Методы очистки воды

---

Кафедра физической и органической химии

Курсовая работа

по дисциплине:

« Методы контроля состава продукции растениеводства и продуктов питания при хранении»

на тему:

«Методы очистки воды»

                                                                                             Выполнил:

студент 114 группы

                                                                        факультета ПАЭ

Пивоваров И.А.

                                                                        Руководитель:

                                              Белопухов Сергей Леонидович, д.с.-х.н.,профессор

Москва, 2013 г.

Содержание:

Введение……………………………………………………………………………2

1. Качество воды……………………………………………………………..3
2. Основные загрязнители оборотных вод…………………………………5
3. Факторы, влияющие на качество воды………………………………….6
4. Водопотребление…………………………………………………………8

5. Основные  технологические схемы водоподготовки……………………9

1) Очистка воды……………………………………………………………..9

2) Классификация фильтров………………………………………………11

3) Умягчение воды…………………………………………………………13

4) Смешанный слой ионитов…………………………………………….16

6. Заключение……………………………………………………………….18

7. Список литературы………………………………………………………19

Введение

Вода в промышленности используется как сырьё при получении различных продуктов, таких как спирты, кислоты и т.д.; в качестве разбавителя и растворителя используется при выщелачивании и кристаллизации. Вода является теплоносителем и охладителем в различных технологических процессах; служит рабочей средой в гидравлических устройствах; является моющим средством при промывке сырья, тары, готовых изделий. На каждом предприятии вода используется также в непромышленных целях: для удовлетворения потребностей персонала, противопожарной безопасности, обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий и т.д. Расход воды для промышленного предприятия определяют в зависимости от удельного расходования воды и мощности предприятия. Удельное водопотребление в значительной мере зависит от технологической схемы производства, системы промышленного водоснабжения, климатических условий и ряда других факторов.

Для крупных промышленных объектов требуемое количество воды и водных ресурсов часто оказывается недостаточным. Дефицит водных ресурсов и необходимость резкого уменьшения стоков обусловливают необходимость широкого применения в производстве оборотного водоснабжения и повторного использования воды.

На промышленном предприятии следует предусматривать строительство локальных очистных сооружений для очистки стоков, охлаждения оборотной воды, обработки и повторного использования сточных вод. Последовательное и прямоточное использование воды на производственные нужды со сбросом очищенных сточных вод в водоем допускается только при невозможности или нецелесообразности применения её в системе оборотного водоснабжения.

Качество воды

В производстве устанавливается в зависимости от требований технологического процесса.

Вода, используемая в производстве, должна быть безвредной для здоровья человека при контакте с ней и не должна обладать отрицательными органолептическими свойствами при открытой системе водоснабжения.

Используемая для охлаждения жидких и конденсации газообразных продуктов в теплообменных аппаратах и для охлаждения оборудования, вода не должна создавать механических и солевых отложений, коррозии металла и биологических обрастаний теплообменного оборудования, разрушать конструктивные материалы и сооружения систем водоснабжения.

В процессах многократного использования воды ухудшается её качество. Механические грубодисперсные примеси, попадающие в систему оборотного водоснабжения, могут циркулировать в ней и частично осаждаться. Основным источником загрязнения грубодисперсными примесями является вода поверхностных источников, поступающая для восполнения потерь в системе.

Для удаления грубодисперсных примесей из воды, поступающей для подпитки системы, применяют отстойники, осветлители, фильтры с песчаной загрузкой. Для вывода из оборотной системы взвешенных веществ применяют сетчатые или напорные песчаные фильтры.

В результате постоянного испарения воды в системах оборотного водоснабжения повышается солесодержание в воде. Соли в оборотной воде подразделяются на хорошо растворимые, не выпадающие в осадок, и на воли, которые из-за недостаточной растворимости или вследствие физико-химических процессов в охлаждающих системах выпадают в осадок и создают отложения.

По качеству воды существует классификация:

Первый класс. Частично или глубокообессоленная, но не обескремненная вода. Такой водой может быть дистиллят или фильтрат после одноступенчатой ионообменной очистки.

Второй класс. Дистиллят или конденсат, используемый в контурах водяного охлаждения и насыщенный продуктами коррозии.

Третий класс. Воды, содержащие не только гидросиликат-ионы, но и гидрокарбонаты.

Четвертый класс. Вода, содержащие анионы сильных кислот.

Пятый класс. Воды, наиболее часто встречающиеся в природе и содержащие анионы как сильных, так и слабых кислот.

Шестой класс. Воды, отличающиеся преобладающим содержанием гидрокарбонат – ионов.

         Основные загрязнители оборотных вод

Карбонат кальция – наиболее часто встречающийся компонент солевых отложений в системах – выпадает на стенки труб теплообменных аппаратов в результате нарушения углекислотного равновесия. Этот вид отложений является типичным для систем, использующихся в качестве добавочной воду со значительной бикарбонатной жесткостью и щелочностью. Отложения образуются в результате распада бикарбоната при дефиците углекислоты в растворе.

Соли магния встречаются реже, хотя образуются в виде гидроксида магния при рН=10; при большом содержании силикатов – в виде силикатов магния. Сульфат кальция также может  являться причиной отложений.

Фосфаты могут образовывать нерастворимые соли.

Гидроксиды металлов встречаются в отложениях редко, однако их можно найти в системах охлаждения с высокими значениями рН. Гидроксид железа образуется в результате коррозии и превращается в гидрированную окись железа, или ржавчину.

Факторы, влияющие на качество воды

Многие факторы как физического, так и химического свойства влияют на интенсивность отложения солей. Это прежде всего величина рН, температура воды и особенно температура поверхности труб, находящихся в контакте с водой; интенсивность теплообмена между водой и поверхностью контакта; состав воды; способ её обработки; конструкции теплообменного оборудования; продолжительность пребывания воды в системе.

Величина рН влияет на растворимость всех солей. От величины рН зависит тенденция кальция образовывать карбонаты; чем выше рН охлаждающей воды, тем заметнее тенденция к образованию отложений из минеральных солей.

У многих солей, выпавших из растворов, особенно у карбоната кальция, растворимость снижается с увеличением температура. При этом температура поверхности металла труб играет главную роль в скорости отложения. Высокие скорости воды в трубах способствуют предотвращению отложений солей на поверхности контакта.

Коррозия металлов в охлажденной воде появляется в результате наличия растворенного кислорода и углекислоты. Последняя снижает рН воды, вследствие чего происходит воздействие кислоты на металл. Основными физическими факторами, способствующими коррозии, являются температура, контакты различных по потенциалу металлов в водной среде и твердые отложения взвешенных веществ. Твердые отложения в трубопроводах и теплообменных аппаратах образуют области, изолированные от общего потока воды, и коррозия под ними может протекать за счет разного уровня аэрирования воды в основной массе потока воды, и в слое воды под отложениями. В системах оборотного водоснабжения охлаждающая вода обогащается кислородом до полного насыщения.Другими факторами, усиливающими коррозию, являются электропроводность воды и наличие таких растворенных в воде газов, как сернистый ангидрид, аммиак, хлор и др., которые могут попадать в охлаждающую воду из окружающего атмосферного воздуха в градирнях. Среди других причин, усиливающих коррозию, важно отметить отложения продуктов коррозии на стенках труб, биологические обрастания, а также в некоторых случаях накипи.

В нейтральной или щелочной воде коррозия может начаться в результате разрушения защитной окисной пленки на поверхности металла и разницы потенциалов между чистым металлом и пленкой. В результате происходит электрохимическое разрушение металла. Присутствие кислорода ускоряет этот процесс, и коррозийное воздействие усиливается за счет аэрации воды на градирнях. Биологические обрастания в системах оборотного водоснабжения также могут быть причиной усиления коррозии.

Для предотвращения коррозии применяют неорганические ингибиторы: хроматы, фосфаты, редко силикаты и нитраты. Хорошее защитное действие оказывают хроматы в присутствии солей металлов, например сернокислого цинка и фосфатов.

Биологические обрастания в системах оборотного водоснабжения свидетельствует об интенсивном росте и развитии различных форм бактерий, грибов и водорослей. Эта интенсификация происходит в результате того, что в оборотных системах по сравнению с водой в источнике существуют более оптимальные температурные условия для указанных организмов и более высокие концентрации питательных веществ для них. Кроме того, в оборотную воду могут попасть в значительных количествах бактерии из воздуха. Бактериальные и грибковые биологические обрастания, как правило, наблюдаются в теплообменных аппаратах; обрастания водорослями – в градирнях.

        Водопотребление

Для каждого вида промышленного производства имеются нормы водопотребления. Наиболее водоемкие – это производство искусственного волокна, бумаги, шерстяных тканей, стали, сахара, а также процессы очистки нефтепродуктов, причем все потребности удовлетворяются главным образом пресной водой. Значительная часть воды  подвергается переработке (обезжелезивание, умягчение, обессоливание) для удовлетворения разнообразных нужд. Перед сбросом использованная вода снова перерабатывается в соответствии с санитарными требованиями. В связи с этим очистка воды стала бурно развивающейся отраслью индустрии.

Вода является прекрасным растворителем. Поэтому природные воды, находящиеся в непрерывном контакте с атмосферой, почвой и недрами земли, представляют собой различающиеся по составу растворы минеральных веществ, газов и органических веществ. Кроме того, природные воды являются средой обитания микробов, растений и других живых организмов и, следовательно, содержат продукты обмена веществ. Наибольшую долю минеральных веществ воды составляют катионы кальция, магния, натрия, анионы соляной, серной и угольной кислот. Активная реакция (рН) воды колеблется в пределах 6,5-8,5. Часть свободной углекислоты, необходимая для равновесия с гидрокарбонатами, называется равновесной, избыточная свободная кислота сверх равновесной – агрессивной.

          Современные технологические схемы водоподготовки

Современные технологические схемы водоподготовки можно представить в виде совокупности фильтрационных модулей, решающих определенные задачи, а в совокупности, обеспечивающие получение воды заданного качества.

Исторически сложилось так, что системы очистки воды небольшой и средней производительности использовались при полевом водоснабжении. Эти системы включали в себя фильтры и устройства для обеззараживания воды.

1.  Очистка воды

Для предупреждения развития бактериальных биологических обрастаний в теплообменных аппаратах, а также в трубопроводах рекомендуется периодически 3-4 раза в сутки применять хлорирование воды, продолжительностью каждого периода 40-60 минут. Доза хлора должна обеспечивать содержание остаточного активного хлора в оборотной воде после прохождения в наиболее удаленных теплообменных аппаратов от места входа хлора не менее 1 мг/л в течении 30-40 минут. Величина дозы хлора, на которую рассчитывают хлораторы, должно быть не менее 5 мг/л.

Для удаления биологических обрастаний, а также механических отложений в закрытых теплообменных аппаратах при необходимости можно предусмотреть устройство для периодической гидропневматической промывки аппаратов.

Для очистки поверхностного стока применяют прежде всего механическую очистку, включающую отстаивание, в том числе с применением тонкослойных модулей, и фильтрование на каркасно-засыпанных фильтрах. После очистки поверхностный сток возможно использовать в оборотных системах водного охлаждения. Преимуществом его использования является термостабильность и коррозийная активность.

Для очистки и отведения поверхностного стока на промышленных предприятиях рекомендуется: проведение организационно-технических мероприятий по уменьшению количества смываемых примесей; применение раздельных по интенсивности загрязнения систем отведения стока  водосборных площадок; локализация отдельных участков со стоками, содержащими специфические загрязнения; устройство сооружений для усреднения расхода и состава загрязнений стока; частичное или в полном объеме использование поверхностного стока в системах промышленного водоснабжения; обезвреживание стоков перед сбросом в водоем.

На формирование свойств городских сточных вод основное влияние оказывают состав питьевой воды, потребляемой населением, норма водопотребления, а также размер и степень загрязнения производственных сточных вод, сбрасываемых в городскую водоотводящую сеть.

Влияние производственных сточных вод на состав городских стоков значительно сокращается по мере введения в действие локальных очистных сооружений.

Один из наиболее распространенных способов доочистки биохимически очищенных сточных вод – метод фильтрования, что позволяет получить фильтрат с содержанием взвешенных веществ не более 3 мг/л.

Перспективным способом доочистки сточных вод от органических веществ является озонирование, позволяющее одновременно со снижением концентрации органических веществ обеззараживать воду от содержащихся в ней бактерий, вирусов, уничтожить запахи и окраску.При малых дозах окисляются вещества с высокой молекулярной массой и выраженной токсичносью. Общее разрушение органического вещества в этом случае не превышает 35%. При больших дозах озона интенсивно образуются продукты деструкции, при которых величина ХПК и содержание органического углерода в сточной воде практически не меняются. Процесс разрушения органического вещества начинаются при 1,5-1,6 мг О₃ на 1 мг содержания органического углерода.

Для достижения требуемых санитарно-гигиенических требований к воде, используемой в закрытых системах, применяют фильтрование и обеззараживание хлором. При повышенном содержании трудноокисляемых веществ в воде эту схему дополняют контактной коагуляцией. Когда в открытых системах промышленного водоснабжения используется часть очищенных вод на станции аэрации, включающей доочистку фильтрованием и хлорирование, на предприятии предусматривают доочистку озонированием. Кроме перечисленных схем, для промышленного водоснабжения применяют сооружения физико-химической очистки (флотаторы, сорберы, ионообменные и ультрафильтрационные аппараты), которые также позволяют защитить системы от карбонатных отложений, коррозии и биообрастаний.

Основу любой технологической схемы водоподготовки составляет фильтр. В зависимости от использования в нем той или иной фильтрующей среды, фильтры можно разделить на следующие классы:

         2.Классификация фильтров

Фильтры обезжелезивания.

Предназначены главным образом для удаления из воды железа и марганца, находящихся в растворенном состоянии. Фильтр требует регенерации для восстановления своей активности, с помощью слабого раствора марганцовокислого калия.

                Фильтры умягчители

Предназначены для снижения жесткости воды. Фильтры этого типа, благодаря применению специальных засыпок обладают комплексным действием. Фильтры требуют регенерации солевым раствором и поэтому снабжены специальным баком для приготовления солевого раствора.

Угольные фильтры

Уже давно применяются в водоподготовке для улучшения органолептических показателей качества воды. Благодаря своей высокой сорбционной способности активированный уголь поглощает остаточный хлор, растворенные газы, органические соединения. Однако, так как накапливающаяся органика трудно выводится из угля при обратной промывке, то возможен залповый сброс загрязнений в выходную линию. Для предотвращения этого явления засыпка из активированного угля требует периодической замены. В настоящее время для  увеличения ресурса работы применяют активированный уголь из скорлупы коксового ореха, адсорбционная способность которого в 4 раза выше, чем угля, полученного традиционным способом.

По целевому назначению вода классифицируется: хозяйственно-питьевая; использующаяся в сельском хозяйстве ( как правило пресная); для охлаждения (в большинстве случаев должна быть свободной от накипеобразующих веществ, а в ряде случаев и полностью обессоленной); для паросилового хозяйства (умягченная, частично или полностью обессоленная в зависимости от условий и параметров работы парогенераторов); для технологических целей.

3. Умягчение воды

Одним из наиболее распространенных видов кондицирования воды является её умягчение. Первым промышленным способом устранения солей жесткости был содово-известковый, суть которого заключается в проведении следующих основных уравнений реакций:

Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂→↓2CaCO₃+2H₂O;

CaCl₂+Na₂CO₃→↓CaCO₃+2NaCl;

MgSO₄+Ca(OH)₂→↓CaSO₄+Mg(OH)₂;

CaSO₄+Na₂CO₃→↓CaCO₃+Na₂SO₄.

Содово-известковый метод имеет то преимущество, что отходами процесса умягчения являются шламы, образующиеся почти в строго стехиометрическом количестве и легко утилизируемые в хозяйстве. Вторым существенным преимуществом является сопутствующая умягчению глубокая очистка воды от многих органических и минеральных грубодисперсных примесей. Недостатками метода, приведшими к замене его другим, является громоздкость производства и недостаточно глубокое удаление солей жесткости. Остаточной содержание их в умягченной воде, как правило, не бывает менее 0,5 мг-экв/л. Примерно такой же концентрации достигает и гидратная щелочность воды.

С открытием синтеза ионитов с большой обменной емкостью содово-известковый метод при необходимости получения относительно небольших количеств умягченной воды был практически вытеснен ионообменным:

RNa+Ca(HCO₃)₂↔R₂Ca+2NaHCO₃;

2RNa+Mg(HCO₃)₂↔R₂Mg+2NaHCO₃;

2RNa+CaCl₂↔R₂Ca+2NaCl;

2RNa+MgSO₄↔R₂Mg+Na₂SO₄.

Регенерация катионита, т.е. перевод его в натриевую форму, производится пропусканием через слой сорбента 6-10%-ного раствора поваренной соли с последующей отмывкой водой:

R₂Ca+2NaCl→2RNa+CaCl₂.

Но для регенерации требуется расход поваренной соли, превышающий стехиометрический в 3-5 раз. В своё время на это не обращали внимания, так как удобство метода и его экономические показатели в сравнении с содово-известковым с лихвой перекрывали повышенные затраты такого дешевого реагента как поваренная соль.

В настоящее время запрещён сброс в водотоки сточных вод с минерализованностью, превышающей 1 г/л. Это исключает применение ионообменного метода умягчения в его первоначальном варианте.  Выход из положения нашли в использовании содово-щелочного метода очистки, но уже не воды, а регенерата ионообменных установок. Этот процесс описывается реакциями:

CaCl₂+Na₂CO₃→↓CaCO₃+2NaCl;

MgCl₂+2NaOH→↓Mg(OH)₂+2NaCl.

Для полного осаждения магния требуется небольшой избыток щелочи. После освобождения от выпавшего осадка и фильтрования раствор хлористого натрия может быть сново использован для регенерации. Избыточную щелочность нейтрализуют соляной кислотой.

Вода, умягченная с помощью ионитов, отличается от воды после содово-известкового умягчения, так как в ней сохраняются анионы угольной кислоты. Гидрокарбонат натрия в процессе гидролиза в парогенераторах превращается сначала в соду, а затем в щелочь. Поэтому сохранение гидрокарбонатов – это недостаток ионообменного метода умягчения воды. Их устраняют путем Н-катионирования, т.е. пропуская часть умягченной воды через катионит, отрегенерированный раствором кислоты.При этом происходит реакция: 2RH+CaCl₂→R₂Ca+2HCl. Очевидно, что через катионит в Н-форме необходимо пропуститьтакую часть обрабатываемой воды, чтобы выделившегося количества сильных кислот было достаточно для разрушения присутствующих в воде гидрокарбонатов по реакции:

NaHCO₃+HCl→NaCl+H₂O+CO₂.

Преимущество совмещения Na- и Н-катионирования заключается в частичной обессоливании воды за счет обмена ионов Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ на ионы водорода.

В отличие от содово-известкового метода при ионообменном умягчении глубина процесса зависит от ряда регулируемых факторов, а в первую очередь от глубины регенерации ионитов.

Умягчение воды – один из наиболее надежных методов её предварительной очистки перед подачей на электродиализные иои обратноосмотические аппараты, производящие частичную деминерализацию. Умягчение воды предотвращает опасность выпадения на поверхности мембран осадков карбоната или сульфата кальция, снижающих селективность мембран и эффективность опреснения воды.

4. Смешанный слой ионитов

Для получения особо чистой воды необходимо исключить обратимость реакций ионнобмена. Это достигается с помощью смешанного слоя ионитов, когда в одном реакторе в перемешанном состоянии находится катионит в Н-форме и анионит в ОН-форме. Благодаря очень близкому соседству положительно и отрицательно заряженных ионитов в смеси, протекают реакции:

RH + NaCl = RNa +  HCl;  ROH + HCl =RCl + H₂O

ROH + NaCl = RCl+ NaOH; RH+ NaOH = R Na + H₂O

Особенности смешанного слоя заключаются в следующем :

1. Качество фильтрата после прохождения через смешанный слой не зависит от концентрации солей в исходной воде.
2. Ряд сорбируемости на смешанном слое остается тем же, что и на отдельно используемых ионитах.
3. в связи с проявлением электростатических сил притяжения между катионно – анионообменными зернами иониты при смешивании занимают объем, значительно превосходящий объем и образуют более проницаемый слой.
4. Фронт сорбции перемещается без размытия. С помощью смешанного слоя можно приблизить расход регенерирующих агентов при сорбции ионов щелочноземельных металлов.

Смешанный слой получил наибольшее распространение для окончательной очистки воды, т.е. для очистки от гидрокарбонатов и гидросиликатов.

Отличительной чертой ионообменных процессов является наличие стадий регенерации. Особенностью самого процесса регенерации является потребность в избытке регенерирующего реагента. Величина этого избытка определяется степенью вогнутости изотермы десорбции и кинетической процесса. Вторичные загрязнения – это хорошо растворимые соли. При умягчении воды ионитами сброс солей в водоемы в 2,5 – 3 раза больше, чем вынос из них. При обессоливании природных и сточных вод в водоем сбрасывают в 4-5 раз больше, чем извлекают из очищаемой воды.

Заключение

Проблема водоподготовки, как средства получения воды необходимого качества, не так проста как кажется на первый взгляд. Глобальное загрязнение окружающей среды продуктами жизнедеятельности человека, сточными водами промышленности и сельского хозяйства приводит к изменению человеческого мировоззрения на проблему получения для хозяйственно – питьевых целей качественной воды.

Очевидно, что нарушение санитарных требований при организации водоснабжения и в процессе эксплуатации водопровода влечет за собой санитарно – эпидемиологическое неблагополучие. Упоминая проблему качества воды, люди отдают высокому уровню развития индустрии очистки  воды, которая делает возможным превращение загрязненной, плохо очищенной воды  в ту, которой мы пользуемся ежедневно.

Казалось бы, что централизованные системы водоснабжения в соответствии со своим предназначением, делает все необходимое, чтобы качество воды удовлетворяло потребителя.

Фильтрующие материалы делают возможным удаление растворенного в воде железа при концентрациях выше 4-5 мг в литре, без коррекции значения рН очищенной воды или иными словами, без дозирования реагентов щелочной природ, а также сопутствующего марганца.

Список литературы

1. Алексеев Л. С. Контроль качества воды. – М. ИНФРА. 2004- 153 с.
2. Ласкорин Б. Н. Ионообменные мембраны и их применение. М. Атом. Издат. 1961 – 162 с.
3. Бобрышов О. В., Богатырев К. С.  Ионообменные методы очистки веществ.-  Воронеж.  Изд-во. Ворон. Ун-та. 1984-370 с.
4. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды. – Л. Химия. Ленинград. Отделение. 1982-168с.
5. Кульский Л. А. Комплексное использование водных ресурсов. – М. Высшая школа. 2005 – 108с.