Глава 6. Использование воды в оборотных системах водоснабжения

6.1. Свойства и классификация вод

Вода играет решающую роль во многих процессах, протекаю­щих в природе, и в обеспечении жизни человека. В промышленнос­ти воду используют как сырье и источник энергии, как хладоагент, растворитель, экстрагент, для транспортирования сырья и материа­лов и др.

Ресурсы воды. Это запасы пресных поверхностных (речных, озер­ных, болотных, ледниковых) и подземных вод какой-либо терри­тории. Общее количество природной воды на Земле составляет 1386 млн. км³. В основном (свыше 97,5%) это соленые воды. Коли­чество пресной воды — 35 млн. км³. Однако подавляющая часть пре­сной воды является труднодоступной для людей, так как она в ос­новном находится в полярных ледниках и водоносных слоях под зем­лей. В СНГ запас пресных поверхностных вод составляет 40,5 тыс. км³. Из них: в озерах — 26 тыс. км³ (в том числе в Байкале — 23 тыс.км³); в ледниках — 11тыс. км³; в болотах около 3 тыс. км³; в руслах рек всего 235 км³. Объем потребления пресной воды в мире достигает приблизительно 3900 млрд. м³/год. Около половины этого количества потребляется безвозвратно, а другая половина превра­щается в сточные воды.

Природная вода—это вода, которая качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия. Ее качественные показатели находятся на естественном среднемноголетнем уровне. В зависимости от сте­пени минерализованности (в г/л) воды делятся: на пресные (с содер­жанием солей <1), солоноватые (1-10), соленые (10-50) и рассолы (>50). В свою очередь, пресные воды подразделяются на воды малой минерализованности (до 200мг/л), средней минерализованности (200-500 мг/л) и повышенной минерализованности (500-1000 мг/л). По преобладающем}- анион}- все воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.

Жесткость природных вод обусловливается присутствием в них солей кальция и магния и выражается концентрацией ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в ммоль экв/л. Различают общую, карбонатную и некарбонатную жесткость. Общая жесткость представляет собой сумму двух последних, карбонатная связана с присутствием в воде бикарбона­тов кальция и магния, а некарбонатная — сульфатов, хлоридов, нит­ратов кальция и магния.

Физические свойства воды. Плотность чистой воды при 35°С и атмосферном давлений — 999 кг/м³. С увеличением концентрации примесей плотность воды возрастает. Морская вода с концентраци­ей солей 35 кг/м³ имеет среднюю плотность 1028 кг/м³ при 0°С. Из­менение солесодержания на 1 кг/м³ изменяет плотность на 0,8 кг/м³.

Вязкость μ воды с повышением температуры t уменьшается сле­дующим образом:

t,°C	0	5	10	15	20	25	30	35
μ*10-3, Па-с	1,797	1,523	1,301	1,138	1,007	0,895	0,800	0,723

С увеличением солесодержания вязкость воды повышается. По­верхностное натяжение σ воды при 18°С составляет 73, при 100°С — 52,5 мН/м. Теплоемкость воды при 0°С составляет 4180 Дж/(кг* °С), а при 35°С достигает минимума. Теплота плавления при переходе льда в жидкое состояние составляет 330 кДж/кг, теплота парообразова­ния равна 225 0 кДж/кг при атмосферном давлении и температуре 100°С.

Электрические свойства воды. Вода — слабый проводник элект­рического тока: удельная электрическая проводимость при 18°С равна 4,9*10^-8 См/м (4,41-10^-8 1/0м-см); диэлектрическая постоянная равна 80. Наличие растворенных солей в воде увеличивает ее электрическую про­водимость, которая изменяется в зависимости от температуры.

Оптические свойства воды. Прозрачность и мутность воды за­висят от содержания в ней механических примесей, находящихся во взвешенном состоянии. Чем больше примесей в воде, тем больше ее мутность и меньше прозрачность. Прозрачность определяется дли­ной пути луча, проникающего вглубь воды, и зависит от длины вол­ны луча. Ультрафиолетовые лучи проходят через воду легко, а инф­ракрасные — плохо. Показатель прозрачности используют для оцен­ки качества воды и содержания в ней примесей.

Загрязнение воды. Вследствие антропогенного воздействия при­родная вода загрязняется различными веществами, что приводит к ухудшению ее качества. Под качеством воды понимают совокупность физических, химических, биологических и бактериологических по­казателей. Загрязнения, поступающие в водную среду; изменяют эти показатели.

Можно выделить следующие тенденции в изменении качества природных вод под влиянием хозяйственной деятельности людей:

снижение рН пресных вод в результате их загрязнения серной и азотной кислотами из атмосферы, увеличение содержания в них суль­фатов и нитратов; повышение содержания ионов кальция, магния, кремния в подземных и речных водах вследствие вымывания и ра­створения подкисленными дождевыми водами карбонатных и дру­гих горных пород;

повышение содержания в природных водах ионов тяжелых ме­таллов, прежде всего, свинца, кадмия, ртути, мышьяка и цинка, а также фосфатов (>0,1 мг/л), нитратов, нитритов и др.;

повышение содержания солей в поверхностных и подземных во­дах в результате их поступления со сточными входами, из атмосфе­ры и за счет смыва твердых отходов (например, солесодержание многих рек ежегодно повышается на 30-50 мг/л и более; из 1000 т городских отходов в грунтовые воды попадает до 8 т растворимых солей);

повышение содержания в водах органических соединений, прежде всего, биологически стойких (ПАВ, пестицидов, продуктов их рас­пада и других токсичных, канцерогенных и мутагенных веществ);

снижение содержания кислорода в природных водах, прежде все­го, в результате повышения его расхода на окислительные процессы, связанные с эвтрофикацией водоемов, с минерализацией органичес­ких соединений, а также вследствие загрязнения поверхности водо­емов гидрофобными веществами и сокращения доступа кислорода из атмосферы (в отсутствие кислорода в воде развиваются восстано­вительные процессы, в частности, сульфаты восстанавливаются до сероводорода);

снижение прозрачности воды в водоемах (в загрязненных водах размножаются вирусы и бактерии, возбудители инфекционных за­болеваний);

потенциальная опасность загрязнения природных вод радиоак­тивными изотопами химических элементов.

Природная вода, подвергаемая антропогенному загрязнению, на­зывается денатурированной или природно-антропогенной. В случае необходимости перед использованием воды в промышленности ее очищают в соответствии со специфическими требованиями данного производства.

К лассификация вод по целевому назначению. Воду, используемую в промышленности, подразделяют на охлаждающую, техно­логическую и энергетическую (рис. II-1).

Рис. II-1. Классификация вод по целевому назначению

Вода часто служит для охлаждения жидких и газообразных про­дуктов в теплообменных аппаратах. В этом случае она не соприкаса­ется с материальными подтоками и не загрязняется, а лишь нагрева­ется. В промышленности 65-80% расхода воды потребляется для ох­лаждения. На крупных химических предприятиях потребление ох­лаждающей воды достигает 440 млн. м³/год. Суммарное количество воды, заключенной в системах охлаждения на предприятиях хими­ческой промышленности, составляет 20 млрд. м³/год.

Технологическую воду подразделяют на средообразующую, про­мывающую и реакционную. Средообразующую воду используют для растворения и образования пульп, при обогащении и переработке руд, гидротранспорте продуктов и отходов производства; промыва­ющую — для промывки газообразных (абсорбция), жидких (экст­ракция) и твердых продуктов и изделий; реакционтто — в составе реагентов, а также при азеотропной отгонке и аналогичных процес­сах. Технологическая вода непосредственно контактирует с продук­тами и изделиями.

Э нергетическая вода потребляется для получения пара и нагре­вания оборудования, помещений, продуктов.

Рис. 11-2. Схемы оборотного водоснабжения: а — с охлаждением воды; 6 — с очисткой воды; в — с очисткой и охлаждением воды; П — производство; НС — насосная станция; ОХ — охлаждение воды; ОС — очистка сточной воды