Промышленная водоподготовка

Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс операций, обеспечивающих очистку воды ‑ удаление из нее вредных примесей, находящихся в молекулярно - растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии.

Основные операции водоподготовки: очистка от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрованием; умягчение, а в отдельных случаях – обессоливание; нейтрализация; дегазация и обеззараживание.

Отстаивание воды проводят в непрерывно действующих отстойных бетонированных резервуарах. Для достижения полного осветления и обесцвечивания декантируемую из отстойников воду подвергают коагуляции. Коагуляция ‑ высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем, в частности, выделения из воды мельчайших глинистых частиц и белковых веществ. Физико-химическая сущность этого процесса состоит в том, что адсорбция коагулянта на поверхности заряженной коллоидной частицы приводит к слипанию отдельных частиц (коагуляции) и образованию осадка. При этом ион-коагулянт должен иметь заряд, противоположный заряду коллоидной частицы. Чем выше заряд иона-коагулянта, тем меньше расход электролита на коагуляцию. Так, природные глинистые коллоидные системы (природные воды) имеют отрицательный заряд, для их коагуляции чаще всего применяют соединения алюминия в виде сульфатов или двойных солей ‑ алюмокалиевых квасцов. Одновременно идет процесс адсорбции на поверхности осадка органических красящих веществ, в результате чего вода обесцвечивается. Количество вносимого в воду коагулянта находится в прямой зависимости от загрязненности воды. Образующийся при коагуляции коллоидный осадок удаляется из воды отстаиванием и фильтрованием.

Фильтрование ‑ наиболее универсальный метод разделения неоднородных систем. В технике фильтрования большое значение имеет развитая поверхность фильтрующего материала.

Умягчение и обессоливание воды состоит в удалении солей кальция, магния и других металлов. В промышленности применяют различные методы умягчения, сущность которых заключается в связывании ионов Са²⁺ и Мg²⁺ реагентами в нерастворимые и легко удаляемые соединения.

По применяемым реагентам различают способы:

– известковый (гашеная известь);

– содовый (кальцинированная сода);

– натронный (гидроксид натрия) и

– фосфатный (тринатрийфосфат).

Процесс умягчения основывается на следующих реакциях:

1) обработке гашеной известью для устранения временной жесткости удаления ионов железа и связывания 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) обработке кальцинированной содой для устранения постоянной
жесткости:

MgSO₄ + Na₂CO₃ = ¯ MgCO₃ + Na₂SO₄

MgCI₂ + Na₂CO₃ = ¯ MgCО₃ + 2NaCl

CaSО₄ + Na₂CO₃ = ¯ CaCO₃ + Na₂SO₄

3) обработке тринатрийфосфатом для более полного осаждения
катионов Са²⁺ и Mg²⁺:

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

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

Растворимость фосфатов кальция и магния ничтожно мала, это обеспечивает высокую эффективность фосфатного метода.

Наиболее экономично применение комбинированного способа умягчения, обеспечивающего устранение временной и постоянной жесткости, а также связывание СО₂, удаление ионов железа, коагулирование органических и других примесей. Одним из таких способов является известково-содовый в сочетании с фосфатным.

Значительный экономический эффект дает сочетание химического метода с физико-химическим, т.е. ионообменным способом. Сущность ионообменного способа умягчения состоит в удалении из воды ионов кальция и магния при помощи ионитов, способных обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в воде.

Различают процессы катионного и анионного обмена; соответственно иониты называют катионитами и анионитами.

В основе катионного процесса умягчения лежит реакция обмена ионов натрия и водорода катионитов на ионы Са²⁺ и Mg²⁺:

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

H₂[Кат] +MgCl₂ «Mg[Кат] + 2HCI

Приведенные реакции показывают, что ионообменный способ может обеспечить как умягчение воды, так и обессоливание, т. е. полное удаление солей из воды.

Реакции ионообмена обратимы, и для восстановления обменной способности ионитов проводят процесс регенерации. Регенерацию
Na-катионитов осуществляют при помощи растворов поваренной соли,
а Н-катионитов ‑ введением растворов минеральных кислот. Уравнения регенерации катионитов:

Са[Кат] +2NaCl «Na₂[Кат] +СаСl₂

Na[Кат] + НС1 «Н[Кат] + NaCI

Примером анионного обмена может служить реакция обмена анионов ОН^- по уравнению

[Ан]ОН + НС1 «[Ан]С1 + Н₂О

Регенерацию анионита проводят при помощи растворов щелочей:

[Ан]С1 + NaOH «[Ан]ОН + NaCI

Полное обессоливание воды может быть достигнуто также путем перегонки воды ‑ дистилляции ‑ на перегонных установках.

Повышение технико-экономического эффекта водоподготовки связано с применением комбинирования нескольких технологических процессов, например коагуляции, умягчения и осветления с помощью современных методов ионного обмена, сорбции, электрокоагуляции и др.

Для современной промышленной водоподготовки значительный интерес представляет возможность применения электрохимических методов, в частности электрокоагуляции. Электрокоагуляция ‑ способ очистки воды в электролизерах с растворимыми электродами ‑ основана на электрохимическом получении гидроксида алюминия, обладающего высокой сорбционной способностью по отношению к вредным примесям.

На растворимом алюминиевом аноде происходят два процесса ‑ анодное и химическое (не связанное с протеканием электрического тока) растворение алюминия с последующим образованием А1(ОН)₃:

А1 ‑ Зе^- à A1³⁺

А1³⁺ + ЗОН^- à А1(ОН)₃

На катоде происходит выделение пузырьков газа ‑ водорода (водородная деполяризация), поднимающих частицы веществ на поверхность воды. К достоинствам метода электрокоагуляции относятся: высокая сорбционная способность электрохимического А1(ОН)₃, возможность механизации и автоматизации процесса, малые габариты очистных сооружений.

Для очистки главным образом кислых оборотных вод применяется нейтрализация ‑ обработка воды оксидом или гидроксидом кальция.

Важной частью водоподготовки является удаление из воды растворенных агрессивных газов (СО₂, О₂) с целью уменьшения коррозии. Удаление газов осуществляют методом десорбции (термической деаэрации) путем нагревания паром.

Воду, используемую для бытовых нужд, обязательно подвергают обеззараживанию ‑ уничтожению болезнетворных бактерий и окислению органических примесей в основном хлорированием при помощи газообразного хлора, а также хлорной извести и гипохлората кальция.