ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНЫХ ВОД 15 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 21 из 25Следующая ⇒

Содержание анионов в воде при этом не меняется. Солесодержание воды несколько повышается, поскольку ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ имеют эквивалентную массу 20 и 12,2 соответственно, а ион натрия - массу 23.

По исчерпании обменной емкости проводится регенерация катионита раствором поваренной соли. Теоретически на регенерацию 1 г-экв обменной емкости катионита необходимо пропустить через него в виде раствора 1 г-экв поваренной соли, то есть 58,5 г.

Водород-катионное смягчения воды. Процесс ионного обмена описывается уравнением :

[КАТ]Н⁺ + Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ ® [KAT]Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ + H⁺

Практически все катионы растворенных в воде солей вытягиваются зернами катионита, а вместо них в воду поступают ионы водорода, то есть вода подкисляется. Часть ионов водорода нейтрализуется ионами щелочности воды

Н⁺ + НСО₃^- ® СО₂ + Н₂О.

Вода после Н-катионирования представляет собой слабый раствор серной и соляной кислот; чем выше концентрация ионов SO₄^2- Cl^- , тем выше концентрация кислот, тем ниже рН воды.

Н-катионитные фильтры регенерируют серной кислотой. Теоретически необходимый расход на регенерацию 1 г-экв обменной емкости равна 1 г-экв H₂SO₄. Фактически приходится давать избыток в 2 - 3 раза.

3.2 Катиониты

В практике используются синтетические органические катиониты (ионообменные смолы), которые делятся на две группы:

* универсальные (сильнокислотные), которые способны обменивать ионы в любой среде (кислой, нейтральной, щелочной), эти катиониты ведут себя, как соли сильных кислот;

* буферные (слабокислотные), которые обменивают ионы в слабом, нейтральной и щелочной среде, они ведут себя, как соли слабых кислот, эти катиониты сложнее применять в Н-форме, поскольку приходится регенерировать слабыми растворами кислоты.

В воде катиониты набухают, кроме обмена ионов они могут адсорбировать органические вещества («отравляться»).

Основной характеристикой катионита является обменная способность. Различают полную и рабочую обменную емкость. Полная обменная емкость Еп, представляет собой количество г-экв катионов, которые может извлечь из воды 1 м3 или 1 кг набухшего катионита при полной замене всех обменных ионов. Эта величина не достижима даже теоретически.

Рабочая обменная емкость Ероб представляет собой реальную обменную емкость, что проявляет катионит при работе. Она зависит от показателей качества обрабатываемой воды и характеристик реагентного раствора.

Некоторые характеристики катионитов приведены в табл. 11.1.

Зарубежные иониты имеют фирменные названия, например: фирма «Байер» (ФРГ) выпускает катиониты под маркой «Леватит S...», «Доу-кемикл» (США) - под маркой «Доувекс HCR-...»,

Монтедисон» (Италия) - под маркой «Кастель С...», «Зеролит» (Англия) - под маркой «Z ...» и так далее. Сульфоуголь может обменивать ионы при температурах не более 65 оС, КУ-2-8 до 120 оС.

Таблица 11.1 - Характеристики основных катионитов

Марка катионита	Размер зерен, мм	Насыпная масса, т/м³ сухого набухшего	Эп, г-экв /м³
Универсальные катиониты
Сульфоуголь: СК-1(большой ) СК-1(мелкий) КУ - 2 - 8 (Черкассы)	0,5 - 1,25 0,25 - 0,70 0,30 - 1,25	0,70 0,42 0,70 0,42 0,70-0,88 0,33	500 570 1700
Слабкокислотные катиониты
КБ - 4 - П2 Эмберлайт IRC-50 (США, «Ром и Хаас»)	0,25 - 1,0 0,25 - 1,0	0,68 - 0,82 0,17-0,33 0,50 0,42	2800 2800

3.3 Устройство и работа ионитных фильтров

Процесс ионного обмена осуществляется в ионитных фильтрах. В большинстве промышленных установок применяются напорные ионитные фильтры, которые выпускаются серийно котлостроительными заводами. Фильтр представляет собой герметичный закрытый стальной цилиндрический резервуар, внутри которого находится загрузки и дренажная система (щелевая и колпачковая). В схемах Н-катионирования фильтры изнутри покрываются антикоррозийной изоляцией, чаще всего гуммируются (покрытие сырой резиной).

Разделяются фильтры на две группы - паралельноточные и противоточные. В паралельноточных фильтрах вода и регенерационный раствор пропускаются через загрузки в одном направлении, в протиточных - в противоположных направлениях. Паралельноточные получили обозначение Фипа (фильтры ионные паралельноточные), противоточные - ФІПр.

Схема устройства и обвязки паралельноточного ионитного фильтра приведена на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Схема устройства и обвязки паралельноточного ионитного фильтра

Фильтр может находиться в следующих режимах:

- работа, открыты задвижки 1 и 2, идет смягчение воды

- регенерация, которая состоит из следующих стадий:

- разрыхления загрузки (обратная промывка), открытые задвижки 3 и 4; шайба служит для ограничения скорости разрыхления, чтобы загрузка не выбросило в канализацию, продолжительность взрыхления 20 - 30 минут,

- пропускания регенерацийного раствора, открыты задвижки 5 и 6,

- отмывка загрузки от регенерацийного раствора, открыты задвижки 1 и 6.

Высота слоя загрузки (катионита) зависит от того, на какой ступени используется фильтр. В фильтрах 1-й степени высота загрузки конечно 2,5 м, на 2-й ступени - 1,5 м. Поэтому серийные фильтры 1 и 2 ступени отличаются высотой. Промышленность выпускает ионитные фильтры диаметром от 0,7 м до 3,4 м с площадью фильтрации от 0,38 м2, 9,1 м2. Рабочее давление в фильтрах до 0,6 МПа. Типовое обозначение (маркировка):

Фипа I - 2,6 - 0,6 - фильтр параллельный первой ступени диаметром 2,6 м и на рабочее давление 0,6 МПа.

Фипа II - 2,0 - 0,6 - фильтр второй ступени диаметром 2,0 м.

Противоточные фильтры используются, как правило, как фильтры первой ступени, высота слоя ионита в них 3,4 - 3,7 м. Преимуществом протиточных фильтров есть лучшая регенерация свежим регенерационным раствором нижних слоев ионита, это позволяет увеличить продолжительность фильтроцикла.

Все задвижки обвязки фильтра обычно выносятся на одну сторону («фронт фильтра») и располагаются на небольшой высоте. Кроме того, фильтр оборудован пробоотборными трубками на входе и выходе установлены манометры, разница показаний которых позволяет судить о потерях напора в фильтре.

3.4 Схемы катионитовых установок

На ионитные фильтры разрешается подавать воду с показателями: не более 5 - 8 мг взвешенных веществ, окисляемость до 7 мг О2/л, цветность до 30 градусов. Если качество воды не соответствует этим требованиям, то до ионного обмена необходима предварительная очистка воды методами коагуляции и фильтрации.

В зависимости от требований потребителя применяются следующие схемы катионных установок:

1 - одноступенчатый Na-катионирования (рис. 11.4) применяется для неглубокого умягчения воды. Остаточная жесткость фильтра составляет 0,05 - 0,1 мг-экв/л;

Рис. 11.4. Одноступенчатый Na-катионирования

2 - двумя ступенями Na-катионирования (рис. 11.5) применяется для глубокого умягчения воды. Остаточная жесткость после второй ступени составляет не более 0,01 мг-экв/л. Фильтры первой ступени отключаются на регенерацию при достижении жесткости фильтрата 0,1 мг-экв/л, что позволяет более полно использовать обменную емкость ионита в первой степени. Фильтры второй ступени является «барьерными» - для задержки проскока жесткости с 1-го степени;

Рис. 11.5. Двумя ступенями Na-катионирования

3 - Н-Na-катионирования применяется для одновременного умягчения и снижения щелочности вод, например, при подготовке воды для подпитки тепловых сетей. Возможны два варианта схем:

* параллельное Н-Na-катионирования,

* последовательное H-Na-катионирования.

В обоих вариантах обязательно применение Na-катионитных фильтров второй ступени («буферные» фильтры для задержки проскоков жесткости и кислотности из фильтров первой ступени.

Схема параллельного H-Na-катионирования приведена ниже (рис. 11.6).

Рис. 11.6. Схема параллельного H-Na-катионирования

Н-катионный фильтр предназначен в основном для снижения щелочности воды до требуемой потребителем величины Лн. Величину расхода воды через Н-фильтр можно найти из следующих соображений. Количество ионов водорода, которое необходимо для снижения щелочности от Ло к Лн составляет:

G_H+ = q (Ло - Лн) , г-экв/л (11.1)

где q - общий расход воды через установку, м3/ч

С другой стороны количество ионов водорода, который выделяется в воду при Н-катионировании, составляет:

G_H+= q* SK , г-экв/л (11.2)

где q* - расход воды через Н-фильтр, м³/ч,

SK - сумма катионов в исходной воде.

Приравняв правые стороны этих соотношений, получим

q* = q (Ло – Лн ) / SK, м3/ч (11.3)

Расходы воды через Na-фильтр:

q** = q - q* , м3/ч. (11.4)

Более надежно последовательное Н-Na-катионирования, схема которого приведена ниже (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Последовательное Н-Na-катионирования

При такой схеме полнее используется обменная емкость Н-фильтров. Расход воды через Н-фильтров определяется по той же формуле, что и в предыдущей схеме, расход через Na-фильтры равен общему расходу воды.

Недостатком схемы является увеличение напора насосов для продавливания воды через 3 ступени фильтров.

Иногда вместо Н-Na-катионирования может применяться двумя ступенями Na-катионирования с подкислением серной кислотой. Но при этом в воде увеличивается содержание сульфатов-ионов и усиливается ее коррозионная агрессивность.

Вообще Na-катионирования также заметно увеличивает коррозионную агрессивность воды, так как из воды удаляются ионы Ca2+ и Mg2+ способны образовывать защитные пленки на поверхности металла.

ЛЕКЦИЯ 21

ТЕХНОЛОГИИ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ШАХТНЫХ ВОД

1 Нейтрализация шахтных вод

Нейтрализация - процесс подкисления или подщелачивания воды с целью изменения величины рН в сторону приближения ее к нейтральной.

Чаще всего возникает проблема нейтрализации кислых шахтных вод.

1.1 Нейтрализация кислых шахтных вод

Различают три вида кислых сточных вод:

1) содержащие слабые кислоты (H₂CO₃, H₂S, HCN, H₂SiО_3, CH₃COOH);

2) содержащие сильные кислоты (HCl, HNO₃), кальциевые соли которых хорошо растворимы в воде;

3) содержащие сильные кислоты (H₂SO₄, H₂SO₃), кальциевые соли которых малорастворимые в воде и выпадают в осадок.

Кислые воды вызывают коррозию металла и бетона, нарушают биохимические процессы в водных объектах, куда они сбрасываются.

Нейтрализация воды достигается следующими способами:

а) смешение кислых и щелочных вод;

б) добавление реагентов;

в) фильтрование через нейтрализующие материалы.

Выбор способа нейтрализации зависит от многих факторов: вида и концентрации кислот, содержащихся в сточных водах; расхода и режима поступления вод на нейтрализацию; наличия реагентов; местных условий и т.д.

Не вызывает затруднений нейтрализация сильных кислот HCl, HNO₃, потому что соли, образующиеся растворимые в воде и осадки не дают.

Сильные кислоты второй группы H₂SO₄, H₂SO₃ нейтрализовать значительно сложнее, так как в осадок выпадает большое количество солей (например, кальциевых солей, гипс CaSO₄ при нейтрализации

серной кислоты). Кроме того, осадок отлагается на поверхности нейтрализующего материала и тормозит процесс реакции.

Нейтрализация вод смешиванием. Этот способ может быть использован, если имеются кислые и щелочные воды, незагрязненные другими компонентами. Для смешения таких вод строят специальные резервуары-осреднители. Интенсификация смешивания осуществляется механическими мешалками или сжатым воздухом.

Реагентная обработка. Нейтрализация кислых вод достигается добавлением в них щелочей (NaOH, KOH); аммиачной воды (NH₄OH); гашеной извести [Ca(OH)₂]; щелочных реагентов (негашеная известь СаО; карбонаты кальция и магния, то есть известняк и мел CaCO₃ , магнезит MgCO₃; доломит CaCO₃ х MgCO₃; кальцинированная сода Na₂CO₃; обожженный магнезит MgО); производственных отходов на щелочной основе.

Выбор реагента для нейтрализации кислых вод зависит от вида кислот и их концентрации, а также от растворимости солей, образующихся в результате химической реакции. Чаще всего для нейтрализации кислот применяют известь, известняк, мел, кальцинированную соду, щелочи и другие реагенты (экономически выгодно использовать отходы производства - их стоимость и дефицитность снижаются).

Из названных реагентов наиболее дешевым является известь. Его можно добавлять в воду в виде суспензии, называемой известковым молоком (способ “мокрого” дозирования) или в виде сухого порошка (способ сухого дозирования). Мокрое дозирование, то есть известковое молоко применяют при меньших значениях кислотности воды. Его готовят из обычного товарного комовой извести (СаО), после его подрінення и тушения в специальных аппаратах. Принципиальная схема нейтрализационной установки показана на рис. 12.1. В ее состав входят резервуары-осреднители кислых и щелочных стоков I, аппараты для гашения извести 2, состав негашеной извести 3, растворные баки 4, дозаторы 5, нейтрализаторы 6, отстойники 7 и сооружения для обезвоживания осадков 8.

Рис. 12.1. Принципиальная схема нейтрализационной установки с использованием извести

Работа установки осуществляется следующим образом. С гасильных аппаратов известковое молоко подается насосами в растворные баки, где разбавляется до требуемой концентрации, а затем через дозаторы подается через смеситель в поток воды. Контакт реагента с шахтной водой, необходимое для завершения реакции, осуществляется в специальных резервуарах-нейтрализаторах, рассчитанных на 10-15 минутное пребывание в них жидкости. Нейтрализатор может быть совмещен с отстойником.

Конечно, для нейтрализации минеральных кислот известковое молоко имеет 5%-ную концентрацию по СаО.

Недостатками способа нейтрализации сточных вод с помощью реагентов являются: обязательность осреднители перед нейтрализационною установкой; проблемы регулирования дозы реагента по рН нейтрализуемой воды, сложность реагентного хозяйства; необходимость в отстойниках-шламонакопителях при нейтрализации сильных кислот (H2SO4, H2SO3), кальциевые соли которых малорастворимые в воде (например, образуется сульфат кальция, что приводит к зарастанию трубопроводов и аппаратуры).

Для сокращения количества осадка целесообразно его повторное использование (рециркуляция) в процессе нейтрализации в качестве нейтрализующего реагента. При таком подходе лишь 30-35% обезвоженного шлама идет в отходы, а 65-70% может направляться для повторного использования.

Нейтрализация вод фильтрованием. В этом случае процесс происходит на непрерывно действующих фильтрах, которые могут быть горизонтальными или вертикальными. В качестве загрузки применяют щелочные реагенты: доломит, магнезит, мел, мрамор, твердые отходы (шлаки, зола) и др. В процессе нейтрализации загрузки растворяются в воде и нуждаются в периодической замене.

Крупность фракций материала загрузки 3-8 см, расчетная скорость фильтрования зависит от вида загрузочного материала (но не более 5 м/ч); продолжительность контакта не менее 10 минут.

Область применения ограничена требованием предотвращения образования осадков при нейтрализации, которые забивают поры фильтров. Поэтому способ используется:

- для нейтрализации соляно - и азотнокислых, а также сернокислых вод (при концентрации серной кислоты не более 1,5 г/л);

- при условии отсутствия в воде растворенных солей металлов, поскольку они будут выпадать в осадок.

На рис. 12.2 показана установка вертикального фильтра, загруженного доломитом CaCO₃×MgCO₃..

Рис. 12.2. Вертикальный фильтр-нейтрализатор: 1 - подача кислых вод; 2 - приемная камера; 3 - доломитный фильтр; 4 - гравий; 5 - дренаж; 6 - выпуск нейтрализованных сточных вод.

В фильтре протекают реакции типа:

2HNO₃ + CaCO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO₂

2HNO₃ + MgCO₃ = Mg(NO₃)₂ + H₂O + CO₂

После срабатывания загрузки его меняют свежим материалом. На выходе из фильтра контролируется величина рН воды.

1.2 Нейтрализация щелочных шахтных вод

Для нейтрализации щелочной воды применяются следующие способы:

а) смешение кислых и щелочных вод;

б) добавление реагентов;

в) обработка кислыми дымовыми газами.

Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно производить высокоэффективную очистку этих газов от вредных компонентов.

Первый способ описан выше в 12.1.1.

Нейтрализация щелочных вод реагентами достигается добавлением в них минеральных кислот - серной, соляной и др. В этом случае требуется сложное и опасное для персонала кислотное хозяйство.

Применение кислых газов (СО2, SO2, NO2, N2O3 и др.) позволяет нейтрализовать сточные воды и одновременно очищать сами газы. Преимуществом способа использования СО2 является его дешевизна, а также большая возможность утилизации карбонатов, чем сульфатов или хлоридов. Схема нейтрализации дымовыми газами приведена на рис. 12.3.

Рис. 12.3. Реактор-нейтрализатор щелочных сточных вод: 1 - корпус; 2 - мешалка.

2 Стабилизация шахтных вод

Стабильной называется вода не растворяет и не выделяет в осадок карбонат кальция. Последний является малорастворимыми, присутствует практически во всех природных водах. Кроме того, карбонат кальция является основным компонентом бетона, из которого изготовлены очистные сооружения и много труб.

2.1 Стабильность воды и методы ее оценки

Стабильность воды связана с состоянием углекислотно-карбонатной системы. Эту систему, чаще всего, изображают в следующем виде (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Схема углекислотно-карбонатной системы

Эту же схему в виде химического уравнения в молекулярной форме отражают следующим образом:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О « Са(НСО₃)₂

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 525; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 16 17 18 19 202122 23 24 25 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!