Реагентные методы умягчения воды

Цель работы

Целью работы является:

- закрепление, углубление и расширение знаний студентов при изучении методов очистки воды;

- овладение практическими приемами водоподготовки на современном уровне;

- развитие у студентов профессиональных навыков при проведении экспериментальных исследований и обработке результатов.

2 Предмет и содержание работы

Многообразие примесей в природной воде служит причиной того, что очистка добавочной воды для подпитки котлов организуется в несколько этапов. На начальном этапе из воды удаляются грубодисперсные и коллоидные вещества, а также снижается бикарбонатная щелочность (карбонатная жесткость) воды, на дальнейших этапах производится очистка от истинно-растворенных примесей.

Предварительная очистка (предочистка) воды из поверхностного источника может быть осуществлена методами коагуляции или осаждения накипеобразователей с последующим осветлением. Методы коагуляции и осаждения являются реагентными, т.к. для выделения примесей в воду дозируются специальные реагенты. Окончательная очистка воды от осадка осуществляется при помощи процесса фильтрования на механических фильтрах. Этот процесс тоже относится к предочистке, но является безреагентным.

Вода, прошедшая предочистку, практически не содержит ГДП, но основная часть примесей, находящихся в истинно-растворимом состоянии (в виде ионов и молекул), остается в воде и должна быть удалена на следующем этапе очистки. В настоящее время для этого применяют ионный обмен, термические и другие методы.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора (воды с растворенными примесями) с твердым веществом – ионитом, обладающим способностью обменивать ионы, содержащиеся в нем, на ионы, присутствующие в растворе.

На многих ТЭС восполнение потерь конденсата производится дистиллятом, который получается из химически обработанной воды в испарительных установках. Процесс термического обессоливания заключается в том, что поступающая в испарительные установки вода за счет передачи тепла от подводимого в нагревательную систему греющего пара превращается во вторичный пар, который затем конденсируется.

Предварительная очистка воды.

Коагуляция примесей воды.

Одним из наиболее распространенных методов предварительной очистки воды на ВПУ ТЭС является коагуляция примесей воды сернокислым алюминием.Коагуляция предназначена для очистки воды от взвешенных и коллоидных веществ и для ее обесцвечивания.

В коллоидном состоянии в воде присутствуют некоторые органические вещества, значительная часть соединений железа, алюминия и кремниевая кислота. Коллоидные вещества не способны к достаточно быстрому самопроизвольному соединению в более крупные образования и отделению из воды, т.к. несут одноименный электрический заряд, препятствующий их соединению. Фильтрованием коллоидные частицы нельзя задержать из-за их очень малых размеров. Поэтому используют процесс коагуляции, при котором происходит укрупнение частиц, завершающееся выпадением вещества в осадок, удаляемый из воды осаждением и фильтрованием. Для этого вводят в обрабатываемую воду коагулянт Al₂(SO₄)₃× 18H₂O.

При введении коагулянта в воду происходит гидролиз соли алюминия. Образовавшаяся в результате гидролиза гидроокись алюминия выпадает в осадок в виде мелких хлопьев, которые постепенно соединяются в более крупные, образуя шлам.

Al₂(SO₄)₃ ®2Al³⁺ +3

Al³⁺ +3H₂O ® Al(OH)₃¯ + 3H⁺

В процессе образования хлопьев происходит удаление из воды коллоидных, тонкодисперсных и грубодисперсных веществ. Образующиеся при гидролизе коагулянта ионы водорода связываются бикарбонат-ионами, содержащимися в воде.

Для интенсификации процесса коагуляции часто в обрабатываемую воду вводят специальные вещества - флокулянты. Сущность процесса флокуляции состоит в том, что агрегация коллоидных частиц, в этом случае, происходит не только непосредственно, но и через молекулы флокулянта. В качестве флокулянта обычно используется полиакриламид (ПАА).

На формирование хлопьев, а также их отделение из воды оказывают влияние следующие факторы: дозы реагентов, величина рН, условия ввода реагентов и перемешивания их с водой, температура воды и ее стабильность, скорость восходящего движения воды в осветлителе и количество взвеси в исходной воде.

Примерную дозу коагулянта в зависимости от состава примесей воды можно определить по таблице 1.

Таблица 1

Окисляемость воды, мг О/дм³	Концентрация взвешенных веществ, мг/дм³	Прозрачность по кольцу, см	Доза безводного коагулянта, мг-экв/дм³
5-8	До 10		0, 3-0, 5
8-12	10-100 100-200 200-400		0, 4-0, 6 0, 6-0, 8 0, 7-1, 0
12-15	400-600 600-800		0, 8-1, 25 0, 95-1, 4

Доза безводного коагулянта может быть определена по формуле

, мг-экв/дм³

где - окисляемость исходной воды, мгО/дм³.

При обработке цветных вод доза коагулянта определяется по формуле:

, мг-экв/дм³

где Ц - цветность воды в градусах Pt-Co шкалы; Э_К – эквивалент безводного коагулянта равный 57.

Выбор дозы флокулянта в дополнение к коагулянту может быть произведен по таблице 2.

Таблица 2

Характеристика исходной воды	Концентрация взвешенных веществ, мг/дм³	Цветность, градусы Pt-Co шкалы	Доза ПАА Д_ф, мг/дм³
Высокомутные	более 500	20-10	0, 4-0, 0
Мутно-цветные	100-500 100 - 50	60-20 100-60	1, 0-0, 5 1, 5-1, 0
Маломутные, цветные	до 50	более 100	2, 0-1, 5

Качество воды после обработки должно быть следующее:

-прозрачность по «кольцу» не менее 45см, по «шрифту» не менее 30см;

-мутность - не более 10 мг/дм³;

-окисляемость снижается на 50-75%;

-кремнесодержание снижается на 50%;

-свободная углекислота возрастает на дозу коагулянта;

-содержание бикарбонат-ионов уменьшается на дозу коагулянта;

-общая щелочность снижается на дозу коагулянта;

-общая жесткость – не изменяется, карбонатная снижается на дозу коагулянта, некарбонатная - увеличивается на эту величину;

-водородный показатель - рН=5, 5-7, 5;

-содержание сульфат-ионов – увеличивается на дозу коагулянта.

2.1.2Электрохимический метод коагуляции примесей воды

Электрохимический методоснован на анодном растворении металла в воде при прохождении через нее электрического тока. Под действием электрического тока металл анода (например, алюминий) переходит в раствор в виде ионов Al³⁺ c последующим их гидролизом (образованием Al(OH)₃) и участием в процессе коагуляции коллоидных и грубодисперсных примесей воды.

На аноде происходит окисление металла с переходом его ионов в раствор: Al – 3ē ® Al³⁺

На катоде происходит реакция восстановления. Электроны ассимилируются (присоединяются) молекулами воды с образованием водорода и гидроксильных ионов:

2Н₂О + 2ē ® Н₂ + 2ОН¯

Ионы алюминия Al³⁺ с гидроксильными ионами ОН¯ образуют гидроксид:

Al³⁺ + 3ОН¯ ® Al(ОН)₃¯

Гидроксид сорбируется на поверхности микрочастиц с образованием хлопьев, которые постепенно укрупняются, превращаясь во флокулы. Крупные флокулы под действием силы тяжести отделяются от воды.

Качество воды после обработки должно быть следующее:

-прозрачность - по «кольцу» не менее 45см, по «шрифту» не менее 30см;

-мутность - не более 10 мг/дм³;

-окисляемость снижается на 50-75%;

-кремнесодержание снижается на 50%.

Методы ионного обмена

Обработка воды методом ионного обмена заключается в фильтровании воды через слой ионообменного материала (ионита), практически нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать с содержащимися в обрабатываемой воде ионами примесей.

Иониты, обладающие свойствами обменивать катионы, называются катионитами, а иониты, обладающие свойством обменивать анионы - анионитами. Ион, который отдает ионит взамен поглощаемых ионов примесей воды, называют обменным.

1) Метод Н-катионирования основан на фильтровании воды через катионит, отрегенерированный кислотой. Протекающие при этом процессы могут быть представлены следующими реакциями:

2RH+Ca(HCO₃)₂ « R₂Ca+2H₂O+2CO₂

2RH+MgCl₂ « R₂Mg+2HCl

2RH+Na₂SO₄ « 2RNa+H₂SO₄

где R - комплекс матрицы и функциональной группы без обмен- ного иона (его принято считать одновалентным).

Назначением Н-катионирования является удаление всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода. Соли кальция (Са²⁺), магния (Mg²⁺) и натрия (Nа⁺) переходят в свободные кислоты (HCl, H₂SO₄, HNO₃, и т.п.). При этом жесткость Н-катионированной воды снижается до 0, 01 мг-экв/дм³ и ниже, а щелочность удаляется полностью, так как выделяющиеся в воду ионы водорода реагируют с бикарбонат-ионами

Таким образом, при Н-катионировании одновременно с основным процессом происходит разрушение бикарбонатной щелочности воды. Фильтрат приобретает кислотность, равную остаточной концентрации ионов Н⁺ (сумме присутствующих Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-). Поэтому
Н-катионированная вода является кислой и непригодной для питания паровых котельных агрегатов. В схемах химического обессоливания на ВПУ ТЭС процесс Н-катионирования применяется в сочетании с анионированием.

2) Метод ОН-анионирования основан на фильтровании воды через анионит, отрегенерированный щелочью. Взаимодействие Н-катионированной воды с анионитом можно представить в виде следующих реакций:

2RОH+ H₂SO₄ ® R₂SO₄+2H₂O

ROH+ HCl ® RCl+H₂O

ROH+ HNO₃ ® RNO₃+H₂O

Переход в воду ионов ОН^- приводит к повышению ее рН, что сопровождается диссоциацией слабых кислот Н₂СО₄ и Н₂SiО₃ и переводу их в ионное состояние. Следовательно, они также могут участвовать в реакциях обмена, но лишь при использовании высокоосновных анионитов:

2RОH+H₂CO₃ ® RHCO₃+H₂O

2ROH+H₂SiO₃ ® RHSiO₃+H₂O

Анионирование производится с целью удаления из воды анионов. При сочетании катионирования с анионированием происходит химическое обессоливание воды.

Качество воды после обработки (одна ступень обессоливания):

- общая жесткость , мг-экв/дм³, не более 0, 001;

- солесодержание S, мг/дм³, не более 5.

3) Метод Na-катионирования основан на фильтровании воды через катионит, отрегенерированный поваренной солью. При этом происходят следующие реакции:

2RNa+Ca(HCO₃)₂ « R₂Ca+2NaHCO₃

2RNa+MgCl₂ « R₂Mg+2NaCl

2RNa+СаCl₂ « R₂Са+2NaCl

Назначением Na-катионирования является удаление из воды катионов кальция и магния в обмен на эквивалентное количество катионов натрия. При этом жесткость воды снижается, щелочность не изменяется, а солесодержание несколько увеличивается.

Одноступенчатым Na-катионированием можно получить воду с остаточной жесткостью до 0, 1 мг-экв/дм³, в схеме двухступенчатого Na-катионирования обеспечивается остаточная жесткость фильтрата менее 0, 01 мг-экв/дм³.

3 Описание лабораторных установок.

3.1Установка для реагентной обработки и фильтрования воды.

Пробную коагуляцию и умягчение воды методами осаждения накипеобразователей проводят в стеклянных колбах-смесителях вместимостью 0, 5-1, 0 дм³. Реагенты дозируют в виде растворов, отмеривая их количество мерными цилиндрами вместимостью 25-50 см³ или с помощью бюреток. Для фильтрования используют механический фильтр с зернистой загрузкой или прибор, состоящий из вакуумного насоса, колбы Бунзена и воронки Бюхнера с бумажным фильтром. Принципиальная схема установки представлена на рисунке 1.

1 - смеситель; 2 - исходная вода; 3 – реагенты-осадители; 4 - раствор коагулянта; 5 - раствор флокулянта; 6 - обработанная реагентами вода; 7 - механический фильтр; 8 - осветленная вода.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки для предварительной очистки воды.

Растворы реагентов:

-известковое молоко Ca(OH)₂ с концентрацией С_и;

-раствор соды Na₂CO₂ c концентрацией С_с;

-раствор коагулянта Al₂(SO₄)₃ или FeSO₄ с концентрацией С_к.

- раствор флокулянта ПАА с концентрацией С_ф.

Цель работы

Целью работы является:

- закрепление, углубление и расширение знаний студентов при изучении методов очистки воды;

- овладение практическими приемами водоподготовки на современном уровне;

2 Предмет и содержание работы

Предварительная очистка воды.

Коагуляция примесей воды.

Al₂(SO₄)₃ ®2Al³⁺ +3

Al³⁺ +3H₂O ® Al(OH)₃¯ + 3H⁺

Примерную дозу коагулянта в зависимости от состава примесей воды можно определить по таблице 1.

Таблица 1

Окисляемость воды, мг О/дм³	Концентрация взвешенных веществ, мг/дм³	Прозрачность по кольцу, см	Доза безводного коагулянта, мг-экв/дм³
5-8	До 10		0, 3-0, 5
8-12	10-100 100-200 200-400		0, 4-0, 6 0, 6-0, 8 0, 7-1, 0
12-15	400-600 600-800		0, 8-1, 25 0, 95-1, 4

Доза безводного коагулянта может быть определена по формуле

, мг-экв/дм³

где - окисляемость исходной воды, мгО/дм³.

При обработке цветных вод доза коагулянта определяется по формуле:

, мг-экв/дм³

где Ц - цветность воды в градусах Pt-Co шкалы; Э_К – эквивалент безводного коагулянта равный 57.

Выбор дозы флокулянта в дополнение к коагулянту может быть произведен по таблице 2.

Таблица 2

Характеристика исходной воды	Концентрация взвешенных веществ, мг/дм³	Цветность, градусы Pt-Co шкалы	Доза ПАА Д_ф, мг/дм³
Высокомутные	более 500	20-10	0, 4-0, 0
Мутно-цветные	100-500 100 - 50	60-20 100-60	1, 0-0, 5 1, 5-1, 0
Маломутные, цветные	до 50	более 100	2, 0-1, 5

Качество воды после обработки должно быть следующее:

-прозрачность по «кольцу» не менее 45см, по «шрифту» не менее 30см;

-мутность - не более 10 мг/дм³;

-окисляемость снижается на 50-75%;

-кремнесодержание снижается на 50%;

-свободная углекислота возрастает на дозу коагулянта;

-содержание бикарбонат-ионов уменьшается на дозу коагулянта;

-общая щелочность снижается на дозу коагулянта;

-водородный показатель - рН=5, 5-7, 5;

-содержание сульфат-ионов – увеличивается на дозу коагулянта.

2.1.2Электрохимический метод коагуляции примесей воды

На аноде происходит окисление металла с переходом его ионов в раствор: Al – 3ē ® Al³⁺

2Н₂О + 2ē ® Н₂ + 2ОН¯

Ионы алюминия Al³⁺ с гидроксильными ионами ОН¯ образуют гидроксид:

Al³⁺ + 3ОН¯ ® Al(ОН)₃¯

Качество воды после обработки должно быть следующее:

-прозрачность - по «кольцу» не менее 45см, по «шрифту» не менее 30см;

-мутность - не более 10 мг/дм³;

-окисляемость снижается на 50-75%;

-кремнесодержание снижается на 50%.

Реагентные методы умягчения воды

Реагентные методыосаждения накипеобразователей основаны на реакциях, в результате которых образуются труднорастворимые соединения, удаляемые из воды в виде осадков. К таким методам относятся известкование, содоизвесткование и другие.

Умягчение воды методами осаждения основано на связывании катионов кальция и магния карбонатными и гидроксильными ионами с образованием труднорастворимых соединений карбоната кальция CaCO₃ и гидроксида магния Mg(OH)₂.

Карбонатные и гидроксильные ионы вводятся в обрабатываемую воду с различными реагентами-осадителями, в качестве которых применяют гашеную известь Ca(OH)₂, кальцинированную соду Na₂CO₃, иногда - каустическую соду или едкий натр NaOH. Эти реагенты могут применяться, как каждый в отдельности, так и в комбинациях. При повышенной окисляемости воды дополнительно к обработке реагентами-осадителями необходимо предусматривать коагуляцию. В качестве коагулянта применяют железный купорос FeSO₄ ∙ 7 H₂O.

При использовании коагулянта интенсифицируется эффект очистки воды от глинистой взвеси, органических веществ, соединений железа, кремниевой кислоты, веществ, обусловливающих цветность природной воды. При введении коагулянта в воду наряду с гидролизом происходит окисление железа с образованием коллоидного раствора гидроксида железа. Коагулирующий гидроксид сорбируется на поверхности коллоидных и грубодисперсных примесей, связывая их в комплексы. Образующиеся флоккулы, выделяются из воды.

На формирование шлама и на его отделение из воды также влияют дозы реагентов, величина рН, условия ввода реагентов и перемешивания их с водой, температура воды и ее стабильность, скорость восходящего движения воды в осветлителе и количество взвеси в исходной воде.

Качество воды после обработки зависит от технологии осаждения, используемых реагентов и условий проведения процесса. Нормы качества воды, обработанной методами осаждения, следующие:

-прозрачность - по «кольцу» не менее 45см, по «шрифту» не менее 30см;

-мутность - не более 10 мг/дм³;

-окисляемость снижается на 40-60%;

-кремнесодержание снижается на 50%;

-свободная углекислота удаляется полностью;

-бикарбонат-ион не обнаруживается;

-общая щелочность не более 1 мг-экв/дм³;

-общая жесткость - при известковании ; при содоизвестковании - не более 0, 4 мг-экв/дм³;

-водородный показатель - рН=9, 5-10, 5;

-содержание сульфат-ионов – увеличивается на дозу коагулянта.

1) Известкование используется для декарбонизации, снижения щелочности воды, частичного умягчения (удаления карбонатной жесткости) и снижения солесодержания. Одновременно из воды удаляются грубодисперсные примеси, органические загрязнения, соединения железа и кремниевой кислоты. При этом протекают реакции:

CO₂ + Ca(OH)₂ ® CaCO₃¯ +H₂O;

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ ®2CaCO₃¯ +H₂O;

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂®Mg(OH)₂¯ +2CaCO₃¯ +H₂O;

4Fe(HCO₃)₂ +8Ca(OН)₂ + O₂ ®4Fe(OH)₃¯ +8CaCO₃¯ +6H₂O;

Fe₂(SO₄)₃ +3Ca(OH)₂®2Fe(OH)₃¯ +3CaSO₄;

H₂SiO₃ + Ca(OH)₂ ® CaSiO₃¯ +2H₂O;

H₂SiO₃ +Mg(OH)₂ ® Mg(OH)HSiO₃¯ +H₂O

Процесс известкования применяется для вод со щелочностью более 1, 5мг-экв/дм³, за исключением вод с большим превышением щелочности над жесткостью воды. При необходимости известкование может совмещаться с коагуляцией. Происходящая при коагуляции в условиях известкования реакция записывается следующим образом:

4FeSO₄ +4Ca(OH)₂ + 2H₂O +O₂® 4Fe(OH)₃¯ + 4CaSO₄

Это значит, что часть извести расходуется на гидролиз
коагулянта.

Доза извести зависит от качества исходной воды и определяется расчетом, а затем корректируется. Доза коагулянта выбирается ориентировочно, уточняется расчетом и проверяется в лабораторных условиях. Поскольку остаточная бикарбонатная щелочность в известкованной воде мала, в приближенных расчетах ее величиной, как правило, пренебрегают.

Для вод 1 группы при Ж_Са ³ Щ_били Ж_Са + Д_к ³ Щ_б, если известкование дополняется коагуляцией, доза извести в миллиграмм-эквивалентах на 1дм³ воды определяется уравнением:

где Ж_Са, Щ_б – соответственно кальциевая жесткость и бикарбонатная щелочность исходной воды, мг-экв/дм³; Д_к – доза коагулянта, мг-экв/дм³, ориентировочно принятая по таблице 3; - содержание углекислоты, мг-экв/дм³.

Таблица 3

Цветность, град. Pl -Co шкалы	Содержание взвешенных веществ, мг/дм³	Прозрачность по «кольцу», см	Доза безводного коагулянта, мг-экв/дм³
20-30	до 50		0.33
30-40	50-100		0.39
50-60	100-200		0, 53
60-70	200-500		0, 70

Для вод 2 группы при Ж_Са < Щ_б или Ж_Са + Д_к < Щ_б требуется увеличить дозу извести на величину дефицита ионов кальция. Это - случай обработки исходных вод, содержащих магниевую карбонатную жесткость. Для того, чтобы достичь выделения ионов магния, необходимо обеспечить соответствующую концентрацию гидроксильных ионов в известкованной воде, т. е. дозировать известь с избытком. Требуемая доза извести в миллиграмм-эквивалентах на 1дм³воды в этом случае равна:

где И_и – избыток извести, равный 0, 1-0, 2 мг-экв/дм³.

Уточненная доза коагулянта в миллиграмм-эквивалентах на 1дм³воды в пересчете на безводное сернокислое железо FeSO₄ составит:

гдеС – количество образующейся при умягчении взвеси мг/дм³;

76 – эквивалентная масса FeSO₄.

Количество образующейся при умягчении взвеси определяется по формулам:

- для вод с отношением :

где С_В- содержание взвешенных веществ в исходной воде, равное 100-400 мг/дм³; а_к –коэффициент, равный 0, 5-1, 0.

2) Содоизвесткование осуществляется в целях удаления солей не только карбонатной, но и некарбонатной жесткости, при этом кроме реакций, протекающих при известковании, происходят следующие реакции:

CaSO₄ + Na₂CO₃ ® CaCO₃¯ + Na₂SO₄

MgCl₂ + Ca(OH)₂ ® Mg(OH)₂ ¯ + CaCl₂;

CaCl₂ + Na₂CO₃ ® CaCO₃¯ + 2NaCl

В отличие от известкования в этом способе достигается глубокое умягчение воды. Известково-содовая обработка может совмещаться с коагуляцией примесей воды. Коагуляция достигается при помощи железного купороса. Дозу коагулянта находят по таблице 3 и уточняют аналогично. Количество взвеси определяют по формулам:

-для вод с отношением :

Дозы извести и соды в миллиграмм-эквивалентах на 1дм³ воды при содоизвестковании определяют по формулам:

или ,

где Ж_о, Щ_о – соответственно общая жесткость и щелочность воды, мг-экв/дм³; И_и – избыток извести равный 0.2-0, 35 мг-экв/дм³, И_с – избыток соды не превышающий 1 мг-экв/дм³.

В отсутствии необходимости удаления коллоидных примесей расчетные дозы извести и соды не включают расход этих реагентов на химические реакции с участием коагулянта.

12 Следующая ⇒