Водоподготовка

Водоподготовка – это совокупность методов обработки воды для приведения ее качества в соответствие с требованиями потребителей. Устранение жесткости называют умягчением. Выбор метода умягчения определяется исходной жесткостью воды, необходимой глубиной умягчения и экономическими соображениями. Если вода очень жесткая сначала используют реагентный метод. Реагентный метод состоит в добавлении реагентов, с которыми катионы Са²⁺ и Мg²⁺ образуют нерастворимые соединения и выпадают в осадок. Этот осадок отфильтровывают, после чего воду используют для питания котлов или в производстве. Для осаждения ионов Са²⁺ и Мg²⁺ используют известь, соду, фосфаты и т.д. (Приложение. Таблица 3). Реагентный метод дешевый, но умягчение воды, достигаемое при этом (0.2-0.4мэкв/л), часто не удовлетворяет потребителя. Воду после него подвергают дальнейшему умягчению (дистилляция, иониты) до 0.01мэкв/л.

Ионнообменные смолы (иониты). Принцип действия ионитных фильтров основан на способности некоторых нерастворимых в воде ВМС (высокомолекулярных соединений) обменивать содержащиеся в них ионы на ионы контактирующего с ними водного раствора. Иониты делятся на катиониты и аниониты. Катиониты задерживают катионы, таким образом умягчают воду (до 0.01- 0.02мэкв/л ). Аниониты задерживают анионы. Вода, пропущенная через катионит и анионит, является обессоленной.

При прохождении воды через катионный фильтр содержащиеся в ней катионы-накипеобразователи Са²⁺ и Мg²⁺ заменяются эквивалентным количеством катионов натрия (Na-катионит) или водорода (Н-катионит):

[Кат]Na₂ + CaCl₂ ® [Кат]Ca + 2NaCl;

[Кат]H₂ + CaCl₂ ® [Кат]Ca + 2HCl.

При фильтровании через слой анионита происходит замена анионов солей жесткости (Cl^-, SO₄^2-) на эквивалентное количество ионов ОН^-:

[Ан]OH + Cl^- ® [Ан]Cl + OH^-;

[Ан](OH)₂ + SO₄^2- ® [Ан]SO₄^2- + 2OH^-.

Когда иониты насытятся ионами солей и перестанут в должной мере поглощать ионы из раствора, производят их регенерацию. Для регенерации Na-катионита используют 5-10% раствор NaCl:

[Кат]Ca + 2NaCl ® [Кат]Na₂ + CaCl₂.

Н-катионит регенерируют 2-5% раствором соляной или серной кислоты:

[Кат]Ca + 2НCl ® [Кат]Н₂ + CaCl₂.

Для удаления ионов Cl^- и SO₄^2- из анионита его промывают 2-5% раствором NaOH:

[Ан]Cl + NaOH ® [Ан]OH + NaCl.

В качестве ионитов используются алюмосиликаты, сульфоуголь, синтетические ионообменные смолы (катиониты КУ-1 и КУ-2, анионит АВ-17 и др.). На судах для умягчения питательной воды чаще всего используют Na-катионит. В электронной промышленности для изготовления полупроводниковых приборов обессоленную воду получают последовательным фильтрованием через Н-катионит, а затем через ОН-анионит.

В последние годы в быту получили широкое распространение фильтры для очистки питьевой воды, в которых используются различные иониты. При использовании бытовых фильтров необходимо внимательно ознакомиться с инструкцией по их эксплуатации и своевременно заменять отработавший картридж, загрязненный поглощенными из воды примесями.

Дистилляция. При испарении соленой воды образуется пресный пар. Его конденсируют и получают пресную воду. Для понижения температуры кипения воды процесс ведут в вакууме. В жарких странах возможно использование гелиоопреснения, при котором воду нагревают за счет солнечной энергии. Но недостатками метода являются и небольшая производительность (большие площади) и инертность (начинают работать не ранее, чем через 2 часа после восхода солнца).

Для опреснения – получения питьевой воды путем частичного обессоливания морских или подземных вод – часто используют электродиализ и метод обратного осмоса.

Электродиализ - это электрохимический способ обессоливания воды, основанный на использовании явления электролиза. В среднее пространство электролизера (рис.1) ограниченное полупроницаемыми мембранами, заливают соленую воду. Полупроницаемые мембраны представляют собой тонкие пластины, способные пропускать либо только катионы, либо только анионы. Движение катионов (положительно заряженных частиц) через катионитовую мембрану усиливается за счет отрицательного полюса источника тока (катода), установленного за катионитовой мембраной. Движение анионов (отрицательно заряженных частиц) усиливается за счет положительного полюса источника тока (анода), установленного за анионитовой мембраной. В среднем пространстве электродиализера получается обессоленная вода.

Рис. 1. Схема электродиализатора.

В процессе опреснения на катоде (-) будет происходить восстановление воды, поскольку катионы Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, содержащиеся в соленой воде, не восстанавливаются из водных растворов:

2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^-.

На аноде (+) происходит окисление воды и анионов хлора:

2H₂O – 4e = O₂ + 4H⁺,

2Cl^- - 2e= Cl₂.

Электродиализ пригоден для обессоливания высокоминерализованных вод, содержащих солей до 30 г/л.

Обратный осмос (гиперфильтрация) заключается в фильтровании воды под давлением 2-10 мПа через полупроницаемые мембраны, которые пропускают воду, но задерживают ионы солей и молекулы органических соединений (рис. 2).

Рис.2. Обессоливание воды с помощью обратного осмоса.

Скорость проникновения воды через мембрану можно выразить формулой

v = K(p – p_осм),

где p - рабочее давление, p_осм - осмотическое давление, К - константа мембраны.

Основной частью обратноосмотического аппарата являются полупроницаемые мембраны, которые изготавливают из полимеров, ацетат целлюлозы, пористого стекла, графитов, металлической фольги. Обратный осмос является наиболее экономичным методом опреснения воды.

В таблице 5 сравниваются различные методы водоподготовки.

Таблица 5

Сравнительная характеристика методов водоподготовки

Метод водоподготовки	Исходное допустимое солесодержание	Остаточное солесодержание
Реагентный		0.2-0.4 мэкв/л
Дистилляция	>10 г/л (>30 мэкв/л)^*	1-50 мг/л (0.01-0.02 мэкв/л)
Ионный обмен	<3 г/л	15-150 мг/л)0.01-0.02 мэкв/л)
Электродиализ	2.5-15 г/л	0.5-1 г/л
Обратный осмос	3-3.5 г/л	0.3-1 г/л

* - в скобках приведены данные по жесткости и умягчению.

Удаление из воды растворенных газов проводятся методами химической и термической деаэрации.

Термическая деаэрация основана на понижении растворимости газов при повышении температуры. Поэтому, для удаления растворенных газов исходная вода подогревается до кипения. Термической деаэрацией содержание растворенного кислорода может быть снижено до 0.03 мг/л. Когда допустимая концентрация кислорода должна быть меньше, очистку воды проводят методами химической деаэрации:

- гидразиновый метод – в деаэрируемую воду вносят порошок гидразина N₂H₄:

N₂H₄ + O₂ = N₂ + H₂O;

Образующиеся при этом продукты безопасны с точки зрения коррозии. Однако сам гидразин весьма токсичен.

- натрийсульфатный метод – в результате реакции

Na₂SO₃ + 1/2O₂ = Na₂SO₄

Снижается содержание кислорода. При этом происходит повышение солесодержания в деаэрируемой воде, что способствует образованию шлама или отложению сульфатной накипи.

- ионитовый метод – основан на фильтрации воды через зерна специальных ионитов, на поверхности которых протекают окислительно-восстановительные реакции с поглощением растворенного кислорода.

Дата добавления: 2015-06-30