Исследование процесса осветления воды
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к практическим занятиям по дисциплине
«Физика аэрозолей»
(часть 2)
для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 «Строительство»
Ставрополь, 2017
В методических указаниях сформулированы цели и задачи исследований, даны краткие основы по теоретическому обоснованию работ, приведены описания лабораторных стендов, изложена методика проведения экспериментальных исследований и обработки полученных данных.
Методические указания выполнены согласно программе дисциплины «Физика аэрозолей» для студентов по направлению 08.03.01
«Строительство»
Методические указания позволяют:
• углубить знания студентов по теории процессов водоподготовки;
• уяснить физическую сущность процессов обработки воды;
• изучить методики экспериментального определения технологических показателей процессов обработки воды;
• получить необходимые навыки в проведении экспериментального исследования и обработки опытных данных.
Составитель: Беляев Е. И., Хащенко А.А.
Рецензент: Воронин А. И.
Практическое занятие № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСВЕТЛЕНИЯ ВОДЫ
4.1 Цель и содержание
Опытным путем определить технологические показатели процессов осветления воды естественным отстаиванием и с помощью коагуляции.
Теоретическое обоснование
Осветление воды - это процесс удаления из нее грубо- и мелкодисперсных частиц, обуславливающих степень ее мутности и имеющих большую плотность, чем плотность воды.
При осаждении тонущих в воде загрязняющих частиц под действием силы тяжести они оседают на дно резервуара (отстойника), в котором осветляемая вода находится в состоянии покоя или медленного движения.
Скорость их осаждения зависит от их размеров, плотности и коэффициента сопротивления воды движению частицы.
Для средне- и мелкодисперсных частиц эта скорость с некоторым приближением может определиться формулой Стокса:
, мм/с ,
где и
– плотность соответственно взвешенных частиц и воды,
кг/м3;
g = 9.81 м/с2 – ускорение силы тяжести;
dэкв – эквивалентный диаметр частицы, м;
– коэффициент динамической вязкости воды, н с/м2.
В действительности взвешенные примеси в сточных и природных водах находятся в полудисперсном состоянии и обладают разной плотностью. Поэтому скорость их осаждения для конкретных существующих условий определяется опытным путем в лабораторных условиях с использованием мерных тарированных цилиндрических сосудов.
Имеются данные по скоростям осаждения частиц разных веществ и разного их размера в спокойной воде:
песчинки размером 7 ммоседают со скоростью 100 мм/с;
то же, соответственно 0,01 мм – 0,15 мм/с;
частицы глины размером 0,001 мм оседают со скоростью 0,0015 мм/с;
то же, соответственно 0,0001 мм – 0,000015 мм/с.
Естественное отстаивание взвешенных примесей при таких малых скоростях потребует громоздких и дорогостоящих сооружений.
Однако благодаря физико-химическим свойствам мелкодисперсные и коллоидные частицы в воде приобретают отрицательный электрический заряд за счет избирательного адсорбирования на своей поверхности ионов химических соединений, присутствующих в воде. Одноименно заряженные коллоидные частицы взаимно не слипаются. Но если в воду добавить частицы с противоположным зарядом, то будет наблюдаться взаимное слипание коллоидных и введенных в воду частиц, что приведет к укрупнению и утяжелению каждой частицы, а, следовательно, к значительному увеличению скорости их осаждения. Такое явление достигается при одновременном осуществлении процессов осветления и коагуляции. Коагуляция – это физико-химический процесс слипания отрицательно заряженных коллоидных частиц с положительно заряженными частицами – хлопьями, образующихся в результате дозирования в воду реагента – коагулянта. В качестве него используют сульфат или хлорид железа, или сернокислый алюминий. Эти химические соединения в воде гидролизуются с образованием нерастворимых мелкодисперсных хлопьев гидрооксида металла (АL(ОН)з; Fe(OH)2) с положительным электрическим зарядом:
При этом образующийся кислотный показатель (Н+) нейтрализуется собственной щелочностью воды. Образовавшиеся дисперсные агрегаты из коллоидных частиц и хлопьев коагулянта уже способны к взаимному слипанию, образовывая крупные и тяжелые частицы, хорошо осаждаемые в отстойнике.
Для большинства сточных и природных вод доза сернокислого алюминия колеблется в пределах 0,5-1,2мг экв/л,а сернокислого железа 0,1-0,5 мг экв/л, при температуре подогрева обрабатываемой воды 25-40 оС и ее щелочности 1,5-2,0 мг экв/л.
Аппаратура и материалы
Экспериментальный стенд, схема приведена на рисунке 4.1.
Секундомер.
Весы аналитические с разновесами.
Фотоколориметр.
Мутномер.
Коагулянт – сульфат или хлорид железа или сернокислый алюминий.
Загрязнитель – глина или песок.
Стенд состоит из двух идентичных установок:
I – установка для осветления воды без коагуляции;
II – то же с коагуляцией.
Каждая установка состоит из колонки 1 отстаивания, представляющей цилиндрический тарированный сосуд; расходный сосуд 2 с приготовленным исходным раствором. Сосуды закрываются резиновыми пробками 4 со штуцерами 5, на конце которых установлены запорные краны 6. Расходные сосуды 2 с колонками 1 соединяются резиновым шлангом 7 с регулирующим краном 8.
А – осветление воды без коагуляции
Б – осветление воды с коагуляцией
Рисунок 4.1 -Схема экспериментального стенда
Режим отстаивания воды в колонке фиксируется высотой осветления воды тарированными рисками на цилиндре и временем отстоя с помощью секундомера.
Показатели качества осветленной воды (прозрачность) определяются при помощи мутномера (по кресту) или при помощи фотоколориметра, предварительно оттарированного по мутномеру.
Содержание отчета и его форма
Отчет по выполненной работе должен содержать следующее:
– краткое описание основных положений теории осветления воды с коагуляцией;
– описание экспериментального стенда;
– порядок проведения экспериментальных опытов и результаты обработки опытных данных.
Вопросы для защиты работы
1. Физическая сущность процессов осветления и коагуляции.
2.Сущность технологии осветления.
3.Основные технологические параметры процессов коагуляции и
осветления.
4.Устройство опытного стенда.
5. Обработка опытных данных.
6. Методика измерения прозрачности воды.
Практическое занятие № 5
Теоретическое обоснование
Для глубокого удаления из воды умеренно-дисперсных частиц загрязнений применяется фильтрование, то есть пропуск воды через слой зернисто-пористого материала. При фильтровании воды эти частицы задерживаются в основном на поверхности и в порах зерен фильтрующего материала и некоторая часть в толще его слоя. Это объясняется способностью прилипать взвешенных частиц к зернам фильтрующего слоя, образуя фильтрующую пленку, к поверхности которой в свою очередь прилипают следующие частицы. Такой процесс прилипания осуществляется в основном под действием молекулярных сил притяжения, а также механического осаждения. Наиболее интенсивно такие процессы протекают, когда вода предварительно подвергается коагуляции в отстойнике или осветлителе, так как в этом случае образовавшиеся в результате коагуляции агрегаты (хлопья) из коагулянта и адсорбированных на них частиц загрязнений даже очень малых размеров, благодаря электростатическим зарядам очень хорошо прилипают или осаждаются на зернах фильтрующей загрузки.
По мере фильтрования воды через загрузку, прилипающие частицы заполняют поры зерен и поры между зернами, тем самым постепенно образуют накапливаемый слой из загрязнений, который так же частично выполняет функции фильтрации. Постепенно этот процесс насыщения загрязнений проникает в глубь фильтрующего слоя загрузки, и в определенный момент задерживаемые примеси появляются в фильтрате после фильтра. А это означает, что процесс фильтрования закончился.
Накопление загрязнения, особенно на поверхности верхнего уровня фильтрующего слоя приводит к увеличению его гидравлического сопротив-ления, то есть к потере напора фильтрующей воды. Эта потеря напора по-вышается от наименьшей величины, соответствующей для чистого слоя порядка 4 кПа (0,4 м в. ст.), до максимально допустимой величины 200 кПа (20 м в. cт.),при которой фильтрация прекращается. Время работы фильтра от начала фильтрования до момента проскока примеси или допустимого перепада давления на фильтре называют временем защитного действия фильтра – .
Отключенный фильтр подвергают промывке от загрязнений методом взрыхления, то есть пропусканием осветленной воды через фильтр снизу вверх с нормируемой интенсивностью (скоростью) промывки. При промывке слой расширяется на 30–50%, зерна трутся друг о друга и освобождаются от загрязнений (для снижения расхода воды может применяться продувка воздухом). Продолжительность промывки определяется степенью прозрачности промывочной воды после фильтра, но не превышающей =15–20 мин.
Период работы фильтра от начала одной промывки до начала следующей - называют фильтроциклом. Продолжительность фильтроцикла складывается из полезной работы фильтра и продолжительности промывки:
. (3.1)
Количество удержанных примесей за время его работы, отнесенное к объему фильтрующего слоя – называется его рабочей емкостью Ер (кг/м).Эта емкость и время фильтрации зависят от крупности зерен слоя, их формы, природы материала слоя, скорости потока воды, начальной концентрации примесей в воде, высоты слоя и других факторов. Так с ростом высоты слоя увеличиваются эти величины и степень очистки воды. Однако при этом возрастает гидравлическое сопротивление слоя. Обычно оптимальная высота слоя составляет 1,0 – 7,5 м.
В качестве осветлительных фильтров в водоочистных установках в основном применяют напорные однопоточные фильтры.
В качестве фильтрующего материала в основном используют дробленый антрацит, крупнозернистый кварцевый песок, керамзит, обработанный сульфоуголь, целлюлозу и др.
Основные требования к ним: обладать высокой механической прочностью, химической стойкостью, требуемым фракционным составом, высокой степенью пористости.
Фракция зерен 0,6–1,4 мм;годовой износ фильтрующего материала не должен превышать 2,5 %.
Аппаратура и материалы
Экспериментальный стенд, схема приведена на рисунке 5.1.
Секундомер.
Весы аналитические с разновесами.
Мерный цилиндр.
Фотоколориметр.
Мутномер.
Загрязнитель – глина или песок.
Схема экспериментального стенда приведена на рисунке 5.1.Стенд состоит из колонки 1, то есть осветлительного фильтра, мерного 12 и расходного 13 сосудов. Колонка заполнена фильтрующим материалом – дробленым антрацитом 2 на высоту Нсл. В нижней части колонки имеется дренажная система из пористого материала 3. Верхняя его кромка закупоривается резиновой пробкой 4. В отверстие по его центру плотно устанавливается штуцер-тройник 5. Аналогично закупоривается и расходный сосуд 13. Колонка оснащается запорно-регулирующими кранами 6, 7, 8 и 9, с помощью которых и резиновых шлангов 11 к ней присоединяется расходный сосуд 13, а также составляется схема фильтрации или взрыхляющей промывки фильтрующей загрузки. Отбор проб фильтрата или промывочной воды производится открытием крана 6 в мерную посуду 12. Скорость фильтраций искомой воды регулируется степенью открытия крана 6. Расходы фильтруемой и взрыхляющей вод контролируются объемным способом при помощи мерного сосуда 12 и секундомером.
Рисунок 5.1
Содержание отчета и его форма
Отчет по выполняемой работе должен содержать следующее:
• краткое описание основных положений теории осветления
фильтрованием;
• описание экспериментального стенда;
• результаты расчетов основных режимных характеристик процесса осветления воды фильтрованием
Вопросы для защиты работы
1. Сущность технологии фильтрации.
2. Основные технологические параметры процесса фильтрации воды.
3. Устройство опытного стенда.
Практическое занятие № 6
Теоретическое обоснование
Сущность процесса ионообмена заключается в обмене ионами в эквивалентных количествах между исходной водой (раствором) – сорбатом и твердым веществом – ионитом (сорбентом).
В практике очистки различных вод используют иониты, раздельно поглощающие как катионы, так и анионы. Первые называюткатионитами, а вторые – анионитами, соответственно и протекающие процессы – катионированием и анионированием.
В качестве катионитов на практике широко используют сульфоуголь и синтетическую смолу марки КУ-2-8, а в качестве анионитов – АВ-17-8, АН-18 и др.
Рассматриваемый процесс ионообмена обуславливается, в основном, следующими обстоятельствами: во-первых, практически все растворенные в воде неорганические соли, щелочи и кислоты в большей степени диссоциированы на ионы – на катионы кальция (Са2+), магния (Mg2+), натрия (Na+) и др., и анионы – бикарбонаты (HCO3–), хлориды (Cl–), сульфаты (SO42–) и др. и, во-вторых, способностью ионитов к ионному обмену с ионами, находящимися в воде. Любой ионит состоит из твердой основы, не растворимой в воде в виде молекулярной сетки, называемой матрицей. К ее поверхности и внутри ее массы тем или иным способом присоединены химически активные специальные функциональные группы атомов, способные к электролитической диссоциации в воде.
Технология процесса катионирования в практике водоочистки применяется для умягчения воды и в технологии ее обессоливания.
При Na-катионировании вода пропускается через слой катионита, загруженного в цилиндрический вертикальный сосуд, называемый фильтром, и предварительно заряженного в Na-форму концентрированным раствором натриевой соли. В результате соприкосновения воды с зернами катионита происходит процесс ионообмена между катионами Са 2+ и Mg2+ солей жесткости, находящихся в воде, и катионами Na+, находящимися в диффузионном слое гидратной оболочки каждого зерна катионита. Первые (Са 2+ и Mg2+), адсорбируясь в отмеченной оболочке, вытесняют из нее в эквивалентном количестве катионы Na+. Схему такого катионного обмена можно представить реакциями:
Са2++2Na+IR–→ Са2+ IR2– + 2Na+;
Mg2++ 2Na+IR–→ Mg2+ IR–+2Na+,
где R – обозначение радикала твёрдого катионита.
В результате такого катионного обмена воду можно умягчить до остаточной жесткости 5 мкг экв/л.
Этот процесс будет наблюдаться до проскока жесткости выше установившейся величины. В этом случае фильтр отключается, и катионит подвергается восстановлению, т.е. регенерации концентрированым раствором натриевых солей (например, NaCl).
При регенерации протекает обратная реакция катионного обмена:
Са2+ IR2–+2Na++Cl–→2Na+IR–+ Са2++ Cl–;
Mg2+ IR2–+2Na++Cl–→2Na+IR–+ Mg2++ Cl–.
Образовавшиеся продукты регенерации соли хлористого кальция и магния являются высокорастворимыми, и они отводятся с отработанными регенерационными водами в водоотводящую систему.
Процесс регенерации истощённого катионита осуществляется последовательно тремя операциями:
· взрыхление катионита;
· пропускание регенерационного раствора;
· отмывка катионита.
Взрыхление катионита осуществляется путем пропускания взрыхляющей воды через фильтр снизу вверх с целью его разрыхления, удаление мелочи (механически разрушенных зёрен катионита) и грязи, скопившейся на слое катионита в результате фильтрации умягченной воды. Взрыхление осуществляется до момента осветления воды, но дольше 15 минут.
Ввод регенерационного раствора с нормативной концентрацией в нем натриевой соли осуществляется сверху вниз с определенной нормативной скоростью фильтрации и предварительно рассчитанным объемом, в котором количество растворенной натриевой соли обеспечит полное восстановление катионита в форме Na+.
Отмывка катионита после регенерации осуществляется для удаления из слоя катионита продукта регенерации и избытка регенерационной соли.
Важнейшей технологической характеристикой ионитов (в том числе и катионита) является их обменная емкость. Она выражает количество ионов, которые могут быть поглощены единицей массы (г экв/кг)или единицей объема (г экв/м)ионита. Различают полную обменную и рабочую (до проскока жесткости). В практике эксплуатации фильтров используется рабочая обменная емкость.
Обменная емкость зависит от многих факторов:
– марка ионита;
– фракционный состав ионита;
– катионный и анионный состав очищаемой воды, ее солесодержание и величина рН;
– удельный расход регенерационного реагента;
– высота фильтрующего слоя катионита;
– скорость фильтрования очищаемой воды.
Три последних фактора нормируются определенными величинами, установленными длительным опытом эксплуатации водоподготовительных установок. Удельный расход регенерационного реагента обеспечивает интенсивность и полноту восстановительного ионообмена, а два последних фактора – продолжительность контакта очищаемой воды с зернами ионита.
Аппаратура и материалы
Экспериментальный стенд, схема приведена на рисунке 6.1.
Насосы-дозаторы.
Секундомер.
Стол титровальный с бюретками.
Весы аналитические с разновесами.
рН-метр.
Солемер.
Ионообменные смолы: катиониты и аниониты.
Реагенты: NaCl; CaCl2 или MgCl2; набор водоподготовщика.
Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 6.1. Она состоит из двух колонок 7, одна из которых загружена сильнокислотным катионитом 2 марки КУ–2, а другая – сульфоуглем марки СМ–1. Каждая колонка имеет дренажную систему 3 из пористого материала и запорно-регулирующие краны 4, 7, 5, 9. Верхней частью каждая колонка при помощи штуцера 5, вставленного в резиновую пробку 6 колонки, и резинового шланга 10 может быть подсоединена к дозатору 11 регенерационного раствора или к сосуду 13 взрыхляющей отмывочной или умягчаемой воды. Отбор проб исследуемой воды производится в мерную посуду 12. Колонки могут работать как индивидуально, так и последовательно в зависимости от поставленной задачи. В последнем случае кран 4 первой колонки шлангом соединяется с верхним штуцером 5 второй колонки.
Скорость пропускания регенерационного раствора и отмывочной водырегулируется степенью открытия крана 3. Скорость пропускания исходной воды при ее умягчении регулируется либо так же степенью открытия крана 3, либо, при наличии насоса, изменением его производительности. Расходы раствора и воды контролируются объемным способом при помощи мерного сосуда и секундомером.
Характеристики колонок:
– внутренний диаметр колонки dK=16 мм;
– площадь сечения колонки fK=2•10–4 м2;
– объем загрузки катиона в колонке VK=6•10–6 м3;
- высота загрузки катионита в колонке Нсл=3•10–2 м.
Химический состав исходной воды определяется химическим анализом,
т. е. ее показателями: жесткостью (Жо) и щелочностью (Що).
Схема регенерации фильтра Схема умягчения воды
Рисунок 6.1
Содержание отчета и его форма
Отчет по выполненной работе должен содержать следующее:
- краткое описание основных положений теории ионообмена и технологии очистки воды;
- описание экспериментальной установки;
- результаты расчетов основных режимных характеристик процесса
умягчения воды
Вопросы для защиты работы
1. Физическая сущность процесса ионообмена.
2. Сущность технологии умягчения воды.
3 Основные технологические параметры процесса умягчения воды.
4. Устройство опытной установки.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к практическим занятиям по дисциплине
«Физика аэрозолей»
(часть 2)
для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 «Строительство»
Ставрополь, 2017
В методических указаниях сформулированы цели и задачи исследований, даны краткие основы по теоретическому обоснованию работ, приведены описания лабораторных стендов, изложена методика проведения экспериментальных исследований и обработки полученных данных.
Методические указания выполнены согласно программе дисциплины «Физика аэрозолей» для студентов по направлению 08.03.01
«Строительство»
Методические указания позволяют:
• углубить знания студентов по теории процессов водоподготовки;
• уяснить физическую сущность процессов обработки воды;
• изучить методики экспериментального определения технологических показателей процессов обработки воды;
• получить необходимые навыки в проведении экспериментального исследования и обработки опытных данных.
Составитель: Беляев Е. И., Хащенко А.А.
Рецензент: Воронин А. И.
Практическое занятие № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСВЕТЛЕНИЯ ВОДЫ
4.1 Цель и содержание
Опытным путем определить технологические показатели процессов осветления воды естественным отстаиванием и с помощью коагуляции.
Теоретическое обоснование
Осветление воды - это процесс удаления из нее грубо- и мелкодисперсных частиц, обуславливающих степень ее мутности и имеющих большую плотность, чем плотность воды.
При осаждении тонущих в воде загрязняющих частиц под действием силы тяжести они оседают на дно резервуара (отстойника), в котором осветляемая вода находится в состоянии покоя или медленного движения.
Скорость их осаждения зависит от их размеров, плотности и коэффициента сопротивления воды движению частицы.
Для средне- и мелкодисперсных частиц эта скорость с некоторым приближением может определиться формулой Стокса:
, мм/с ,
где и
– плотность соответственно взвешенных частиц и воды,
кг/м3;
g = 9.81 м/с2 – ускорение силы тяжести;
dэкв – эквивалентный диаметр частицы, м;
– коэффициент динамической вязкости воды, н с/м2.
В действительности взвешенные примеси в сточных и природных водах находятся в полудисперсном состоянии и обладают разной плотностью. Поэтому скорость их осаждения для конкретных существующих условий определяется опытным путем в лабораторных условиях с использованием мерных тарированных цилиндрических сосудов.
Имеются данные по скоростям осаждения частиц разных веществ и разного их размера в спокойной воде:
песчинки размером 7 ммоседают со скоростью 100 мм/с;
то же, соответственно 0,01 мм – 0,15 мм/с;
частицы глины размером 0,001 мм оседают со скоростью 0,0015 мм/с;
то же, соответственно 0,0001 мм – 0,000015 мм/с.
Естественное отстаивание взвешенных примесей при таких малых скоростях потребует громоздких и дорогостоящих сооружений.
Однако благодаря физико-химическим свойствам мелкодисперсные и коллоидные частицы в воде приобретают отрицательный электрический заряд за счет избирательного адсорбирования на своей поверхности ионов химических соединений, присутствующих в воде. Одноименно заряженные коллоидные частицы взаимно не слипаются. Но если в воду добавить частицы с противоположным зарядом, то будет наблюдаться взаимное слипание коллоидных и введенных в воду частиц, что приведет к укрупнению и утяжелению каждой частицы, а, следовательно, к значительному увеличению скорости их осаждения. Такое явление достигается при одновременном осуществлении процессов осветления и коагуляции. Коагуляция – это физико-химический процесс слипания отрицательно заряженных коллоидных частиц с положительно заряженными частицами – хлопьями, образующихся в результате дозирования в воду реагента – коагулянта. В качестве него используют сульфат или хлорид железа, или сернокислый алюминий. Эти химические соединения в воде гидролизуются с образованием нерастворимых мелкодисперсных хлопьев гидрооксида металла (АL(ОН)з; Fe(OH)2) с положительным электрическим зарядом:
При этом образующийся кислотный показатель (Н+) нейтрализуется собственной щелочностью воды. Образовавшиеся дисперсные агрегаты из коллоидных частиц и хлопьев коагулянта уже способны к взаимному слипанию, образовывая крупные и тяжелые частицы, хорошо осаждаемые в отстойнике.
Для большинства сточных и природных вод доза сернокислого алюминия колеблется в пределах 0,5-1,2мг экв/л,а сернокислого железа 0,1-0,5 мг экв/л, при температуре подогрева обрабатываемой воды 25-40 оС и ее щелочности 1,5-2,0 мг экв/л.
Аппаратура и материалы
Экспериментальный стенд, схема приведена на рисунке 4.1.
Секундомер.
Весы аналитические с разновесами.
Фотоколориметр.
Мутномер.
Коагулянт – сульфат или хлорид железа или сернокислый алюминий.
Загрязнитель – глина или песок.
Стенд состоит из двух идентичных установок:
I – установка для осветления воды без коагуляции;
II – то же с коагуляцией.
Каждая установка состоит из колонки 1 отстаивания, представляющей цилиндрический тарированный сосуд; расходный сосуд 2 с приготовленным исходным раствором. Сосуды закрываются резиновыми пробками 4 со штуцерами 5, на конце которых установлены запорные краны 6. Расходные сосуды 2 с колонками 1 соединяются резиновым шлангом 7 с регулирующим краном 8.
А – осветление воды без коагуляции
Б – осветление воды с коагуляцией
Рисунок 4.1 -Схема экспериментального стенда
Режим отстаивания воды в колонке фиксируется высотой осветления воды тарированными рисками на цилиндре и временем отстоя с помощью секундомера.
Показатели качества осветленной воды (прозрачность) определяются при помощи мутномера (по кресту) или при помощи фотоколориметра, предварительно оттарированного по мутномеру.