50. Вода у виробництві непродовольчих товарів. Класифікація води. Промислова водо підготовка. Способи пом’якшення води.

При вивченні даної теми зверніть увагу на те, що у виробництві продукції використовується лише прісна вода. Нині загальні запаси прісної води на землі становить більше 35 млн км. Але 69% світових запасів прісної води зосереджено у вигляді льоду в районах, де населення майже відсутнє, майже 30% залягає в поверхневих шарах земної кори, але лише деяка частина води доступна до використання.

Одним з основних споживачів води є промисловість, яка використовує близько 55% загального обсягу споживання. Безпо-середньо в технології виробництва товарів використовується 15% води (виробництво синтетичних волокон, тканини, випікання хліба, виробництво цукру і т. п.). Найбільше води потребують виробництва, що базуються на хімічних технологічних процесах.

Особливу увагу при вивченні теми слід звернути увагу на раціональне використання та охорону води. Ознайомтесь також з методами очищення стічних вод – механічними, хімічними, фізико-хімічними та біологічними. Для очищення питної води застосовується також екологічно чиста технологія сьогодення і майбутнього – електрохімічна активація. При застосуванні даного методу очищення вода набуває властивостей каталізатора біохімічних реакцій в організмі людини, сприяє виведенню шлаків та зміцненню імунної системи

Класифікація вод — поділ природних вод за хімічним складом, йонним складом, сольовим та газовим складом, мінералізацією, фізичними властивостями, наявністю специфічних компонентів тощо.

Виділяють:

• Класифікація вод за О.А.Алекіним

• Класифікація вод за В.А.Александровим

• Класифікація вод за В.В.Івановим та Г.А.Невраєвим

• Класифікація вод за В.Т.Малишеком

• Класифікація вод за мінералізацією

• Класифікація вод за хімічним складом

Класифікація вод за О. А. Алекіним[ред. • ред. код]

Класифікація вод за О. О. Алекіним (Олег Олексадрович Алекін) (рос. классификация вод по О.А.Алекину; англ. O.A.Alekin’s classification; нім. O.A.Alekin–Klassifikation f) — розподіл природних вод на основі принципу поділу хімічного складу води за переважаючими йонами з поділом за кількісним співвідношенням між ними. Переважаючими вважаються йони з невеликим відносним вмістом у відсотках в перерахунку на кількість речовини еквівалента. За переважаючим аніоном природні води поділяють на 3 класи:

гідрокарбонатних та карбонатних вод (більша частина маломінералізованих вод річок, озер, водосховищ та деякі підземні води);

сульфатних вод (проміжні між гідрокарбонатними та хлоридними водами, що генетично пов'язані з різними осадовими породами);

хлоридних вод (високомінералізовані води океану, морів, солоних озер, підземні води закритих структур тощо). Кожен клас за переважаючим катіоном підрозділяється на три групи: кальцієву, магнієву та натрієву. Кожна група в свою чергу підрозділяється на чотири типи вод, що визначаються співвідношенням між вмістом йонів у відсотках в перерахунку на кількість речовини еквівалента:

І. НСО3->Ca2++Mg2+;

ІІ. HCO3-<Ca2++Mg2+<HCO3-+SO42-;

ІІІ. HCO3-+SO42-<Ca2++Mg2+ або Cl->Na+;

IV. HCO3- = 0.

Типи води[ред. • ред. код]

Води типу І

утворюються в процесі хімічного вилуговування вивержених порід або при обмінних процесах йонів кальцію та магнію на йон натрію. Найчастіше вони маломінералізовані, виняток складають води безстічних озер.

Води типу ІІ

змішані. Їх склад може бути пов'язаний генетично як з осадовими гірськими породами, так і з продуктами вивітрювання вивержених порід. До цього типу належить вода більшості рік, озер та підземні води з малою та помірною мінералізацією.

Води типу ІІІ

метаморфізовані. Вони включають будь-яку частину сильно мінералізованих природних вод або вод, що піддаються катіонному обміну йонів натрію на йони кальцію та магнію. До цього типу належить вода океанів, морів, лиманів (морських), реліктових водоймищ тощо. До IV типу вод, що характеризується відсутністю НСО3- , належать кислі води — болотні, шахтні, вулканічні або води, що дуже забруднені промисловими стічними водами.

Води типу IV

належать тільки до сульфатного та хлоридного класів, де не може бути вод типу І. Можливість існування природних вод інших класів (нітратний, боратний) не виключена, але надто малоймовірна. Більш реально переважання в деяких водах кремнієвої кислоти, але вона майже цілком недисоційована і не врівноважує катіонів. Виділення в окремий клас природних вод з переважанням органічної речовини неможливе, оскільки органічна речовина природних вод характеризується дуже складною сумішшю.

Для короткого позначення 27 видів природних вод застосовуються символи. Клас позначається символом, що виведений із назви відповідного аніона (С, S, Cl), а група — своїм хімічним символом, який проставляється у вигляді степені до символу класу. Належність до типу означає римська цифра в індексі до символу класу.

Класифікація вод за В.А.Александровим (рос. классификация вод по В.А.Александрову; англ. V.A.Alexandrov’s classification; нім. V.A.Alexandrow-Wasserklassifikation f) – розподіл природних вод на п’ять класів у перерахунку на кількість речовини еквівалента аніону, вміст якого перевищує 12,5% (якщо вважати суму кількості речовини еквівалентів аніонів за 50%), кожен із яких поділяється за переважаючими катіонами.

Першими чотирма класами є гідрокарбонатний, сульфатний, хлоридний та нітратний.

П’ятий клас змішаний і включає природні води, що містять одночасно різні аніони в концентраціях понад 12,5%.

Крім цих класів, що поділяються за йонним складом, передбачається одночасний поділ природних вод за їх особливими властивостями:

А – води з активними йонами:

а) залізисті (Fe>10 мг/дм3);

б) арсенисті (As>1 мг/дм3);

в) йодо-бромисті (Br>25 мг/дм3, J>10 мг/дм3);

г) кременисті (Н2SiO3>50 мг/дм3);

д) з іншими активними йонами (F, B, Li, Co та інші);

Б - газові води:

а) вуглекислі (СО2>0,75 г/дм3);

б) сірководневі (Н2S>10 мг/дм3);

в) радонові (Rn>13,4х103Бк/м3);

г) інші газові води (азотні, метанові та інші);

В - термальні води:

а) теплі (температура 20-37 0С);

б) гарячі (температура більше 37 0С).

Класифікація вод за В.А.Александровим служить для характеристики лікувальних мінеральних вод.

Класифікація вод за В.В.Івановим та Г.А.Невраєвим (рос. классификация вод по В.В.Иванову и Г.А.Невраеву; англ. V.V.Ivanov's and G.A.Nyevzayev’s classification; нім. Wasserklassifikation f nach V.V.Iwanow und G.A.Newrajew) – розподіл мінеральних вод на 97 типів підземних вод, які розрізняються за сольовим та газовим складом, мінералізацією, фізичними властивостями, наявністю специфічних компонентів. Автори класифікації пропонують виділити 8 основних бальнеологічних груп мінеральних вод:

1) без специфічних компонентів і властивостей – переважно хлоридні та сульфатні мінеральні води з мінералізацією від 2 до 150 г/дм³ та газовим складом, що охоплює азот та метан. Характерні типи: московський (Останкіно), іжевський, баталінський, староруський, ташкентський тощо;

2) вуглекислі мінеральні води, що містять високі концентрації діоксиду вуглецю (більш 500-1400 мг/дм³) і належать до гідрокарбонатного класу (за класифікацією О.А.Алекіна) з мінералізацією від часток грама до 90 г і більше в 1 дм³. Характерні типи: боржомі, нарзан;

3) сульфатні сірководневі, що містять сірководню не менше 10-11 г/дм³. Є велика різноманітність хімічного складу, мінералізації та концентрації сірководню – серед них зустрічаються гідрокарбонатні, сульфідні, хлоридні води. Мінералізація сульфідних вод може сягати гранично високих значень (до 535 г/дм³). Характерні типи: мацестинський, іркутський тощо;

4) залізисті, арсенисті мінеральні води та води з великим вмістом марганцю, алюмінію, міді, цинку та інших металів. Для віднесення мінеральних вод до залізистих концентрація заліза повинна бути 20 мг/дм³ і більше, до арсенистих - концентрація арсену 0,7 мг/дм³ та більше. Рудні та шахтові води часто належать до кислих залізистих сульфатних вод, які містять декілька грамів заліза в 1 дм³ і мають високу мінералізацію води - до 80 г/дм3. Одним з представників арсенистих вод є вода “полюстрово” (Санкт-Петербург);

5) бромисті та йодисті мінеральні води з високим вмістом брому (не нижче 25 мг/дм³) і йоду (не нижче 5 мг/дм³). Йодо-бромисті води зустрічаються в Україні, на Північному Кавказі, в Сибіру та Середній Азії;

6) мінералізовані води з високим вмістом органічних речовин. Типовим представником цієї групи мінеральних вод є вода “нафтуся” (Карпати);

7) радонові мінеральні води, що містять більше 185 Бк/дм³ радону. До них належать мінеральні води Цхалтубо та П’ятигорська;

8) кременисті терми - гарячі води з температурою вище 35 0С, що містять не менше 50 мг/дм³ кремнієвої кислоти. Мінералізація таких вод помірно висока (до 10-15 г/дм³). Ці води поширені на Північному Кавказі, Тянь-Шані, Камчатці.

Класифікація вод за В.Т.Малишеком (рос. классификация вод по В.Т.Малышеку; англ. V.T.Malyshek’s classification of natural waters; нім. V.T.Malyschek–Naturgewässerklassifikation f) – розподіл природних вод за їх поверхневою активністю на групи вод:

а) н е а к т и в н и х - всі тверді води (річкові, підруслові, тверді пластові, морські), які не здатні при контакті з нафтами нейтралізувати їх поверхневу активність;

б) м а л о а к т и в н и х - пластові води нафтових родовищ та інші поверхневі води перехідного типу від твердих до лужних, які характеризуються незначним вмістом солей кальцію і магнію, здатних обмилювати частину органічних кислот;

в) а к т и в н и х - лужні пластові води, в т.ч. води нафтових родовищ, що містять поряд з лужними солями натрію і калію, також натрієві солі органічних кислот; активність лужних вод залежить як від концентрації лужних солей і кількості мил органічних кислот, так і від характеристики йонів, які зумовлюють лужність води (кількості йонів НСО3- , СО32-, ОН- та інш.);

г) в и с о к о а к т и в н и х - концентровані лужні розсоли, які отримані в результаті випаровування лужних пластових вод у спеціальних басейнах або природних озерах; в результаті випаровування має місце перехід йонів НСО3- в йони СО32- , що зумовлює швидше омилювання органічних кислот нафти, та збільшення концентрації солей органічних кислот.

Класифікація природних вод за мінералізацією — розподіл природних вод за мінералізацією (за сумою іонів, що встановлені у воді хімічним аналізом).

О.О.Алекін (1970) запропонував такий поділ природних вод за мінералізацією:

• прісні - менше 1 ‰;

• солонуваті - 1-25 ‰;

• солоні - 25-50 ‰;

• розсоли - понад 50 ‰.

Існують градації мінералізації води й у вужчих межах, щодо певних водних об’єктів або районів. Така класифікація дає змогу провести розподіл природних вод в загальних рисах, не враховуючи особливостей відносного іонного складу. Однак урахування мінералізації води необхідне, тому ця класифікація повинна доповнювати класифікації, що основані на інших принципах. Важливо знати, що за нормативними вимогами мінералізація природних вод - джерел питного водопостачання не повинна перевищувати 1000 мг/дм³ (1 г/дм³, 1 ‰ ).

В.К. Хільчевським (2003) була розроблена класифікація природних вод за мінералізацією, в якій значною мірою враховані сучасні практичні та екологічні вимоги до якості вод, їх використання та охорони:

Класифікація вод за хімічним складом (рос. классификация вод по химическому составу; англ. classification of natural waters according to chemical composition; нім. Naturgewässerklassifikation f nach der chemischen Zusammensetzung f) – розподіл природних вод за хімічним складом на класи за певною загальною ознакою, що складає систему.

Основою для систематизації в існуючих класифікаціях є різні ознаки: мінералізація, концентрація переважаючого компонента або груп їх, співвідношення між концентраціями різних йонів, наявність підвищених концентрацій будь-яких специфічних компонентів - газового (СО2, Н2S, СН4 тощо) або мінерального (F, Ra та інші) складу. Відомі спроби класифікувати природні води згідно із загальними умовами, в яких формується їхній хімічний склад, а також за гідрохімічним режимом водних об’єктів. Іноді застосовують і класифікації, що основані на утворенні гіпотетичних солей.

До найвідоміших належать класифікації Пальмера, С.А.Шукарєва, І.Толстихіна, В.А.Суліна, О.А.Алекіна. Для мінеральних вод раніше застосовували класифікацію за В.А.Александровим, сьогодні - за В.В.Івановим та І.А.Невраєвим; для розсолів використовується класифікація за М.Г.Валяшком. Для поверхневих вод найчастіше застосовується класифікація за О.А. Алекіним.

Природні води можна класифікувати за різними ознаками:

а) за температурою, °С:

холодні:

переохолоджені 0,

дуже холодні 0-10,

холодні 10-20;

низькотермальні:

теплі 20-37,

гарячі 37-50;

високотермальні:

дуже гарячі 50-100,

перегріті > 100;

б) за місцем розташування:

метеорні – атмосфера;

поверхневі – океани, моря, озера, річки;

підземні – земні надра;

в) за різним станом у гірських породах:

у вигляді пари – міститься у незаповнених пустотах і порах порід, дуже рухома, може конденсуватись;

гігроскопічна – вкриває тонкою плівкою частинки породи, міцно утримується молекулярними та електричними силами;

плівка – вкриває частини породи товстішою плівкою, може рухатись, але підвладна силі тяжіння;

гравітаційна, або вільна – підкоряється силі тяжіння і передає гідростатичний тиск. Це, зокрема, капілярна вода, яка може підійматися всупереч гравітації, наприклад у легких глинах – на висоту до 12 м, щоправда, за дуже тривалий час (близько року);

у формі льоду – заповнює тріщини в породах або залягає у формі пластів;

г) за вмістом розчинених речовин, г/л:

прісні < 1;

мінералізовані 1-25;

з морською солоністю 25-50;

розсоли > 50;

д) за ступенем забрудненості виділяють шість класів якості води

(Единые критерии качества вод. − М., 1982):

1-й клас – вода дуже чиста. Її використовують в усіх галузях економіки без попередньої підготовки, для питного водоспоживання із знезаражуванням;

2-й клас – вода чиста. Питне водоспоживання потребує досить складної водопідготовки (хлорування), в інших галузях таку воду використовують, як правило, без попередньої підготовки;

3-й клас – дуже незначно забруднена. Для питних та інших виробничих цілей потребує складної підготовки (стандартне очищення), в деяких випадках (зрошення, охолодження й ін.) підготовка не потрібна;

4-й клас – незначно забруднена. Вода навіть після підготовки непридатна для питного водопостачання, риборозведення, цілей рекреації, при використанні для інших виробничих цілей потребує дуже складної підготовки. Придатна тільки зі спеціальним очищенням у разі техніко-економічної доцільності;

5-й клас – сильно забруднена. Може лише умовно використовуватися для зрошення й охолодження, але непридатна для інших цілей;

6-й клас – надзвичайно забруднена. Практично не може застосовуватися для використання, за винятком судноплавства і лісосплаву.

Промислова водопідготовка є комплексом операцій, які забезпечують очистку води - видалення з неї шкідливих домішок, що знаходяться в молекулярно - розчиненому, колоїдному і зваженому стані.

Основні операції водопідготовки: очищення від зважених домішок відстоюванням і фільтруванням; зм'якшування, а в окремих випадках - знесолювання; нейтралізація; дегазація і знезараження.

Відстоювання води проводять у безперервно діючих відстійних бетонованих резервуарах. Для досягнення повного освітлення і знебарвлення декантіруемую з відстійників воду піддають коагуляції. Коагуляція - високоефективний процес поділу гетерогенних систем, зокрема, виділення з води найдрібніших глинистих частинок і білкових речовин. Фізико-хімічна сутність цього процесу полягає в тому, що адсорбція коагулянту на поверхні зарядженої колоїдної частинки призводить до злипання окремих часток (коагуляції) і утворення осаду. При цьому іон-коагулянт повинен мати заряд, протилежний заряду колоїдної частинки. Чим вище заряд іона-коагулянту, тим менше витрата електроліту на коагуляцію. Так, природні глинисті колоїдні системи (природні води) мають негативний заряд, для їх коагуляції найчастіше застосовують сполуки алюмінію у вигляді сульфатів або подвійних солей - алюмокалієвого квасцов. Одночасно йде процес адсорбції на поверхні осаду органічних барвників, в результаті чого вода знебарвлюється. Кількість внесеного в воду коагулянта знаходиться в прямій залежності від забрудненості води. Утворений при коагуляції колоїдний осад віддаляється з води відстоюванням і фільтруванням.

Фільтрування - найбільш універсальний метод розділення неоднорідних систем. У техніці фільтрування велике значення має розвинена поверхню фільтруючого матеріалу.

Пом'якшення і знесолення води полягає у видаленні солей кальцію, магнію та інших металів. У промисловості застосовують різні методи пом'якшення, сутність яких полягає у зв'язуванні іонів Са2 + і Мg2 + реагентами в нерозчинні і легко видаляються з'єднання.

По застосовуваних реагентів розрізняють способи:

- вапняний (гашене вапно);

- содовий (кальцинована сода);

- натронним (гідроксид натрію) і

- фосфатний ( тринатрийфосфат).

Процес пом'якшення грунтується на наступних реакціях:

1) обробці гашеним вапном для усунення тимчасової жорсткості видалення іонів заліза і зв'язування СО2:

Са (НСО3) 2 + Са (ОН) 2 = ¯ 2CaCO3 + 2Н2О

Mg (HCO3) 2 + 2Са (ОН) 2 = ¯ 2CaCO3 + + ¯ Mg (OH) 2 + 2Н2О

FeSО4

+ Са (ОН) 2 = ¯ Fе (ОН) 3 + ¯ CaSO4

4Fе (ОН) 3 + О2 + 2H2O = ¯ 4Fе (ОН) 3

CO2 + Са (ОН) 2 = ¯ СаСО3 + Н2О

2) обробці кальцинованої содою для усунення постійної

жорсткості:

MgSO4 + Na2CO3 = ¯ MgCO3 + Na2SO4

MgCI2 + Na2CO3 = ¯ MgCО3 + 2NaCl

CaSО4 + Na2CO3 = ¯ CaCO3 + Na2SO4

3) обробці тринатрійфосфату для більш повного осадження

катіонів Са2 + і Mg2 +:

3Са (НСО3) 2 + 2Na3PО4 = ¯ 4Са3 (РO4) 2 + 6NaHCO3

3MgCl2 + 2Na3PО4 = ¯ Mg3 (PО4) 2 + 6NaCl

Розчинність фосфатів кальцію і магнію мізерно мала, це забезпечує високу ефективність фосфатного методу.

Найбільш економічно застосування комбінованого способу пом'якшення, що забезпечує усунення тимчасової і постійної жорсткості, а також зв'язування СО2, видалення іонів заліза, коагулювання органічних і інших домішок. Одним з таких способів є вапняно-содовий в поєднанні з фосфатним.

Значний економічний ефект дає поєднання хімічного методу з фізико-хімічними, тобто Іонообмінним способом. Сутність іонообмінного способу пом'якшення полягає у видаленні з води іонів кальцію і магнію за допомогою іонітів, здатних обмінювати свої іони на іони, що містяться у воді.

Розрізняють процеси катіонного і аніонного обміну; відповідно іоніти називають катіоніти і аніоніти.

В основі катіонного процесу пом'якшення лежить реакція обміну іонів натрію і водню катіонітів на іони Са2 + і Mg2 +:

Na2 [Кат] + Са (НСОз) 2 «Са [Кат] + 2NaHCО3

H2 [ Кат] + MgCl2 «Mg [Кат] + 2HCI

Наведені реакції показують, що іонообмінний спосіб може забезпечити як пом'якшення води, так і знесолювання, тобто повне видалення солей з води.

Реакції іонообміну оборотні, і для відновлення обмінної здатності іонітів проводять процес регенерації. Регенерацію

Na-катіонітів здійснюють за допомогою розчинів кухонної солі,

а Н-катіонітів - введенням розчинів мінеральних кислот. Рівняння регенерації катіонітів:

Са [Кат] +2 NaCl «Na2 [Кат] + СаСl2

Na [Кат] + НС1« Н [Кат] + NaCI

Прикладом аніонного обміну може служити реакція обміну аніонів ОН-за рівнянням

[Ан] ОН + НС1 «[Ан] С1 + Н2О

Регенерацію аніоніти проводять за допомогою розчинів лугів:

[Ан] С1 + NaOH« [Ан] ОН + NaCI

Повне знесолення води може бути досягнуто також шляхом перегонки води - дистиляції - на перегінних установках.

Підвищення техніко-економічного ефекту водопідготовки пов'язано із застосуванням комбінування декількох технологічних процесів, наприклад коагуляції, пом'якшення і освітлювання за допомогою сучасних методів іонного обміну, сорбції, електрокоагуляції та ін

Для сучасної промислової водопідготовки значний інтерес представляє можливість застосування електрохімічних методів, зокрема електрокоагуляції. Електрокоагуляція - спосіб очищення води в електролізерах з розчинними електродами - заснована на електрохімічному отриманні гідроксиду алюмінію, що володіє високою сорбційною здатністю по відношенню до шкідливих домішок.

На розчинній алюмінієвому аноді відбуваються два процеси - анодна та хімічна (не пов'язане з протіканням електричного струму) розчинення алюмінію з наступним утворенням А1 (ОН) 3:

А1 - Зе-à A13 +

А13 + + ЗОН-àА1 (ОН) 3

На катоді відбувається виділення пухирців газу - водню (воднева деполяризація), які піднімають частки речовин на поверхню води. До переваг методу електрокоагуляції відносяться: висока сорбційна здатність електрохімічного А1 (ОН) 3, можливість механізації і автоматизації процесу, малі габарити очисних споруд.

Для очищення головним чином кислих оборотних вод застосовується нейтралізація - обробка води оксидом або гідроксидом кальцію.

Важливою частиною водопідготовки є видалення з води розчинених агресивних газів (СО2, О2) з метою зменшення корозії. Видалення газів здійснюють методом десорбції (термічної деаерації) шляхом нагрівання парою.

Воду, яка використовується для побутових потреб, обов'язково піддають знезараженню - знищенню хвороботворних бактерій і окисленню органічних домішок в основному хлоруванням за допомогою газоподібного хлору, а також хлорного вапна і гіпохлората кальцію.