ПРОМЫШЛЕННАЯ ВОДОПОДГОТОВКА

Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс операций, обеспечивающих очистку воды — удаление из нее вредных примесей, находящихся в молекулярно-растворенном, коллоидном 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 коллоидно-дисперсных частиц глины, кварцевого песка, карбонатных и других пород, а также веществ органического происхож­дения, например белков. Суть процесса коагуляции сводится к вве­дению в обрабатываемую воду коагулянтов, обычно различных электролитов. Ион-коагулянт, имеющий заряд, противоположный заряду коллоидной частицы, адсорбируется на поверхности. При этом нейтрализуется заряд частицы и сжимаются сольватные (гидратные) оболочки вокруг коллоидных частиц, которые могут объе­диняться друг с другом и седиментировать. Минимальная концент­рация электролита, вызывающая за определенный промежуток времени явную коагуляцию, называется порогом коагуляции. Чем выше заряд иона-коагулянта, тем меньше порог коа­гуляции. Так, природные глинистые коллоидно-дисперсные системы имеют отрицательный заряд и для их коагуляции используют соединения алюминия в виде сульфата или двойных солей — квасцов. Одновременно с коагуляцией происходит процесс адсорбции коагулятом (осадком) различных органических красящих веществ, в результате чего вода обесцвечивается.

Часто, особенно когда в воде находятся не коллоидно-дисперсные вещества, а тонкодисперсные взвеси (т. е. более грубые по размерам частицы), которые, как правило, имеют очень слабый заряд, для водоподготовки используют процесс флокуляции. Вещества, вызывающие флокуляцию, называют флокулянтами.Флокулянты представляют собой растворимые в воде высокомо­лекулярные соединения (карбоксиметилцеллюлоза — КМЦ; полиакриламид — ПАА; полиоксиэтилен — ПОЭ; крахмал и др.). Они образуют мостиковые соединения между отдельными частицами дисперсной фазы, после чего эти тяжелые агрегаты седиментируют. Флокуляция происходит обычно очень быстро, а расход флокулянтов весьма незначительный; это делает рентабельным исполь­зование такого процесса, несмотря на достаточно высокую стои­мость флокулянтов. Образующийся при коагуляции или флокуляции осадок удаляется из воды отстаиванием или фильтрованием.

Фильтрование — наиболее универсальный метод разделе­ния неоднородных систем. В технике фильтрования наибольшее 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 Mg²⁺ реагентами в нераст­воримые и легко удаляемые соединения. По применяемым реаген­там различают способы: известковый (гашеная известь), содовый (кальцинированная сода), натронный (гидроксид натрия) и фосфат­ный (тринатрийфосфат). 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. Процесс умягчения основывается на следу­ющих реакциях:

1. Обработка гашеной известью для устранения временной
жесткости, удаления ионов железа и связывания СО₂:

Са (НСОз)₂ + Са (ОН)₂ = 2СаСО₃¯ + 2Н₂О

Mg (НСО₃)₂ + 2Са (ОН)₂ = 2СаСО₃¯ + Mg (ОН)₂ ¯+ 2Н₂О

FeSO₄ + Са (ОН)₂ = Fe (OH)₂¯. + CaSO₄¯

4Fe (ОН)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe (ОН)₃¯

СО₂ + Са (ОН)₂ = CaCO₃¯ + Н₂О

2. Обработка кальцинированной содой для устранения постоянной жесткости:

Mg²⁺, Ca²⁺ + CO₃^2– = MgCO₃¯ , CaCO₃¯

3. Обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения катионов Са²⁺ и Mg²⁺:

ЗСа(НСО₃)₂ + 2Nа₃РО₄ = Са₃ (РО₄)₂¯ + 6NaHCO₃

3MgCl₂ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(РО₄)₂¯ + 6NaCl

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

На рис. 1 представлена схема извест­ково-содового способа умягчения воды. Вода через водораспределитель подается в сатуратор 2, куда добавляется гашеная известь, и затем в смеситель 3. В смеситель 1 из дозатора 8 поступает раствор соды, и поток очищаемой воды с реагентами идет в коническую трубу — реакционную каме­ру 4. Из реакционной камеры вода попадает в отстойник 5, где происходит отделение нерастворимого осадка — шлама, который удаляется из нижней части отстойни­ка. Умягченная вода проходит фильтр 6, расположенный в верхней части отстойника, и через кольцевой желоб 7 отводится в сборные резервуары, а затем поступает на производство.

Значительный экономический эффект дает сочетание химического метода умягчения 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⁺. Обмен ионов натрия называется Na-катионированием, а ионов водорода — Н-катионированием:

Nа₂ [Кат] + Са (НСО₃)₂ D Са [Кат] + 2NaHCO₃

Na₂ [Кат] + MgSO₄ D Mg [Кат] + Na₂SO₄

H₂ [Кат] + MgCI₂ DMg [Кат] + 2НС1

H[Кат] + NaCl D Na[Кат] + НС1

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.

Примером анионного обмена может служить реакция обмена анионов ОН^– по уравнению [Ан] ОН + НС1 D [Ан] С1 + Н₂О

Регенерацию анионита проводят при помощи растворов щело­чей:

[ Ан] Cl + NaOH D [Ан] ОН + NaCI

Значительный экономический эффект дает современный способ обессоливания воды, в основе которого лежит последовательное проведение процессов Н-катионирования и ОН-анионирования. Об­разующиеся в результате этих процессов ионы Н⁺ и ОН^– взаимо­действуют друг с другом с образованием молекул воды.

На рис. 2 представлена схема обессоливания воды с приме­нением ионообмена (катионирование и анионирование). Вода рав­номерно подается в Н-катионитовый фильтр, где на слое крупного кварцевого песка расположены зер­на катионита, обеспечивающие удаление из воды ионов Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, NH₄⁺ и др. Затем вода поступа­ет в анионитовый фильтр для связывания анионов и далее в дегазатор, где происходит выделение растворен­ных в воде СО₂, О₂. Полное обессоливание воды может быть достигнуто также путем ее перегонки — 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. Перенос электричества при внесении электродов в воду и пропускании тока осуществляют в основном ионы, находящиеся в природной воде (Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, С1^–, НСО₃^–, SO₄^2– и др.). Степень участия ионов в переносе тока характеризуется их относительной концентрацией и подвижностью.

На растворимом алюминиевом аноде происходят два процес­са — анодное и химическое (не связанное с протеканием электри­ческого тока) растворение алюминия с последующим образованиемА1(ОН)₃:

А1 — Зе^– = Аl³⁺

А1³⁺ +ЗОН^– = А1(ОН)₃

На катоде происходит выделение пузырьков газа — водорода (водородная поляризация), 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. Термическую деаэрацию проводят в аппаратах, называемых деаэраторами (вакуумные, атмосферные, повышенного давления).

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 гипохлорита кальция.