Основні методи очищення та кондиціювання вод
Залежно від того, у яких конкретних виробництвах і технолоґічних процесах та для одержання яких саме продуктів використовується природна чи оборотна вода, до неї висуваються певні вимоги за хімічним складом, фізичними і бактеріологічними показниками. Наприклад, якщо вода відіграє роль теплоносія, то основними вимогами до неї є відсутність солей, що зумовлюють карбонатну твердість, та розчинених кисню і вуглецю (IV) оксиду. Наявність гідрогенкарбонатів кальцію та магнію призведуть до утворення накипу, а розчинені гази – до корозії апаратури. У технолоґіях чистих речовин і реактивів вода повинна бути демінералізованою, а у фармакологічних – ще й знезараженою, стерилізованою. Багатотоннажні виробництва (виробництво мінеральних добрив, солей, кислот тощо) використовують освітлену воду, до якої особливих вимог щодо її хімічного складу не висувається. Воду для процесів збагачення твердофазової сировини зазвичай використовують без попередього підготовлення.
Отже, технолоґії підготовлення води для різних виробництв будуть відрізнятись фізико-хімічними основами процесів очищення, різною кількістю стадій очищення та їх поєднанням. Вибір раціональної технолоґії дає змогу покращити, перш за все, якість продукту, сповільнити корозію обладнання, зменшити енерговитрати, створити екологічно безпечніші виробництва.
Постійне зростання рівня забруднення природних вод та зменшення запасів чистих прісних вод, у тому числі й підземних, зумовлює підвищену увагу до вдосконалення методів і процесів не тільки підготовлення до її використання в технолоґічних процесах, але й очищення стічних вод, які скидають у природні водойми. Тому в цьому розділі буде розглянуто різні методи, які можуть застосовуватись як для підготовлення води до її застосування у виробництві, так і для очищення стоків.
Загалом підготовлення води охоплює такі стадії: освітлення, знезараження, демінералізацію, дегазацію, нейтралізацію. Класифікацію основних методів підготовлення води на цих стадіях подано на рис. 4.32.
Освітлення води
Освітлення води полягає у вилученні дисперсних завислих і колоїдних частинок. Завислі частинки утворюють суспензії, які залежно від розмірів поділяють на грубі (>100 мкм), тонкі (0,5...100 мкм) і каламутні (0,1...0,5 мкм).
2.1.1. Очищення води від завислих частинок.До фізичних методів вилучення завислих частинок належать: гравітаційні (відстоювання), відцентрові, фільтрування, безреаґентна флотація, мембранні.
Відстоювання полягає в осадженні частинок під дією сил гравітації; зазвичай цим методом вилучають грубодисперсні зависі, тобто забезпечується лише грубе, попереднє освітлення води. Його здійснюють у відстійниках різної конструкції.
Фільтрування – розділення суспензій за допомогою пористих перегородок, які затримують тверду фазу і пропускають рідку; його здійснюють на фільтрах. Рушійною силою процесу є різниця тисків по обидва боки фільтра, яка забезпечує транспортування рідини через фільтрувальну перегородку.
У відцентрових методах тверді частинки сепаруються із потоку води під дією відцентрових сил (доцентрового прискорення). Ці сили виникають у закручених потоках рідини, внаслідок тангенціального її введення у циліндричний апарат (наприклад, гідроциклон), а також обертання циліндричних поверхонь, з якими контактує вода, як, наприклад, у центрифугах.
Безреаґентна флотація (див. ч.1, 4.4.3) здійснюється без застосування спеціальних додатків – флотореаґентів.
Мікрофільтрування – це баромембранний процес, який застосовують для відокремлення з води завислих та колоїдних частинок розміром 0,1...10 мкм. Рушійною силою процесу є різниця тисків з обох боків мембрани в межах 0,01...0,05 МПа.
До фізико-хімічних методів належить електрохімічна флотація: внаслідок електродних процесів у водному середовищі генеруються гази (на катоді водень, на аноді – кисень), які, підіймаючись у вигляді дуже маленьких бульбашок через шар води, флотують тверді частинки.
Хімічні методи для вилучення зависів практично не застосовують.
Очищення води від колоїдів. Води, що містять колоїдно-дисперсні системи (розміри частинок знаходяться в межах від 10-9 до10–4 м), очищують фізичними, хімічними та фізико-хімічними методами.
Фізичні методи охоплюють мікрофільтрування, центрифугування та електрофільтрування. Два перші за змістом є аналогічними до описаних вище (фільтрування та відцентрові методи). Електрофільтування здійснюють в електричному полі. При цьому фільтр або мембрана, які виготовлені із йонообмінного матеріалу, а також колоїдні частинки поляризуються. Унаслідок такої поляризації частинки рухаються до протилежно зарядженої поверхні (фільтра чи мембрани), де й розряджаються, агломеруючись при цьому в агрегати. Після знімання електричного поля, утворені агрегати змиваються з поверхні потоком води, а фільтр регенерується.
 | |||
                   |
Рис. 4.32. Класифікація методів очищення води
До хімічних методів належить коагуляція та її різновид – флокуляція. Суть методу полягає у зниженні стійкості дисперсних систем унаслідок агрегатування колоїдних частинок під дією коагуляторів (коагулянтів та флокулянтів) з подальшим відокремленням агрегатів відстоюванням, фільтруванням тощо.
Як коагулянти застосовують гідролітично активні солі алюмінію, заліза тощо. Під час гідролізу утворюються йон-коагулянти із зарядом, протилежним до заряду колоїдної частинки. Вони адсорбуються на поверхні останньої. При цьому компенсується заряд частинки і стискаються сольватні (гідратні) оболонки довкола колоїдних частинок, унаслідок чого останні агрегатуються і можуть осідати (седиментувати).
Якщо у воді знаходяться тонкодисперсні завислі частинки, які зазвичай мають дуже слабкі заряди, то для їх вилучення застосовують флокулянти – такі розчинні у воді високомолекулярні сполуки, як карбоксиметилцелюлозу (КМЦ), поліакриламід (ПАА), поліоксиетилен (ПОЕ), крохмаль тощо. Ці речовини утворюють мостики між окремими частинками дисперсної фази, вони ніби склеюють їх. Флокуляція відбувається, як правило, дуже швидко, а витрата флокулянків є незначною.
Електрокоагуляція як фізико-хімічний метод вилучення колоїдів полягає в анодному розчиненні металів (алюмінію, заліза) у водному середовищі під дією постійного електричного струму з подальшим утворенням гідроксидів, які відіграють роль коагулянтів. Наприклад, при розчиненні алюмінієвого анода за реакцією
Al + 3e = Al3+ (4.66)
іон Алюмінію взаємодіє з водою
Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 + 3H+, (4.67)
а утворений алюмінію гідроксид сприяє об’єднанню – коагуляції частинок.
Знезараження води
Знезараження води здійснюють для знешкодження мікроорганізмів, які можуть призводити до захворювання людей якщо вода використовується для комунальних потреб, або різко погіршувати якість продукції у фармакологічній, харчовій та інших галузях промисловості. Деякі види бактерій, наприклад, водневі, метаноутворюючі та нітрифікуючі, а також залізо- і сіркобактерії зумовлюють біокорозію металів.
Для знезараження води найчастіше застосовують хімічні методи, які передбачають додавання до води хлору, гіпохлоритів, хлору (IV) оксиду, озону та інших сильних окисників. Фізико-хімічні методи знезараження на сьогоднішний день використовуються рідко.
Типовим процесом хімічного знезараження води є її хлорування, тобто насичення газоподібним хлором. Хлор діє на ферменти мікробної клітини, внаслідок чого вона гине. Окрім того, при взаємодії хлору з водою утворюється гіпохлоритна кислота HOCl
Cl2 + H2O = HOCl + HCl, (4.68 )
яка є нестійкою і легко руйнується з утворенням атомарного кисню
HOCl = O + HCl. (4.69)
Він має сильно виражені окисні властивості, а тому має бактерицидну дію.
Однак хлор здатний реагувати з органічними сполуками, які практично завжди присутні у поверхневих природних водах. Утворені хлорпохідні речовини є значно шкідливішими, ніж їх незаміщені попередники. Вони, наприклад, можуть викликати онкологічні захворювання. Тому хлоруванням можна застосовувати лише для знезараження підземних вод, які не містять органічних сполук.
У водному середовищі гіпохлорити натрію та кальцію гідролізують
NaOCl + H2O = HOCl + NaOH, (4.70)
Ca(OCl)2 + 2H2O = 2HOCl + Ca(OH)2 , (4.71)
а потім відбувається реакція (4.69).
Реакційна здатність гіпохлоритів, зокрема їх активність як хлоруючих агентів є меншою, ніж у хлору, а тому утворення хлорпохідних сполук є менш ймовірним.
Хлору (IV) оксид (СlO2) належить до дуже сильних окисників (його окисно-відновний потенціал дорівнює 1,5 В), тому його бактерицидні властивості є кращими, ніж у хлору. До того ж він не утворює токсичних продуктів прямого хлорування.
Озонування вважається перспективним методом знезараження води, бо озону притаманна дуже висока бактерицидна дія і тому він має низку переваг порівняно з хлором. Завдяки високій окиснювальній здатності озон руйнує окисно-відновну систему бактерій, їх цитоплазму. Тому озон діє також і на віруси, в яких ферментні системи відсутні. Знезараження озоном відбувається у 10...15 разів швидше ніж хлором. Оскільки озон є речовиною нестійкою, то у воді він частково руйнується з утворенням іншого сильного окисника – атомарного кисню
О3 = О2 + О. (4.72)
Головною перепоною для широкомасштабного застосування методу озонування є значні енерговитрати на генерування озону. До недоліків озонування належить також можливість участі озону як дуже сильного окисника у побічних хімічних реакціях із органічними домішками, які містяться у воді, зокрема, поверхневій. Особливо небезпечними є продукти його взаємодії з ненасиченими органічними речовинами, внаслідок якої утворюються токсичні озоніди та пероксидні сполуки. Тому озонуванням, як і хлоруванням, можна знезаражувати лише підземні води.
Розчинні солі срібла та міді як донори катіонів відповідно срібла та міді, йод, калію перманганат та інші неорганічні окисники характеризуються достатньо високою бактерицидною дією, але у промисловій водопідготовці практично не використовуються через високу їх вартість або токсичність.
До фізичних методів знезараження належать термічний, акустичний (ультразвуковий) та опромінення ультрафіолетовим (УФ) світлом.
Термічний метод полягає у кип’ятінні води. Він є дуже енергоємним і не забезпечує повного знезараження.
Високою ефективністю характеризується акустичний метод, за реалізації якого у воді спеціальними пристроями генеруються ультразвукові коливання, що призводять до виникнення явища кавітації. При цьому спершу виникають кавітаційні порожнини, всередині яких тиск є дуже малим, через що мікроорганізми, які потрапляють туди, гинуть внаслідок розривання клітин під дією внутрішнього тиску. Кавітаційні порожнини існують протягом дуже малого періоду часу, після чого вони миттєво змикаються. У точці, де відбувається цей процес, температура сягає 1000 К, а тиск – десятки МПа. Саме ці жорсткі умови є головними бактерицидними чинниками під час ультразвукового знезараження води. У полі дії УЗ-коливань також відбувається соноліз води, тобто її розклад з утворенням широкої гами продуктів, у тому числі окисників (атомарного кисню, озону, гідропероксидних радикалів, сольватованих електронів тощо), які знешкоджують мікроорганізми. Але загалом частка енергії, що витрачається на корисні хімічні процеси, є дуже малою – близько 1 %.
Оброблення води світловим потоком в УФ-області характеризується дуже високою бактерицидною дією, але лише в приповерхневому шарі води.
Обидва останні методи, хоча й належать до високоефективних, є енергоємними, потребують спеціального обладнання і характеризуються порівняно невисокою продуктивністю.
До фізико-хімічних методів знезараження належить опромінення води частинками з високими енергіями, які безпосередньо або опосередковано іонізують середовище; це – електрони, протони, a-частинки, нейтрони, g- та рентгенівське випромінювання. Найчастіше застосовують два останні види випромінювань, які, взаємодіючи з молекулами води, призводять до їх розкладу – відбувається радіоліз води. Основними продуктами радіолізу є вільнорадикальні (гідратований електрон (еaq), гідроксильний радикал (НО×), атомарний кисень (О), гідропероксидний радикал (НО2×) тощо) та молекулярні продукти (водню пероксид, водень). Бактерицидну дію g- та рентгенівського випромінювань зумовлюють саме частинки з окисними властивостями (НО×, НО2×, Н2О2, О).