Розділ 29. Розрахунок концентрацiй iонiв у вапнованiй та коагульованiй воді

Промислова водопідготовка являє собою комплекс операцій, які забезпечують очищення води  видалення з неї шкідливих домішок, що перебувають у молекулярно розчинному, колоїдному та завислому стані. Основні операції водопідготовки: відстоювання, фільтрування, пом’якшення, демінералізація, нейтралізація, дегазація та знезараження.

Для пом’якшення води, тобто для її очищення від кальцію та магнію, використовують термічні, реагентні, іонообмінні та комбіновані методи. За реагентами, які використовуються для пом’якшення розрізняють наступні способи: вапняний (гашене вапно), содовий (кальцинована сода), натронний (гідроксид натрію) та фосфатний (тринатрійфосфат).

Реагентні методи дозволяють перевести розчинні у воді сполуки кальцію та магнію у майже нерозчинні. Як реагенти для пом’якшення води використовують вапно, кальциновану соду, гідроксиди натрію або барію, щавлеву кислоту, фосфати натрію тощо. Серед реагентних методів найбільше розповсюджений вапняно-содовий метод. Сутність його полягає в процесах, що описують такими рівняннями:

;
;
.

Сода усуває некарбонатну кальцієву твердість води:

;
.

Повністю усунути твердість води реагентними методами неможливо через те, що такі сполуки, як СаСO₃ та Мg(ОН)₂, все ж розчиняються у воді. Тому вапняно-содовий метод застосовують, якщо природну воду треба пом’якшити до відносно неглибокої залишкової твердості (приблизно 1 ммоль/дм³). Більш глибокого пом’якшення води можливо досягти використовуючи фосфатний (реагентний) або іонообмінний метод.

Вапнуванням, сполученим з коагуляцією, досягається видалення заліза з поверхневої води, видалення органічних речовин, зниження колірності води і часткове видалення кремнію.

Коагулюванням називається технологічний процес обробки води реагентами, що завершується коагуляцією її колоїдних домішок. Коагуляція є фізико-хімічним процесом злипання колоїдних часток і утворення грубодисперсних пластівців, що випадають в осад і видаляються з води осадженням їх в освітлювачах або фільтруванням на освітлювальних фільтрах. Реагенти, які застосовуються для коагулювання, називаються коагулянтами.

Ефект освітлення коагульованої води в освітлювачах нижче, ніж в освітлювальних фільтрах. З іншого боку, доцільне застосування освітлювальних фільтрів можливо тільки при незначному вмісті у воді грубодисперсних домішок. Тому звичайно застосовується двоступінчате освітлення води: а) коагулювання і затримка суспензії в освітлювачі зі зниженням її вмісту до 8 – 12 мг/кг; б) наступне глибоке освітлення фільтруванням коагульованої води, що містить тонкодисперсні завислі частинки, що не встигли осісти в освітлювачах.

У результаті процесів коагулювання й освітлення збільшується прозорість води, знижується її окиснюваність і відбувається її знебарвлення. При правильно проведених режимах коагуляції води видаляється приблизно 60 – 80% органічних речовин.

Для здійснення технологічного процесу коагулювання колоїдних домішок, що містяться у воді, як коагулянти застосовуються сульфатнокислий алюміній Al₂₍SO₄)₃18 H₂O, сульфат феруму (ІІ) FeSO₄7H₂O і хлорид заліза (ІІІ) FeCl₃. При сполученні процесів вапнування і коагуляції застосовують сульфат феруму.

У результаті реакцій гідролізу:

Al2(SO4)3 + 6 H2O  2Al(OH)3 + 3H2SO4 ;
FeCl3 + 3H2O  Fe(OH)2 + 3HCl;
FeSO4 + 2H2O  Fe(OH)2 + H2SO4

і окиснювання гідроксиду феруму (ІІ) розчиненим у воді киснем:

4Fe(OH)2 + O2 + H2O  4Fe(OH)3

утворяться майже нерозчинні у воді гідроксиди алюмінію та феруму (ІІІ), що є нестійкими компонентами колоїдної системи.

Приведені реакції гідролізу можуть протікати лише за умов, якщо сульфатна або хлоридна (соляна) кислота, що утворюється при цьому, буде частково нейтралізована гідрокарбонатами кальцію та магнію, що містилися у воді, а при їхній відсутності чи недостатній кількості – лужними реагентами, що додаються у воду: вапняним молоком Са(ОН)₂, розчинами соди Na₂CO₃ чи гідроксиду натрію NaOH з доведенням pН до оптимальної величини, наприклад, за реакцією:

H2SO4 + Ca(OH)2  CaSO4 + 2H2O.

Як коагулянт при вапнуванні застосовується, як правило, залізний купорос FeSO₄7H₂O, тому що FeCl₃ значно корозійно активніше, а застосування сульфатнокислого алюмінію неможливо через амфотерні властивості останнього в лужному середовищі при рН = 9 – 10,3, при якому йде процес вапнування: осад гідроксиду алюмінію розчиняється і це збільшує концентрацію іонів алюмінію у воді, що не бажано.

Гідроксид феруму (ІІІ) має амфотерні властивості. Наведена вище реакція окиснювання гідроксиду феруму (ІІ) в гідроксид феруму (ІІІ) в кислому і нейтральному середовищах перебігає повільно, і процес коагуляції не завершується в очисних спорудах. Завдяки тому, що при

рН > 8 швидкість цього процесу підвищується, необхідно одночасно з введенням у воду сульфатнокислого феруму додавати луг, сполучаючи коагуляцію з вапнуванням води. У цьому випадку реакція утворення гідроксиду феруму (ІІІ) може бути представлена наступним чином:

4FeSO4 + 4Ca(OH)2 + O2 + 2H2O  4Fe(OH)3 + 4CaSO4.

Для прискорення процесу коагуляції застосовуються підігрів коагульованої води до 30 – 40 С та її перемішування, завдяки чому колоїдні частки забруднень і коагулянту зазнають більш частих і сильних зіткнень, що призводить до їх злипання. Однак перемішування не повинне відбуватися занадто енергійно, щоб не роздрібнити утворені пластівці. Підвищення температури понад 40С погіршує ефект освітлення внаслідок більш швидкого броунівського руху колоїдних часток і гальмування адсорбції їх пластівцями. Для прискорення процесу коагуляції широке застосування одержав поліакриламід (ПАА) – поверхнево активна речовина. Додавання ПАА в коагульовану воду після утворення пластівців коагулянту на тому рівні апарата, де завершено перемішування й утворені пластівці, навіть у дуже маленьких дозах (0,5 – 2,0 мг/кг) значно укрупнює й збільшує вагу пластівців коагулянту, що призводить до прискорення їхнього осадження і дає можливість підвищити швидкість підйому води в освітлювачах і їхню продуктивність. Інтервал між введенням вапна і ПАА повинен бути не менш ніж 2 – 3 хв. ПАА випускається у вигляді гелеподібної маси (8 – 10%) і застосовується у вигляді розчину 0,1 – 0,2%-вої концентрації.

Щоб розрахувати кiнцевi концентрації iонiв Na ⁺ , Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , Cl ⁻ , SO₄ після вапнування та додавання коагулянту, необхідно врахувати концентрацію iонiв HCO₃. Це можна зробити, беручи до уваги зміну твердості води на стадії вапнування. Тому спочатку необхідно визначити рiвноважнi концентрації iонiв Ca ²⁺ та Mg ²⁺. При додаваннi коагулянту вносяться iони SO₄. Це дає змогу осадити iони Ca ²+ та Mg ²⁺ :

Ca2++SO42-  CaSO4,
Mg2++SO42-  MgSO4.

При вапнуваннi вносяться карбонат-iони, якi осаджують Mg²⁺, але цим самим збiльшується вмiст iонiв Ca²⁺. Природна рiвновага мiж рiзними формами вугiльної кислоти сумарно вiдображається рiвнянням:

2HCO3↔ HCO3+CO32- ↔ CO32-+ CO3+H2O.

Тому осадження iонiв Mg²⁺ можна записати у виглядi рiвняння:

Mg2++CO32-  MgCO3.

Як бачимо, при виборi дози коагулянту (доза вапна розраховується на її основi) необхiдно вiдшукати оптимальнi кiлькостi реагентiв, щоб не перевищити початковий вмiст iонiв Ca²⁺. Оптимальною вважається доза коагулянту 0,4–0,5 мг-екв/дм³.

Концентрація вугільної кислоти у воді, що подають на очищення, визначається рівнянням:

.

1

Константи K₁ , K₂ та K_w знаходять за наступними рівняннями :

,	2
,	3
.	4

Коефiцiєнти активності визначають через іонну силу вапнованої води за рівняннями:

,	5
,	6
,	7
,	8

де z – заряд іона, aH – активнiсть іонiв H⁺ , визначається за формулою:

.

9

N_OH⁻ – нормальнiсть йонiв OH⁻ :

.

10

Концентрацiї iонiв Na⁺ та Cl⁻ залишаються незмiнними пiсля вапнування та додавання коагулянту.

Концентрацiя iонiв SO₄^2- визначається рiвнянням:

.

11

Для визначення концентрацiї карбонат-iонiв пiсля дозування вапна зробимо припущення, що процеси взаємодiї вапна та вугiльної кислоти йдуть «націло».

Початкову сумарну концентрацію CO₂ визначаємо за рівнянням:

.

12

Значення добуткiв розчинностi:

,	13
.	14

Рiвноважна концентрацiя iонiв магнiю та кальцiю визначаються з урахуванням добутку розчинностi, наприклад, як для магнiю за наступним рiвнянням, а концентрацiя гiдроксид-iонiв буде вдвiчi бiльшою за концентрацiю iонiв магнiю.

.

15

Через активнiсть iонiв кальцiю можна виразити їхню концентрацiю, концентрацiї карбонатiв i гiдрокарбонатiв. Пiдстановка цих та iнших значень концентрацiй iонiв у рiвняння електронейтральностi перетворює його в квадратне, коефiцiєнти якого А, В i С, а корiнь – активнiсть iонiв кальцiю:

,	16
,	17
,	18
.	19

Рiвняння електронейтральності (16) розв’язується засобами середовища MathCad iз заданням початкового наближення а_Са2+ = 0,005.

Розрахунок рівноважних концентрацiй йонiв пiсля вапнування проводиться за формулами:

,	20
,	21
,	22
.	23

Дозу вапна розраховуємо за рівнянням, мг-екв /дм³:

. .

(24)

Мета роботи: визначення реальних концентрацiй йонiв у вапнованiй та коагульованiй водi iз використанням програмного забезпечення MathCad.

Вихiднi данi

CNa = 0,5 мг-екв/дм3;	CCl =0,6 мг-екв /дм3;	pH =10,2;
CCa = 1,2 мг-екв/дм3;	CSO4 = 0,45 мг-екв/дм3 ;	DK =0,5 мг-екв/дм3;
CMg = 0,65 мг-екв /дм3;	CHCO3=2,7 мг-екв /дм3;	t = 40◦ C.