Химическое производство и проблема окружающей среды.

Тема 1. Введение

Показатели качества воды:

• Природная вода

• Техническая вода

• Вода, идущая на хозяйственно-питьевые нужды

Техническая вода - это вода, идущая для питания паровых котлов, для охлаждения двигателей внутреннего сгорания, конденсаторов. Качество воды является важной особенностью безаварийной работы котлов.

Вода нормируется по следующим показателям:

1. Общее солесодержание:

– не должно превышать 1 г/л;

2. Сухой остаток:

– количество растворимых веществ в 100 мл профильтрованной воды и последующего высушивания при 110-120° С (мг/л);

3.Содержание коррозионно-активных газов в воде:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru первые 3 - коррозионно-агрессивные: обуславливающие или способствующие коррозии. Удаление газов из воды называется дегазацией;

4. Активная реакция воды:

– определяет PH среды. Водопроводная вода должна иметь РН≈7. Техническая РH 6,5 - 9,5

5. Мутность и цветность воды:

– обусловлена содержанием взвешенных частиц (песка, глины, илистых веществ органического происхождения). Для осветления воды ее:

а) отстаивают;

б) фильтруют;

Отстаивание воды является естественным процессом, при котором взвешенные в воде грубодисперсные частицы с плотностью, превышающей плотность воды осаждаются под действием силы тяжести. Для удаления из воды коллоида дисперсных частиц (они не осаждаются в осветлителях и не задерживаются в осветлительных фильтрах) необходимо укрупнение этих частиц коагулированием. Для этого воду обрабатывают химическими веществами коагулянтами ( Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ).

Цветность воды зависит еще от того, где расположены озера и реки. Цветность определяется по шкале цветности в сравнении с эталонной водой.

6. Жесткость воды:

– обусловлена содержанием в ней растворимых солей ионов Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru и Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Различают два вида жесткости: временную (гидрокарбонатную) и постоянную (некарбонатную). Временная жесткость вызывается присутствием в воде гидрокарбонатов кальция Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru и магния Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru . Временная жесткость может быть легко устранена путем нагревания.

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Постоянная жесткость вызывается наличием в воде хлоридов Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , сульфатов Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , силикатов Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru и других некарбонатных солей. Жесткость измеряется в (мг-экв/л) Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru или ( Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru )

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru или Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Исходя из единицы жесткости:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , где [ ] – концентрация ионов.

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru = Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru = Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru 40 = 20 мг/моль

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru мг/моль

По величине общей жёсткости воду делят на следующие группы:

1. мягкая 0-3 ммоль/л Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

2. жёсткая 3-11,8 ммоль/л Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

3. очень жёсткая более 12 ммоль/л Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

В судовых котлах допустимая жёсткость не более 0,0355 ммоль/л.

7. Соленость воды

– соленость воды обуславливается содержанием в ней растворимых хлоридов Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru . Определение солености сводится к определению иона Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru . Определение производится путем титрования Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru в присутствии индикатора хромата калия.

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Хромат калия - индикатор, который позволяет установить окончание реакции, т. е. практически полное осаждение из раствора хлор-иона. После того, как Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru -ион будет полностью осаждён дальнейшее прибавление Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru вызовет образование малорастворимой соли хромата серебра.

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Выражается солёность в мг/л Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru и °Б (градус Брандта)

1°Б соответствует содержанию хлоридов, эквивалентному 10 мг Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru в 1 литре Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru /58,5 - 35,5(мг) Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

10 – X;

Х = 6,06 мг/л Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

1°Б = 6,06 мг/л Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

Солёность ухудшает качество Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru разрушают стенки котлов и паропроводящую систему. Допустимая соленость до 1°Б.

8. Щёлочность

– обуславливается содержанием в воде солей сильных оснований и слабых кислот, при гидролизе которых образуется щелочная среда.

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ; Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Определяется щёлочность щелочным числом.

Щелочное число = Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

4,5 – опытный коэффициент, учитывающий частичный гидролиз соли. Щёлочность воды для питания котлов 150-300 мг/л.

Проверка воды на содержание газов. Дегазация.

Процесс удаления газов из Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru называется - дегазацией. Главную коррозионную опасность для некоторых металлических конструкций представляет растворённый кислород:

1). Физические методы:

– При t=102-103° C;

– Пропуская через железный фильтр

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

2). Добавляя химикаты:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Для более глубокого удаления Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Удаление Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru :

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru – забивает трубы;

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru – удаляется продувкой котлов;

Удаление Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru :

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru – и нейтрализуют Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Умягчение воды.

• Физический метод - метод дистилляции (выпаривание) - осуществляется в выпарных аппаратах. Получают высокую степень очистки.

Недостаток метода - большой расход тепловой энергии ≈ 2250 кДж/кг выпариваемой воды. Для снижения этого расхода применяют 3-х корпусные вакуумные установки, на которых пар, полученный в первом выпарном аппарате, является греющим паром для второго и так далее.

Метод дистилляции используется в нашей стране на установках для опреснения морской воды (г. Шевченко) и на станциях для очистки засолёных природных вод.

Магнитная обработка - вода пропускается через систему постоянных магнитов. Механизм воздействия магнитного поля на воду не ясен. Можно полагать, что под влиянием магнитного поля происходит определенное изменение "структуры" водного раствора и достигается эффект умягчения воды. В настоящее время в СССР серийно выпускают устройства для магнитной обработки. На чистую воду (без примесей) магнитная обработка не влияет.

Во многих случаях физические методы экономически более выгодны, чем химические, более чисты экологически. Энергетические затраты не значительны.

• Химические методы.

Цель этих методов - осаждение накипиобразователей путём введения различных реагентов, т. е. умягчения - это удаление из Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru только солей жёсткости.

1. Известково-содовый:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

удаляются только соли временной жесткости

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Этим методом устраняется временная (известь) и постоянная жесткость (сода). Однако в воде остается много ионов Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , коррозионно-активных ионов.

2. Фосфатный:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

3. Пермутитный:

с помощью природных алюмосиликатов, имеющих в своем составе подвижный катион Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , способный обмениваться на катионы Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru и Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru .

Формула:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ruХимическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Недостатки химических методов умягчения Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru :

1. коррозионная агрессивность воды по отношению к оборудованию сохраняется;

2. такая вода не может применяться на парогенераторных установках, т.к. не полностью удаляются Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru и Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

Полное удаление всех солей достигается обессоливанием;

Методы опреснения воды

Метод ионного обмена

Основан на прохождении воды через слой специальных веществ - ионообменных смол (иониты).

Иониты - твердые высокомолекулярные соединения, содержащие в своем составе фиксированные и подвижные ионы, способные обмениваться на ионы, находящиеся в водном растворе. Иониты делятся на катиониты, применяемые для извлечения катионов и аниониты - обмен анионов.

Этот метод может быть использован для умягчения воды, обессоливания (деионизации). Также применяется для извлечения токсичных катионов тяжелых и цветных металлов и сточных вод.

Аниониты - это вещества, содержащие гидроксилфенольную группу

( Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru )

Катиониты - вещества, содержащие в своем составе активные группы:

первичные аминогруппы, Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

вторичные аминогруппы, Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

третичные аминогруппы, Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru ;

Обмен ионами в анионитах:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru
Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

R - радикал с большим ионным весом.

Обмен ионами в катионитах:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru
Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

В качестве катионита используют искусственно полученные смолы на основе стирола.

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru – стирол термостоек (t=120° - 140°), хранится под слоем воды. Но смолы очень дорогие.

Реакции обмена катионитов:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

При катионировании происходит обмен всех катионов, находящихся в воде, на катионы водорода или натрия и т.д.

Реакции обмена анионитов:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Обессоливание с помощью смол производится чаще по схеме: катионит-анионит.

Пусть вода содержит Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru .

Обессолить ее:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Получается подкисленная вода, которую пропускают через анионит:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Полнота обессоливания этим методом зависит от скорости фильтрации и объемной емкости ионитов.

Иониты поглощают одновалентные ионы до тех пор, пока в них не замещены ионы Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru и Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru на другие ионы. После этого иониты подвергают регенерации. Регенерация катионита заключается в следующем: через слой отработанного катионита пропускают раствор Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru или Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru до тех пор, пока не будут замещены все катионы металлов в катионите на ионы водорода.

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

В настоящее время имеются установки, способные перерабатывать более 2 млн. Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru воды за сутки. Вода, прошедшая через такие ионообменники близка к дистиллированной, но обходится в несколько раз дешевле Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , полученной перегонкой.

После регенерации производят отмывку избыточной кислоты чистой обессоленной водой до нейтральной реакции.

Аниониты регенерируются 3-5% раствором NaОН.

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Регенерация щелочью проводится до тех пор, пока анионы кислот

полностью не будут замещены на ионы Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru . После этого фильтр

промывается и включается в общую схему водоподготовки.

Экономически по методу ионного обмена целесообразно перерабатывать воду с содержанием 1,5 г/л солей.

Ионирование может выполнять две функции:

а) Только катионирование - умягчение воды;

б) Катионирование и анионирование - обессоливание воды.

Электродиализ

Процесс удаления из растворов поляризованных веществ путем переноса их через мембрану в поле постоянного электрического тока, В такой системе возникает направленное движение ионов растворенных солей, а также ионов Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru и Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru , причем катионы движутся к катоду, анионы - к аноду.

На катоде:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Анодные реакции:

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Для предотвращения переноса ионов Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru и Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru образующихся по реакциям, электродиализатор разделяют на отсеки с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов или только для анионов (рис.1.1).

 
  Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

1 – катионитовая мембрана; 2 – анионитовая мембрана;

Расход электроэнергии на 1 Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru воды Q=96500 Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Метод обратного осмоса

Осмос - это самопроизвольная диффузия растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор через полупроницаемую перегородку. Если чистую воду отделить такой перегородкой от соленой воды, то молекулы воды проникнут в раствор, разбавляя его. Уровень раствора повысится (рис.1.2).

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Схема самопроизвольной диффузии

Разница уровней в момент равновесия будет характеризоваться осмотическим давлением раствора. Зависит Росм от концентрации раствора. Если к раствору приложить давление большее, чем Росм, то будет наблюдаться явление обратного осмоса: вода из раствора будет переходить в направлении, обратном естественной диффузии (рис.1.3).

Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru

Схема опреснения воды методом обратного осмоса

Вода проходит через отверстия в 3,5 А, а молекулы солей через поры

более 5 А.В качестве полупроницаемых мембран применяются пористый фарфор, пропитанный ферроцианидом меди (II) Химическое производство и проблема окружающей среды. - student2.ru .Стоимость получения пресной воды этим методом составляет 1 доллар за 16000 л.

Наши рекомендации