10.3 Технологические показатели качества воды

Состав природных вод принято характеризовать некоторыми тех­нологическими показателями, в том числе жесткостью, щелочностью, солесодержаиием, кислородсодержанием, рН.

Присутствие в природной воде солей кальция и магния определя­ет жесткость воды. Условно жесткость подразделяется на временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную). Временная жесткость обусловлена присутствием, в основном, гидрокарбонатов кальция и маг­ния в воде, образующими при гидролизе щелочную среду. Постоянная - присутствием в воде, в основном, сульфатов, хлоридов кальция и маг­ния, образующими кислую среду. Суммарное содержание этих солей в воде называется ее обшей жесткостью. Магниевая жесткость в пресной воде обычно составляет около 1/3 общей жесткости; оставшиеся 2/3 -это кальциевая жесткость.

Жесткость воды выражают в ммоль/л или градусах жесткости. 1 ммоль/л жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л Са²⁺ и 12,16 мг/л Mg²⁺. Один градус жесткости соответствует содержанию 1 г СаО в 100 л воды. Один градус жесткости соответствует 0,357 ммоль катионов двух* зарядных металлов.

Применяется следующая градация жесткости: менее 4 ммоль/л во­да считается мягкой, от 4 до 8 ммоль/л средней жесткости, от 8 до 12 ммоль/л жесткой, свыше 12 ммоль/л - очень жесткой. Перед использо ванием воды для тех или иных технических целей, ее умягчают (снижа­ют жесткость). Верхний предел жесткости в системах водоснабжения составляет, как правило, 7 ммоль/л.

Щелочность воды выражается суммой концентраций ионов гид-роксила и анионов слабых кислот НС0₃^-,С0₃^2-.

Гидроксильные ионы образуются в результате гидролиза солей слабых кислот, например:

С0₃^2- + Н₂0 = НС0₃^- + ОН^-

Наличие в воде гидроксильных ионов способствует пассивации сплавов железа, но при большой щелочности, высоких температурах же­лезо может выделять водород. Водород в паровых котлах образует гид­риды, разрушающие стенки котла.

Контроль щелочности котельной воды применяется для поддержа­ния правильного уровня рН, необходимого для осаждения солей, опре­деляющих жесткость. Кроме того, контроль щелочности используется для поддержания требуемой щелочности котельной воды для предотвра­щения кислотной коррозии. рН котельной воды поддерживается в пре­делах 9,5 - 11, конденсата: 8,3 - 9,0.

Солесодержание воды равно общей концентрации солей, содержа­щихся в ней. Дождевая вода является наиболее чистой, она содержит только газы и немного примесей из воздуха. Речная вода имеет солесо­держание 0,5 - 0,6 г/л. Содержание солей в водах морей и океанов раз­лично, но не превышает 35 г/л.

10.4 Способы водоподготовки

Выбор метода удаления примесей из воды определяется как харак­тером и свойствами примесей, так и ее назначением. Обычно природная вода подвергается комплексной очистке: осветлению, обесцвечиванию, уменьшению ее жесткости, удалению растворенных газов, органических веществ, обеззараживанию и др.

Цель обработки котельной воды - снизить ее жесткость, коррози­онную опасность, поддержать определенный уровень рН, убрать накипе- и пенообразователи.

Осветление и обесцвечивание воды происходит в отстойниках и фильтрах. В качестве фильтрующих материалов используются кварце­вый песок, гравий и др. Если удаляемые коллоидные частицы очень мелкие, то производится их коагуляция, для чего в воду вводят коагуля­нты, например Al(SO₄)_3. Для удаления незаряженных примесей исполь­зуется адсорбция на активированном угле, например, так удаляют орга­нические вещества. Удаление ионов происходит на ионообменниках ли­бо, если ионы могут образовать осадки, вводятся соответствующие ве­щества для их образования.

Удаление газов из воды осуществляется деаэрацией и химичес­ким восстановлением. Деаэрация основана на использовании закона Ге­нри, согласно которому растворимость газа прямо пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью. Парциальное давление можно снизить или уменьшением общего давления газов, или вытеснением данного газа другим газом. Например, кислород замещают азотом. Час­то воду продувают водяным паром, при этом парциальное давление кис­лорода уменьшается.

При химическом восстановлении достигается глубокое удаление кислорода. В качестве восстановителя используются железные опилки, сульфит натрия, гидразин и др.

При пропускании воды через фильтрующий слой железных опилок растворенный кислород взаимодействует с железом с образованием Fe(OH)₃. Хлопья гидроксида железа (III) задерживаются на последую­щих фильтрах.

При использовании сульфита натрия протекает реакция

2Na₂S0₃ + 0₂ = 2Na₂S0₄

При таком способе очистки повышается содержание в воде ионов Na⁺ и S0₄^2-.

Гидразин не увеличивает солесодержание воды, но ядовит и тре­бует при работе с ним определенных мер безопасности. Взаимодействие с кислородом выражается уравнением

N₂H₄ + 0₂ = N₂ + 2Н₂0

Как видно, продуктами реакции являются вода и азот, никаких твердых веществ не добавляется.

Гидразин используется для эффективного связывания и удаления кислорода из конденсата, питательной и котельной воды. Некоторое ко­личество гидразина выносится из котла с паром, помогая держать рН конденсата в щелочном диапазоне. Он также переводит красный оксид железа в магнетит, который покрывает металл, защищая его от корро­зии.

Устранение жесткости воды. Временная жесткость устраняется путем кипячения воды. Углекислотное равновесие при нагревании сме­щено вправо

2НС0₃^- = С0₃^2- + С0₂ + Н₂0,

поэтому бикарбонаты разрушаются

Са(НСО₃)₂^t = СаСО₃ + С0₂ + Н₂0

Mg (HC0₃)₂ ^t =MgC0₃ + СО, + Н₂0

Распад гидрокарбоната магния сопровождается гидролизом

MgC0₃ + Н₂0 - Mg(OH)₂ + С0₂

Такой метод умягчения воды называется термическим.

Умягчение воды методом осаждения основано на введении в воду реагентов, обогащающих ее анионами С0₃^2-, ОН^-, Р0₄^3- в результате че­го образуются, например, малорастворимые CaC0₃,Mg(OH)₂, Mg3(P0₄)₂.

Для количественной характеристики способности слабого элект­ролита растворяться или образовывать осадки используется произведе ние растворимости ПР, равное при постоянной температуре произведе­нию концентраций его ионов. Например, при 25°С

ПР_CaCO3=C_Ca²⁺ C_CO3^2-=4,8 10^-9

ПР_Mg(OH)2=C_Mg²⁺ C²_OH^-=5,5 10^-12

Концентрацию одного иона, входящего в малорастворимое соеди­нение, можно уменьшить увеличением концентрации другого иона. То есть концентрации ионов Са²⁺, Mg ⁺ можно понизить увеличением кон­центраций ионов С0₃^2- и ОН^-. Для этого природную воду обрабатывают известью и содой.

При введении в воду извести, вследствие ее диссоциации

Са(ОН)₂ Са²⁺ + 20Н^-

возрастает рН воды, что приводит к смещению углекислотного равнове­сия в сторону образования ионов С0₃^2-

ОН^- + Н₂С0₃ = НСО₃^-+ Н₂0

ОН^- + НСО₃^- = С0₃²~ + Н₂0,

в результате чего достигается произведение растворимости карбоната кальция, и он выпадает в осадок.

Са²⁺ + СО₃^2- = СаСОз

Увеличение концентрации гидроксильных ионов приводит к достижению величины ПР_Mg(OH)2, и выпадению осадка Mg(OH)₂. Реакции, протекающие при введении извести:

Са(НС0₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаС0₃ + 2Н₂О

Mg(HC0₃)₂ + Са(ОН)₂ = МдСО₃+ СаСО₃ + 2Н₂0

MgC0₃ + Н₂0 = Mg(OH)₂ + С0₂

С0₂ + Са(ОН)₂ = СаСОз + Н₂0

Суммарное уравнение:

Mg(HC0₃)₂ + 2Са(ОН)₂ = Mg(OH)₂ + 2СаС0₃ + 2Н₂0

Магниевая жесткость требует большего количества извести, чем кальциевая, т.к. свежеобразованный MgC0₃ подвергается полному гид­ролизу, образуя С0₂, для удаления которого требуется дополнительное количество извести.

Итак, действием извести переводят в осадок соли карбонатной жесткости и двуокись углерода и кроме того, заменяют магниевую жесткость кальциевой

MgCl₂ + Са(ОН)₂ = Mg(OH)₂ + СаСl₂

MgS0₄ + Са(ОН)₂ = Mg(OH)₂ + CaS0₄

Сода удаляет соли кальциевой некарбонатной жесткости:

СаСl₂ + Na₂C0₃ = СаСО_э + 2NaCl

CaS0₄ + Na₂C0₃ = CaC0₃ + Na₂S0₄

Для удаления (осаждения) Са²⁺ и Mg²⁺ можно применять фосфат натрия, буру, поташ.

Достаточно часто для устранения жесткости котельной воды вво­дятся фосфаты. При этом растворимые соли кальция осаждаются в виде рыхлого осадка фосфата кальция, который может быть легко удален продуванием котла. Исследование и дозирование фосфатов должно про­водиться, когда котел работает с полной нагрузкой. Если количество фосфатов увеличивается при снижении нагрузки, то это показатель за­грязнения котла, необходимо провести усиленное нижнее продувание, чтобы удалить шлам.

Для очистки природных вод применяются также методы ионного обмена и химическое обессоливание. В методе ионного обмена исполь­зуется способность некоторых природных и искусственных высокомоле­кулярных соединений ионитов обменивать входящие в их состав ради­калы на ионы, находящиеся в воде. Иониты состоят из матрицы несу­щей положительный или отрицательный заряд и подвижных противоио-нов, которые компенсируют своими зарядами заряд матрицы и обмени­ваются на ионы раствора электролита. По типу обмениваемых ионов среди ионитов различают катиониты и аниониты.

Для водоочистки чаще применяются следующие катиониты: при­родные алюмосиликаты типа цеолитов, например: Na₂[Al₂Si₂O₈] nH₂O искусственно приготовленные гидратированные алюмосиликаты - пермутиты, полимерные смолы, содержащие группы -СООН, -S0₃H. У ка­теонитов в раствор переходят катионы, которые могут обмениваться на катионы, содержащиеся в воде.

При прохождении воды через слой Na-катионита, происходит сле­дующий процесс: Na₂R + Са²⁺ = CaR + 2Na⁺, где R - сложный алюмосиликатный анион [Al₂Si₂O₈]^2-. В результате Na - катионирования снижа­ется жесткость воды, но солесодержание практически не меняется.

В результате Н-катионирования происходит обмен ионов Н⁺ ионита на катионы, содержащиеся в воде. В результате этого обмена проис­ходит умягчение воды, снижение щелочности и солесодержания в воде. Однако при этом уменьшается рН воды, она становится коррозионно -агрессивной.

Анионитами являются полимерные смолы, содержащие обычно первичные, вторичные, третичные аминогруппы (слабоосновные анио­ниты) или четвертичные аммонийные основания (сильноосновные). У анионитов в раствор переходят анионы, которые затем обмениваются на анионы, содержащиеся в растворе.

При анионировании воды в реакцию обмена с анионами, содержа­щимися в воде, обычно вступают ионы гидроксила

2Rⁿ⁺nOH^- + nS0₄^2- = R₂ⁿ⁺nS0₄^2- + 2nOH^-

Rⁿ⁺nOH^- + nСl^- = Rⁿ⁺nCl^- + nOH^-

В результате такой обработки повышается щелочность воды.

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит пе­рестает умягчать воду и его подвергают регенерации. Для этого через катионит пропускают раствор хлорида натрия или соляной кислоты. То­гда ионы Са²⁺ и Mg²⁺ переходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na⁺ или Н⁺ . Для регенерации анионита его обрабатывают раст­вором щелочи.

Фильтруя воду последовательно через катионит и анионит, можно ее освободить как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды называется химическим обессоливанием.

Обессоливание воды. Для полного (солесодержание < 1 мг/л) и частичного обессоливания применяются следующие методы. При солесодержании исходной воды более 10 г/л и остаточном солесодержании 1-50 мг/л применяется дистилляция, при исходном солесодержании не более 3 г/л и остаточном 15-150 мг/л — ионный обмен, при исходном со­лесодержании 2,5-15 г/л и остаточном 0,5-1 г/л - электродиализ в мно­гокамерных аппаратах. Для опреснения морской воды при остаточном солесодержании 0,3-1 г/л используется обратный осмос.

Обеззараживание воды. Для уничтожения бактерий, микроорга­низмов, опасных для человека, а также вызывающих биологическое об­растание трубопроводов и оборудования, в воду вводят окислители. Для этого воду хлорируют, озонируют. Хлорирование воды производят жид­ким или газообразным хлором, гипохлоритами NaClO, Са(СlO)₂. При взаимодействии хлора с водой образуется хлорноватистая кислота, которая обладает бактерицидными свойствами

Сl₂ + Н₂0 НСl0 + НСl

При взаимодействии хлора с органическими веществами возможно об­разование токсических веществ, например СНС1з, поэтому в настоящее время применяется озонирование воды.