Классификация вод и свойства водных дисперсных систем
В промышленности воду используют как сырье и источник энергии, как хладоагент, растворитель, экстрагент, для транспортирования сырья и материалов.
Общее количество природной воды на Земле составляет 1386 млн. куб. км., из них количество пресной воды - 35 млн.куб.км., т.е. около 2,5%. Объем
потребления пресной воды в мире достигает 3900 млрд.куб. м/год. Около половины этого количества потребляется безвозвратно, а другая половина превращается в сточные воды.
В зависимости от степени минерализованности (в г/л) воды делятся: напресные (с содержанием солей <1); солоноватые (1…10); соленые (10…50) и рассолы (>50). В свою очередь пресные воды подразделяются на воды малой минерализованности (до 200 мг/л); средней минерализованности (200…500 мг/л) и повышенной минерализованности (500…1000 мг/л). По преобладающему аниону все воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.
Жесткость природных вод обусловлена присутствием в них солей кальция и магния и выражается концентрацией ионов Са2+ и Mg2+ в ммоль экв/л. Различают общую карбонатную и некарбонатную жесткость. Общая жесткость представляет сумму двух жесткостей: карбонатная - связана с присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния, а некарбонатная - сульфитов, хлоридов, нитратов кальция и магния.
Плотность чистой воды при 15°С и атмосферном давлении 999 г/м3. С увеличением концентрации примесей плотность воды возрастает. Поверхностное натяжение воды при 18°С составляет 73, при 100°С - 52,5 мН/м. Теплоемкость воды при 0°С составляет 4180 Дж/(кг⋅°С). Теплота парообразования при атмосферном давлении и температуре 100°С равна 2250 кДж/кг.
Вода - слабый проводник электрического тока: удельная электрическая проводимость при 18°С равна 4,41.10-8 1 Ом∙см. Природная вода, подвергаемая антропогенному загрязнению, называется денатурированной или природно-антропогенной.
Воду, используемую в промышленности, подразделяют на охлаждающую, технологическую и энергетическую. В промышленности 65…80% расхода воды потребляется для охлаждения жидких и газообразных продуктов втеплообменных аппаратах. В этих случаях вода не соприкасается с материальными потоками и не загрязняется, а лишь нагревается. Технологическуюводу подразделяют на средообразующую, промывающую и реакционную.Средообразующую воду используют для растворения и образования пульп,при обогащении и переработке руд, гидротранспорте продуктов и отходовпроизводства; промывающую - для промывки газообразных (абсорбция),жидких (экстракция) и твердых продуктов и изделий; реакционную - в составе реагентов, а также при отгонке и других процессах. Технологическая воданепосредственно контактирует со средой. Энергетическая вода потребляетсядля получения пара и нагревания оборудования, помещений, продуктов.
Для уменьшения потребления свежей воды создают оборотные и замкнутые системы водоснабжения. При оборотном водоснабжении предусматривают необходимую очистку сточной воды, охлаждение оборотной воды,обработку и повторное использование сточной воды. Применение оборотного водоснабжения позволяет в 10…15 раз уменьшить потребление природнойводы.
Оборотная вода должна соответствовать определенным значениям показателей: карбонатной жесткости, рН, содержанию взвешенных веществ и
биогенных элементов, значению ХПК (химическая потребность в кислороде). Оборотную воду в основном используют в теплообменной аппаратуре для отведения избыточного тепла. Она многократно нагревается до 40…45°С и охлаждается в градирнях или в брызгальных бассейнах. Значительная часть ее теряется в результате брызгоуноса и испарения. Из-за неисправностей и неплотностей теплообменников она загрязняется до определенного предела.
Для предотвращения коррозии, инкрустации, биологического обрастания часть оборотной воды выводят из системы (продувочная вода), добавляя свежую воду из источника или очищенные сточные воды. Основным требованием к воде, расходуемой на подпитку оборотных систем, является ограничение карбонатной и сульфатной жесткости. Ограничивается также содержание взвешенных веществ.
Для предотвращения биологического обрастания аппаратов и сооружений в оборотной воде ограничивается содержание органических веществ и соединений биогенных элементов (азота, фосфора), являющихся питательной средой для микроорганизмов.
При работе без сброса оборотной воды для продувки предъявляются более жесткие требования к качеству воды.
Качество воды, используемой для технологических процессов, должно быть выше, чем воды, находящейся в оборотных системах.
Сточная вода - это вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшая через загрязненную территорию. В зависимости от условий образования сточные воды делятся на бытовые или хозяйственно-фекальные (БСВ), атмосферные (АСВ) и промышленные (ПСВ).
Хозяйственно-бытовые воды - это стоки душевых, прачечных, столовых, туалетов, от мытья полов и др. Они содержат примеси, из которых ~ 58% органических веществ и 42% минеральных. Атмосферные воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков и стекающие с территорий предприятий. Они загрязняются органическими и минеральными веществами.
Промышленные сточные воды - это жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке органического и неорганического сырья.
Сточные воды загрязнены различными веществами: 1) биологически нестойкие органические соединения; 2) малотоксичные неорганические соли;
3) нефтепродукты; 4) биогенные соединения; 5) вещества со специфичными токсичными свойствами, в т.ч. тяжелые металлы, биологически жесткие неразлагающиеся органические синтетические соединения.
и бытовые сточные воды содержат взвешенные частицы растворимых и нерастворимых веществ. Взвешенные примеси подразделяются на твердые и жидкие, образуют с водой дисперсную неоднородную систему. Под неоднородной системой понимают систему, состоящую из двух или нескольких фаз, каждая из которых имеет свою поверхность раздела и может быть механически отделена от другой фазы. Система, в которой внешней фазой является жидкость, называется жидкой неоднородной системой.
Сточные воды многих производств кроме растворимых неорганических и органических веществ содержат коллоидные примеси, а также взвешенные грубодисперсные и мелкодисперсные примеси, плотность которых может быть больше или меньше плотности воды.
Классификация примесей по их фазово-дисперсному состоянию:
а) гетерогенные системы:
I - взвеси, размер частиц 10-1 мкм (суспензии, эмульсии, микроорганизмы и планктон);
II - коллоидные растворы, размер частиц 10-1…10-2 мкм (золи и растворы высокомолекулярных соединений).
б) гомогенные системы:
III - молекулярные растворы, размер частиц 10-2…10-3 мкм (газы, растворимые в воде, органические вещества);
IV - ионные растворы, размер частиц 10-3 мкм (соли, основания, кислоты).
В зависимости от физического состояния фаз различают следующие жидкие неоднородные системы: суспензии, эмульсии и пены.
Суспензия состоит из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров частиц различают грубые суспензии с частицами размером > 100 мкм, тонкие (0,5…100 мкм) и мути (0,1…0,5 мкм). Промежуточное положение между суспензиями и истинными растворами занимают коллоидные растворы с размерами частиц менее 0,1 мкм.
Эмульсия состоит из 2-х несмешивающихся или частично смешивающихся жидкостей, одна из которых распределена в другой в виде жидких капель. Величина частиц дисперсной фазы в эмульсиях колеблется в довольно широких пределах.
Пена - система, состоящая из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа.
Неоднородные системы характеризуются массовым или объемным соотношением фаз и размерами частиц дисперсной фазы. Дисперсную фазу, состоящую из частиц неодинакового размера, принято характеризовать фракционным или дисперсным составом, т.е. процентным содержанием частиц различного размера.
Сточные воды представляют собой полидисперсные гетерогенные (неоднородные) агреативно-неустойчивые системы. В процессе осаждения размер, плотность, форма частиц, а также физические свойства частиц системы изменяются.
Свойства сточных вод отличаются от свойств чистой воды. Они имеют более высокую плотность и вязкость.
Средняя плотность суспензий и эмульсий определяется объемным соотношением фаз
ρc = ρд ⋅ϕ + ρ0 (1 −ϕ ), (1.16)
где ρc, ρд - плотность сточной воды, дисперсной фазы (твердой или жидкой), кг/м3; ρ0 - плотность чистой воды; ϕ - объемная доля дисперсной фазы.
Вязкость суспензии зависит от объемной концентрации (объемной доли) твердой фазы и при ϕ ≤ 10% определяется по зависимости
μc = μ0 (1+ 2,5ϕ ), (1.17)
где μ0 - динамическая вязкость чистой воды, Па⋅с.