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;

d_экв – 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 Е_р (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 Н_сл. 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 (SO₄^2–) 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 d_K=16 мм;

– площадь сечения колонки f_K=2•10^–4 м²;

– объем загрузки катиона в колонке V_K=6•10^{–6 м3};

- высота загрузки катионита в колонке Н_сл=3•10^{–2 м.}

Химический состав исходной воды определяется химическим анализом,

т. е. ее показателями: жесткостью (Ж_о) и щелочностью (Щ_о).

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;

d_экв – 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.