот образуют с флокулянтом ВА – 2
нерастворимые агрегаты. Фенольные и гидроксильные группы гуминовых кислот,
взаимодействуя с основными группами флокулянта, образуют
малодиссоциированные соли.
Неорганический флокулянт – активная кремниевая кислота (АК) –
представляет собой коллоидный водный раствор оксида кремния (SiO2),
полученный частичной или полной нейтрализацией силиката натрия.
Образующиеся молекулы кремниевой кислоты, конденсируясь, выделяются из
раствора в виде отрицательно заряженных коллоидных частичек. Механизм
взаимодействия АК с Аl(ОН)3 и Fe(ОН)3 объясняется либо взаимной коагуляции
разноимённо заряженных частичек, либо воздействием её на сверхмицеллярную
структуру, возникающую при обработке воды флокулянтами.
44
Использование флокулянтав на станциях обработки воды позволяет
ускорить в камерах хлопьеобразования и их осаждение, улучшить эффект
осветление воды и увеличить скорость её движения в очистных сооружениях. В
осветлителях со взвешенным осадком они способствуют увеличению
концентрации частичек во взвешенном слое и уменьшению выноса из него
взвешенных веществ при одновременном повышении скорости восходящего
потока воды. На фильтрах и контактных осветлителях применение флокулянтов
способствует удлинению времени защитного действия загрузки, улучшению
качества фильтрата, повышению скорости фильтрования и относительному
сокращению промывной воды. В ряде случаев применение флокулянтов
позволяет увеличить производительность действующих станций в 1,5 раза, а при
правильном сочетании с простейшими мероприятиями по реконструкции
сооружений еще больше.
5.3 Методы обессоливания и опреснения воды
Процесс удаления солей из воды в зависимости от степени их извлечения
называется обессоливанием или опреснением. При обессоливании воды
концентрация растворенных солей снижается до предела, близкого к содержанию
их в дистиллированной воде; при опреснении – до концентрации, допустимой при
использовании воды для хозяйственно-питьевых целей.
Методы обессоливания и опреснения воды разделяют на две основные
группы: с изменением и без изменения агрегатного состояния.
К первой группе методов относятся дистилляция, нагревание воды до
сверхкритической температуры (3500С), замораживание, газогидратный метод.
Ко второй – ионообмен, электролиз, обратный осмос (гиперфильтрация),
ультрафильтрация, экстракция и другие.
Наиболее распространение в практике водообработки являются
дистилляция и ионообмен.
45
Выбор метода обуславливается качеством очищаемой воды, требованием к
качеству очищенной воды, производительностью установки и техникоэкономическими соображениями.
Стоимость обессоливания воды ионообменная сильно возрастает с
увеличением содержания соли в воде; одновременно снижается глубина
обессоливания.
Поэтому ионообменное обессоливание предпочтительно для воды со
степенью минерализации менее 1500 – 2000 мг/л и суммарным содержанием
хлоридов и сульфатом не более 5 мг – экв/л. При содержании солей в воде более
10 г/л – дистилляцию, замораживание или обратный осмос; 2,5 – 15 г/л –
электродиализ или гиперфильтрацию.
5.4 Ионообменный метод опреснения и обессоливание воды
Этот метод рекомендуется при содержании в исходной воде: солей до 1,5 –
2,0 г/л, сульфатов и хлоридов <5 мг–экв/л, взвешенных веществ <8 мг/л,
цветности воды< 30 град, перманганатной окисляемой не более 7 мг/л О2.
Метод основан на последовательном пропускании воды через Н+ –
катионитовые и ОН- , СО
3
2-
или НСО
3
-
– анионитовые фильтры. В результате
этого подвижные ионы ионитов замещаются содержащимися в воде катионами и
анионами
H[Kat] + NaCl =NA[Kat]+HCl (22)
2H[Kat]+Na2SO4 =2Na[Kat]+H2SO
4
(23)
2H[Kat]+Са(НСО3)2 = Са[Kat]2 + 2СО2↑+2Н2О (24)
При Н – катионировании на рабочую обменную ёмкость катионитов,
особенно, сульфоугля существенно влияет анионный состав воды и общее
солесодержание, выражающееся отношением концентрации ионов НСО
3
-
в воде к
сумме концентраций ионов НСО
3
-
, SO
4
2-
, Cl- и NО
3
-
. При повышении
46
солесодержания исходной воды с 1 до 15 мг-экв/л обменная емкость катионита
КУ – 2 снижает на 14%, а КУ – 1 на 27%. Соотношение [НСО
-
]/[Ан] не оказывает
3
заметного влияния на рабочую обменную емкость катионитов КУ – 1 и КУ – 2, но
сильно влияет на рабочую обменную емкость сульфоугля. Так, при [НСО
-
]/[Ан] =
3
0, (то есть гидрокарбонаты отсутствуют), рабочая обменная емкость сульфоугля
небольшая и уменьшается с увеличением солесодержания в воде.
При [НСО
-
]/[Ан] = 1 (в воде содержаться только гидрокарбонаты ) рабочая
3
обменная емкость сульфоугля увеличивается более, чем в 2 раза, а
солесодержание воды на рабочую емкость не влияет.
При пропускании воды через анионитовые фильтры анионы образующихся
кислот и содержание в исходной воде обмениваются на подвижные ионы
анионитов:
[Ан]2 СО3 + H2SO4 = [Ан]2 SO4 + СО2 + Н2О (25)
[Ан] НСО3 + HCl = [Ан] Cl + Н2О + СО2↑ (26)
2[Ан] ОН + H2SiО3 = [Ан]2 SiО3 + 2 Н2О (27)
Найболее часто применяются аниониты, в состав которых входят амино –
аммониевые химически активные функциональные группы. Аниониты,
содержащие первичные (-NН2), вторичные (=NН) и третичные (≡N)
амминогруппы характеризуются слабоосновными, а четвертичные аммониевые
группы (- N+R3) – сильноосновными свойствами. Слабоосновные аниониты
обладают реакционной способностью только в кислой среде, сильноосновные – в
кислой, нейтральной и основной средах. Также как и катиониты, аниониты могут
быть моно – и полифункциональными. Слабоосновные аниониты чаще бывают
полифункциональными.
Энергию вхождения различных анионитов в высокоосновный анионит по
их динамичной активности представляют следующим рядом:
ОН-<H2SiО
-
< НСО
3
-
< Cl- < H2РО
3
-
< NО
4
-
< SO
3
2-
4
(28)
47
Качество анионитов характеризуют теми же показателями, что и
катионитов. Однако рабочая обменная емкость анионитов, в отличие от
катионитов, повышается с повышением рН среды.
В зависимости от требуемой глубины опреснения воды проектируются
одно- , двух– и трех- ступенчатые установки. Во всех случаях для удаления из
воды ионов металлов применяются сильнокислотные Н-катиониты с большой
обменной емкостью.
Воду опресняют в одноступенчатых анионитовых участках, в которых её
последовательно пропускают через группу фильтров со слабоосновным
анионитом. СО2 удаляют в дегазаторе.
Через ионитовую установку пропускают лишь часть воды так, чтобы после
смешения её с остальной водой обеспечить в опресненной воде содержание солей,
отвечающее требованиям потребителя: для хозяйственно – питьевых целей оно
должно составлять 500-1000 мг/л, при концентрации хлоридов не более 350,
сульфатов не более 500 мг/л и их суммы долей ПДК не более 1.
Остаточное содержание солей при одноступенчатой схеме ионирования
составляют не более 20 мг/л, содержание кремния не снижается.
Электропроводность растворов электролитов, к которым относятся и
природные воды, обусловлена перемещением ионов. Опреснение воды
электродиализом (электрохимическое опреснение) основано на том, что при
пропускании через неё постоянного тока катионы перемещаются к катоду, а
анионы – к аноду. Отделив катодное и анодное пространства от остального
объёма воды проницаемыми для ионов диафрагмами, в промежуточном
пространстве можно получить воду со значительно меньшей степенью
минерализации, чем в исходной воде.
Количество электричества на обессоливание воды Q определяется по закону
Фарадея:
Q=26,8 (Сн –Ск),
(29)
48
где Сн и Ск – начальная и конечная концентрация солей в воде, г-экв/л.
В обычных трёх – камерных электродиализаторах с пористыми
диафрагмами выход по току очень низкий вследствие бесполезного переноса Н+ и
ОН- ионов, перемещения ионов растворенных солей из электродных камер в
среднюю камеру.
Поэтому электродиализ начали использовать для этих целей только с
появлением селективных мембран – анионо- и катионопроницаемых, обладающих
хорошей электропроводностью и большим сопротивлением диффузии.
Их применение позволило создать много – камерные электродиализаторы
(до 100-200 камер) с приемлемым для практики расходом электроэнергии.
Селективные мембраны изготавливают из ионитовых материалов –
катионитов и ионитов. Мембраны могут быть гомогенными, гетерогенными и
пропиточными. Первые целиком состоят из ионитового материала, вторые
приготавливают из тонкоизмельченного ионита и пленкообразующего вещества,
третьи получают пропиткой пористых листовых материалов веществами,
способными образовывать ионообменные смолы. Важнейшими характеристиками
являются их электропроводность и селективность. Электропроводность
ионитовых мембран часто выражают их поверхностной электропроводностью.
Селективность мембран характеризуют числом переноса: для идеально
селективных мембран оно равно 1.
Отечественной промышленностью выпускались катионитовые мембраны
ДКУ, ДКБ, ДПУ, ДПБ, МК-1, МК-40, и другие, анионитовые ДАН, ДАВ, ДАВ-17,
МА 40 и другие.
Основным элементом электрохимической опреснительной установки
является многокамерный электродиализатор, обычно фильтр – прессового типа.
Каждая камера ограничена с одной стороны анионитовой, а с другой
катионитовой мембранами. Чередование камер и мембран используются для
циркуляции опресняемой воды (диализата) и рассола, в котором накапливается
извлекаемые из воды ионы.
49
Метод электролиза целесообразно применять для опреснения воды с
содержанием солей от 1,5 до 15г/л; солесодержание опресненной воды не ниже
500 мг/л. В ванну можно подавать воды, содержащую не более 1,5 мг/л
взвешенных веществ, 0,05-железа и марганца, 3–боратов(в пересчете на ВО2), с
цветностью 20 град и окисляемостью 5 мг/л О2, брома не более 0,4 мг/л.
Метод опреснения и обессоливания воды электродиализом удобен и прост в
эксплуатации, он легко поддается регулированию и автоматизации.
50
МОДУЛЬ 2 ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ И ПОЧВЫ
ТЕМА 6. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
6.1 Состав атмосферы и свойства составляющих ее газов
6.2 Химические источники газов в атмосфере
6.3 Химические источники выведения газов из атмосферы (стоки)
6.4 Времена пребывания следовых веществ в атмосфере
6.1 Состав атмосферы и свойства составляющих ее газов
Атмосфера – газовая оболочка Земли – простирается более чем на 1500 км
от ее поверхности. Суммарная масса атмосферы составляет (5,1-5,3) 1015т.
Молекулярная масса – 28,966, давление при 0о С на уровне моря – 1013,25 гПа.
Растворимость воздуха в воде при 50о С – 0,036% при 25о С – 0,22%.
Для атмосферы характерен постоянный обмен веществом и энергией с
гидросферой, литосферой и живыми организмами, а также с космическим
пространством. Плотность, давление и состав воздуха непрерывно меняется при
увеличении расстояния от поверхности Земли. Атмосферу делят на оболочки –
тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу и экзосферу (сферу рассеяния).
Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют
соответственно тропопауза, стратопауза и т.п.
Высота ближайшей к Земле части атмосферы – тропосферы составляет 8-10
км у полюсов и 16-18 км у экватора. В тропосфере сосредоточено около 80% по
массе газов атмосферы. Основные компоненты сухого чистого воздуха у
поверхности земли следующие:
N2 – 78,1, О2 – 20,9, Аr – 0,93, СО2 – 0,032, Nе – 0,01, N2О – 5.10-5, О3 – 2.10-7, Н2 –
5.10-5, Не – 4,6.10
7,6.10-5, 7,2.10
-6
(% по объему) и 75,5, 23,1, 1,28, 0,046, 0,02, 7,7.10-8, 3,3.10-6,
-5
(% по массе).
Кроме указанных выше газов в атмосферы содержатся Н2О,(,02-4% по
массе), SО2, СН4, NН3, СО, NО, углеводороды НСl, HF, пары Hg, I, Rn, Хе и др. В
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]