32

9.3.Фосфатный метод.

9.4.Натронный метод.

10. Физико-химические методы умягчения воды.

10.1.Схема катионитового фильтра.

10.2.Схема установки для полного обессоливания воды с применениемио-

нообмена.

4.1.Подготовка воды

Вразличных производствах химической промышленности вода используется чрезвычайно широко. Она применяется как универсальный растворитель для большого числа твердых, жидких и газообразных веществ. Велико ее значение и как химического сырья в производствах водорода, серной и азотной кислот, едко-

го натра, извести, в различных реакциях гидратации и гидролиза. Кроме техноло-

гических целей, в еще больших размерах вода используется как теплоноситель и хладоагент. При помощи воды осуществляется, например, теплоотвод из зоны ре-

акции в экзотермических процессах. Водяной пар и нагретая (или перегретая) во-

да применяются для подвода тепла в эндотермических процессах, для нагревания взаимодействующих веществ и для ускорения многих процессов.

Поскольку вода является хорошим растворителем, природные воды содержат разнообразные примеси. К воде, применяемой для технологических и для тепло-

технических целей, предъявляют жесткие требования в отношении содержания в ней растворенных веществ, механических примесей, микроорганизмов и т. п.

Природные воды делятся на три вида, значительно различающиеся по содер-

жанию примесей

1. Атмосферная вода – дождевая и снеговая – содержит растворенные угле-

кислоту, иногда окислы азота, серы, органические примеси и пыль.

2. Поверхностные воды – речные, озерные, морские – сверх примесей, со-

держащихся в атмосферной воде, имеют в своем составе двууглекислые соли кальция, магния, натрия, калия, а также сернокислые и хлористые соли. Наиболее богата солями морская вода.

33

Вода, содержащая менее 1 г солей в 1 кг, называется пресной, 1 - 10 г – соло-

новатой, 10 - 50 г – соленой, более 50 г – рассолом.

3. Подземные – ключевые, колодезные, артезианские – образуются в резуль-

тате накапливания в подземных резервуарах атмосферной воды, попадающей в них при прохождении через водопроницаемые слои почвы; при этом происходит ряд химических реакций с минеральными и органическими веществами почвы и горных пород. Подземные воды, насыщенные различными солями (рассолы), мо-

гут служить сырьем для получения тех или иных химических продуктов. Так, из рассола хлористого натрия можно получить соду, едкий натр, хлор.

Воды всех видов содержат также различные количества бактерий, грибков и других микроорганизмов.

Основными показателями качества воды являются ее прозрачность, темпера-

тура, цвет, запах, общее солесодержание, жесткость, окисляемость и реакция во-

ды.

Общее солесодержание характеризуется наличием в воде минеральных и ор-

ганических примесей. Количество примесей определяют по сухому остатку

(мг/дм3 ) испарением 1 кг воды и высушиванием остатка при 110°С до постоянной

массы.

Прозрачность воды измеряется толщиной слоя воды, через который можно различить визуально или при помощи фотоэлемента изображение какого-либо шрифта (креста, треугольника и пр.).

Жесткость воды выражается числом грамм-эквивалентов ионов Ca2+ и Mg2+,

содержащихся в 1 м3 воды.

Жесткость воды является одним из наиболее важных показателей качества воды.

Принята следующая классификация природных вод по жесткости (табл.6).

34

Таблица 6

Классификация природных вод по жесткости

Различают временную, постоянную и общую жесткость воды.

Временная (карбонатная или устраняемая) жесткость hК обусловлена нали-

чием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, которые легко удаляются из воды при кипячении и выпадают в виде осадка - накипи.

Постоянная (некарбонатная) жесткость воды hН обусловлена наличием в во-

де хлоридов, сульфатов, нитратов и других некарбонатных солей кальция и маг-

ния: CaCl2, MgCl2, CaSO4, MgSO4, CaSiO3, MgSiO3 и др.

Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью:

hО =h К + h Н .

Щелочность воды. Общей щелочностью воды Щ называется выраженная в

о

г-экв/м3 суммарная концентрация содержащихся в воде анионовOH - , HCO 3- ,

2 - 3- - 2 -

CO 3 , PO 4 , HSiO 3 , SiO 3 и некоторых солей слабых органических кислот.

Окисляемость воды определяется количеством миллиграммов перманганата калия, израсходованного при кипячении 1 дм3 воды с избытком KMnO4 в тече-

ние 10 минут.

Перманганатом калия окисляются не только содержащиеся в воде органиче-

ские вещества, но и некоторые легкоокисляющиеся минеральные вещества.

35

Реакция воды. Кислотность и щелочность воды характеризуются концентра-

цией ионов водорода и водородным показателем pH.

pH речной воды обычно не выходит за пределы 6,5 - 7,5.

В природных водах, кроме свободной углекислоты, находящейся в них в

виде растворенного углекислого газа CO2, и недиссоциированных молекул уголь-

ной кислоты H2CO3, содержатся ионы HCO 3- и CO 32 - . Количественное соотно-

шение между CO2, H2CO3, HCO 3- , CO 32- определяют значения рН воды (табл. 7). Таблица 7

Соотношение угольной кислоты в воде при 25°С и различных значениях pH, %

В таблице 8 приведены соотношения различных форм кремневой кислоты при 25°С в зависимости от величины pH. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в поверхностных водах, значение pH которых близко к 7, вторая ступень диссоциации кремневой кислоты практически не возникает.

36

Таблица 8

Соотношение форм кремневой кислоты в воде при 25° С и различных значениях pH, %

Использованию воды в производстве предшествует соответствующая подго-

товка, зависящая от наличия в ней примесей и требований производства. Приме-

няемая в производственных процессах вода не должна содержать вредных для ре-

акции веществ, корродировать аппаратуру и образовывать в аппаратах и трубах накипь и шлам. Примеси обычно содержатся в воде в виде растворов, коллоидных или механических взвесей.

К основным операциям водоподготовки относятся очистка от взвешенных примесей и умягчение, а в некоторых случаях нейтрализация, обессоливание, де-

газация, обеззараживание.

От механических примесей вода освобождается отстаиванием или фильтро-

ванием через слой песка или гравия. Осветление воды или коагуляцию коллоид-

ных примесей производят добавкой коагулянтовAl2(SO4)3, FeSO4, NaAlO2 или флокулянтов (ускорители образования хлопьев) – коллоидной кремнекислоты,

природных и синтетических полимеров.

Фильтрование воды для очистки от примесей обычно следует за отстаива-

нием. Наиболее часто применяются песочные фильтры. Важно учитывать, что при фильтровании через песок, без добавления каких-либо реагентов для коагулиро-

вания, нельзя получить совершенно чистую воду.

Умягчение – это частичное или полное удаление солей кальция и магния.

Удаление из воды всех солей, т.е. катионов и анионов, называется обессоливани-

ем воды.

37

Способы умягчения воды подразделяются на физические, химические и фи-

зико-химические.

Физические способы: термический (кипячение при t =100°–105°С удаляет соли временной жесткости), дистилляция и вымораживание.

Химические способы умягчения воды заключаются в обработке ее химиче-

скими реагентами, в результате чего ионы кальция и магния связываются в нерас-

творимые и легко удаляемые соединения.

Физико-химические методы умягчения воды разделяются на мембранные ме-

тоды и ионообменные методы.

В зависимости от применяемых химических реагентов различают четыре хи-

мических метода умягчения воды. 1. Известковый способ.

Суммарные реакции устранения временной жесткости известковым спосо-

бом описываются следующими реакциями: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 = 2CaCO3 + Mg(OH)2 + H2O 2. Содовый способ.

Вода обрабатывается кальцинированной содой, при этом устраняется посто-

янная жесткость:

3. Натронный способ.

Вода обрабатывается гидроксидом натрия, устраняется временная жесткость и связывается CO2.

Ca(HCO3)2 + 2NaOH = CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O

Mg(HCO3)2 + 4NaOH = Mg(OH)2 + 2Na2CO3+2Н2О

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O

Данные методы позволяют лишь грубо умягчить воду (до 0,3 г-экв/м3).

38

4. Фосфатный способ.

Применяя в качестве умягчителя тринатрийфосфатNa3PO4, устраняющий временную и постоянную жесткость, можно получить более полное умягчение (до

0,03 г-экв/м3).

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 = Ca3(PO)4 + 6NaHCO3

3MgCl2 + 2Na3PO4 = Mg3(PO4)2 + 6NaCl

Вода с небольшой жесткостью или после грубого умягчения наиболее - эф фективно может быть умягчена, а также обессолена методомионного обмена.

Сущность метода заключается в том, что некоторые твердые труднорастворимые минеральные и органические вещества способны извлекать из растворов одни ка-

тионы или анионы в обмен на содержащихся в них другие. Для поглощения из воды ионов Ca2+, Mg2+, Fe3+ применяют катиониты – сульфоуголь или высокомо-

лекулярные смолы, содержащие активные группы с ионами H+, Na+ или NH4+.

Процессы катионного обмена могут быть представлены следующим образом: 2(Кат)H + Ca(HCO3)2 → (Кат)2Ca + 2CO2 + 2H2O

2(Кат)Na + CaSO4 → (Кат)2Ca + Na2SO4

2(Кат)Na + Mg(HCO3)2 → (Кат)2Mg + 2NaHCO3

(Кат)H + NaCl → (Кат)Na+ HCl и т. п.

Для полного обессоливания (деионизации) воды после катионитного фильтра ее пропускают через анионитовый.

(Ан)OH + HCl → (Ан)Cl + H2O 2(Ан)OH + H2SO4 → (Ан)2SO4 + 2H2O

Катионит и анионит регенерируют при обработке их растворами щелочей,

кислот или хлористого натрия, например

(Кат)2Ca + 2NaCl → 2(Кат)Na +CaCl2

(Кат)2Ca + 2HCl → 2(Кат)H + CaCl2

(Кат)2Mg + H2SO4 → 2(Кат)H + MgSO4

(Ан)Cl + NaOH → (Ан)OH + NaCl