ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНЫХ ВОД 16 страница
Или в ионной форме:
СО32- + СО2 + Н2О « 2НСО3-
Концентрации всех компонентов системы должны соответствовать этим уравнением; если этого нет, то система является не стабильной и возможно растворение или осаждение карбоната кальция.
Для оценки стабильности рекомендуется использовать индекс стабильности (индекс Ланжель):
I= рНфакт – рНѕ, (12.1)
где рНфакт - фактическое значение рН исследуемой воды;
рНѕ - величина рН этой воды, которая уже находится в стабильном состоянии.
Величина рНфакт измеряются рН-метром, а величина рНѕ может, определятся по номограммах или экспериментально - путем встряхивания пробы воды с порошком карбоната кальция. При этом если вода агрессивная, то она растворяет часть порошка карбоната кальция, реакция в уравнении смещается вправо, в воде уменьшается содержание СО2 и увеличивается содержание НСО3-, что приводит к изменению рН. Если же вода пресыщена, то равновесие в уравнении смещается влево и на поверхность осаждается карбонат кальция. Величина рН меняется. Возможны следующие варианты значений индекса:
I < 0 вода агрессивна,
I = 0 вода стабильна,
I > 0 вода перенасыщена.
Агрессивная вода разрушает бетонные стенки сооружений, бетонные, железобетонные и асбестоцементные трубы, в ней усиливается коррозия стальных труб. Пресыщенная вода выделяет в осадок карбонат кальция, который откладывается на стенках труб и способен их полностью закупорить.
|
|
|
Следует отметить, что карбонат кальция все-таки в малой степени растворим в воде, при t=0оС растворимость около 7 - 8 мг/л, при 80 оС - около 1,5 мг/л. Растворимость определяется величиной произведения растворимости.
2.2 Стабилизация агрессивной воды
Методы стабилизации агрессивной воды:
1. Декарбонизация - удаление из воды агрессивной углекислоты (избытка более равновесное содержание). Количество удаляемого СО2 соответствует [СО2]АГР, для удаления СО2 используются различные типы декарбонизаторов (дегазаторов).
2. Обработка воды щелочью, при этом в воде увеличивается концентрация ионов ОН- и протекает реакция:
СО2 + ОН-® НСО3-
При снижении концентрации СО2 на 1 мг-моль содержание НСО3 - увеличивается на 1 мг-ион. Для обработки воды применяют наиболее дешевый луг – известковое молоко Са (ОН)2.
3. Обработка воды карбонатной солью. Тогда в воде увеличивается концентрация ионов СО32-и протекает реакция:
СО32- + СО2 + Н2О ® 2НСО3-
Для обработки воды обычно используют соду.
4. Фильтрование воды через карбонатные минералы, например кальцит (мрамор) СаСО3 или доломит MgCO3*CaCO3, или магномасу Mg*CaCO3 .
2.3 Стабилизация перенасыщенной воды
1. Рекарбонизация - добавление в воду углекислого газа (сквозь слой воды продувают дымовые газы); при этом протекает реакция:
|
|
|
СО32- + СО2 + Н2О ® 2НСО3-
2. Обработка воды любой кислотой. При этом в воде повышается концентрация ионов водорода Н+ и протекает реакция:
НСО3- + Н+ ® СО2 + Н2О
Воду обычно обрабатывают дешевой серной кислотой.
3. Высаживание из воды избыточного карбоната кальция. При этом содержание НСО3 - превышает необходимое для равновесия значение. Инициируют протекание реакции:
2НСО3- ® СО32- + СО2 + Н2О
СО32- + Са2+ ® СаСО3¯
Инициирование осуществляется путем фильтрования воды через дробленый мрамор или контакта с зернами карбоната кальция в вихревых реакторах.
4. Обработка воды комплексонами. Данный метод позволяет задержать осаждение карбоната кальция на стенках труб. Комплексоны адсорбируются на мельчайших частицах карбоната кальция в объеме воды и не позволяют им прикрепляться к стенкам труб и укрупняться. Карбонат остается в воде в виде тонкодисперсного шлама. В качестве комплексонов применяют ОЭДФК (оксиетилидендифосфонову кислоту), полифосфаты (полифосфат натрия или триполифосфат натрия), и так далее. Дозы комплексонов пропорциональны количеству избыточного карбоната кальция, обычно они находятся в пределах 0,5 - 2 мг/л по активному продукту.
|
|
|
ЛЕКЦИЯ 22
ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ ШАХТНЫХ ВОД
Деминерализация воды – это удаление из нее растворенных минеральных солей, то есть ионных примесей воды. Поскольку такие примеси имеют наивысший степень дисперсности, их удаление из воды вызывает наибольшие сложности.
В зависимости от степени очистки воды от растворенных солей различают процессы опреснения и обессоливания. Опреснение - это снижение содержания солей в воде ниже 1000 мг/л. Обессоливание - это полное удаление солей из воды, обычно в концентрациях ниже 1 мг/л.
Для опреснения и обессоливания воды применяются следующие методы:
* ионный обмен,
* термический,
* электродиализ,
* обратный осмос.
Каждый из методов имеет свою область применения.
1 Обессоливание воды ионным обменом
Основан на пропускании воды последовательно через слои катионита и анионита. Катионит обычно находится в Н-форме, анионит в ОН-форме. Процесс обмена в общем виде может быть описан в виде реакций:
[КАТ] Н+ + Са2+, Mg2+, Na+ ® [KAT] Ca2+, Mg2+, Na+ + H+
H+ + HCO3- ® CO2 + H2O (див. пом’якшення)
[АН] ОН- + SO42-, Cl- ® [АН] SO42-, Cl- + OH-
H+ + OH- ® H2O
В результате вода освобождается от растворенных в ней солей.
Промышленные анионита представляют собой синтетические высокомолекулярные смолы. Они делятся на два типа:
|
|
|
Высокоосновные (сильноосновные), обменивают анионита всех солей, ведут себя как сильные основания и диссоциируют в любой среде;
Низкоосновные (слабоосновные), ведут себя как слабые основания и диссоциируют только в кислой, нейтральной и слабощелочной среде, способны извлекать из воды только анионы сильных кислот (SO42-, Cl-, NO3-).
Характеристики некоторых анионитами приведены в табл. 13.1.
Таблица 13.1 - Характеристики распространенных анионитами
| Марка анионита | Размер зерен, мм | Насыпная масса сухого набухшего анионита | Еполн, г-экв/м3
| ||||
| по SO42- | по HSiО3- | по SO42- | по HSi3- | ||||
| Высокоосновные аниониты | |||||||
| АВ - 17 - 8 (Зарубежные аналоги: Амберлайт IRA-400, Дауекс-1, Зеролит FF-1P, Вофатит) | 0,35-1,25 | 0,74
| 0,33 | 800 | 400
| ||
| Низкоосновные аниониты | |||||||
| АН - 31 ЕДЕ - 10П | 0,40-2,00 0,40-1,60 | 0,72 0,60 | 0,31 0,45 | 1500 1600 | нет 30 | ||
Для анионирование используются ионитные фильтры типа Фипа или ФІПр. В воде, поступающей на анионитные фильтры, нежелательно наличие растворенного кислорода и органических веществ. Кислород разрушает (окисляет) анионит, а органические вещества значительно сильнее «отравляют» анионит, чем катионит. Кроме того, необходимо контролировать наличие микроорганизмов, которые также разрушают анионита.
Работа анионитных фильтров аналогична работе катионитных фильтров (11.3.3).
Опреснения и обессоливания воды ионным обменом считается целесообразным при солесодержании шахтной воды до 1,5 - 2 г/л и содержании ионов Cl- і SO42- в сумме до 5 мг-экв/л. Однако, в действительности ионный обмен применяется и при больших значениях этих параметров, особенно хлоридов и сульфатов.
Простейшая схема для опреснения воды имеет следующий вид (рис. 13.1).
Рис. 13.1. Опреснение воды ионным обменом (индексом „с” обозначены остаточные концентрации)
На схеме анионитный фильтр загружен анионитом в CO32-форме. В этом случае процесс опреснения описывается следующими реакциями:
[КАТ] Н+ + Ca2+, Mg2+, Na+ ® [КАТ] Ca2+, Mg2+, Na+ + H+
H+ + HCO3- ® CO2 + H2O
[AH] CO32- + SO42-, Cl- ® [AH] SO42-, Cl- + CO32-
CO32- +2H+ ® CO2 + H2O
Углекислый газ удаляется в декарбонизаторы, солесодержание опресненной воды составляет около 10 - 15 мг/л.
Параметры Н-фильтра принимаются такими же, как в катионитных установках, ОН-фильтр загружается сильнокислотным катионитом. СО3-фильтр загружается слабоосновным анионитом и регенерируется содой Na2CO3. Допускается регенерация Н- и СО3-фильтра раствором СО2 в воде. Регенерационный раствор получают путем насыщения воды диоксидом углерода под давлением 4 - 7 атм., эта вода является раствором угольной кислоты Н2СО3, которым можно регенерировать и катионитные, и анионитные фильтры. Допускается в этом случае использовать один фильтр, загруженный смесью катионита и анионита. Продолжительность регенерации анионита достигает 3 - 4 часов, поэтому анионитные фильтры желательно регенерировать не чаще 1 раза в сутки.
Станции ионитного обессоливания потребляют большие количества различных реагентов и являются источниками достаточно соленых стоков (рапы). Для уменьшения расхода кислоты и щелочи на регенерацию фильтров стремятся повторно использовать часть отработанных регенерационных растворов. Например, отработанные растворы фильтров 2 степени используют для регенерации 1 степени. Отмывочные воды используют повторно для разрыхления, воду от разрыхления отстаивают и используют повторно, подавая в голову сооружений. Все это позволяет, сократит расход реагентов и воды для собственных нужд очистных сооружений, однако на собственные нужды потребляется до 20 % производительности очистных сооружений. Кислые и щелочные стоки направляются в баки-нейтрализаторы и только потом сбрасываются.
2 Опреснения воды электродиализом
Электродиализ рекомендуется использовать для опреснения вод с солесодержанием 1500 - 1700 мг/л. Снижать солесодержание возможно до 500 - 600 мг/л, иначе резко увеличиваются затраты электроэнергии. На электродиализные установки допускается подача воды, содержащей не более 1,5 мг/л взвешенных веществ, цветность до 20 градусов, окисляемость не более 5 мг O2/л, железа не более 2 мг/л.
Явление электродиализа заключается в перемещении ионных примесей воды в постоянном электрическом поле: отрицательно заряженные анионы движутся к положительно заряженному электроду аноду, а катионы - к катоду. При этом из межэлектродного пространства удаляются растворенные соли и в нем скапливается пресная вода. Для отделения пресной воды от рассола устраиваются диафрагмы.
Схема элементарного электродиализной ячейки приведена на рис. 13.2. На электроды (катод и анод) подается напряжение около 1,5 В. Положительно заряженные ионы под действием электрического поля движутся к катоду, а отрицательно заряженные - к аноду. В прикатодному и прианодному пространстве концентрация солей увеличивается, а в воде - уменьшается.
Рис. 13.2. Схема ячейки электродиализного аппарата
Кроме того, на электродах при разности потенциалов более 1,23 В теоретически должно происходить разложение (электролиз) воды. Фактически для этого требуется напряжение порядка 1,7 - 1,9 В. Тогда на катоде выделяется водород:
2Н2О + 2е- ®Н2 + 2ОН-,
на аноде выделяется кислород:
2Н2О - 2е- ® О2 + 4Н+
В результате прикатодный пространство имеет щелочную реакцию, а прианодный - кислую.
Протекания электролиза нежелательно, поскольку не приводит к снижению солесодержания воды. К тому же газы, что выделяются, увеличивают электрическое сопротивление раствора.
Теоретический расход тока, необходимая для опреснения воды, рассчитывается по закону Фарадея:
(I,t)теор = 26,8 (Со - Сз) , А-ч/м3, (13.1)
где I - сила тока, протекающего через ячейку, А,
t - продолжительность протекания тока, час,
Со - концентрация солей в восходящей воде, г-экв/м3,
Сз - допустимая концентрация солей в опресненной воде, г-экв/м3.
Фактически расходы электроэнергии выше, что демонстрируется выходом по току
h (13.2)
Для элементарной ячейки выход по току 0,2 - 0,4.
Увеличение выхода по току достигается устройством многокамерных электролизных аппаратов (рис. 13.3), здесь чередуются камеры опреснения и камеры рассола, они разделены катионопроникними (К) и аніонопроникними (А) мембранами. Такие мембраны представляют собой полимерные пленки из ионообменных материалов с тонкими капиллярными порами размером 10-9...10-8 м. В зависимости от знака заряда ионогенных групп мембраны могут быть катионитовыми (отрицательный заряд ионов) или анионитовыми (положительно заряженными). Анионные примеси воды отталкиваются от катионитовой мембраны и не проходят сквозь нее, а катионы проходят. Соответственно катионы не проходят сквозь анионитовой мембраны, а анионы проходят. Чередуя в пространстве электродиализера между анодом и катодом катионитовые и анионитовые селективные мембраны, мы тем самым разделяем его на камеры, в которых по очереди будет накапливаться то пресная вода, то рассол. Количество таких камер может достигать 250-500 штук, расстояние между мембранами составляет 0,5-1,5 мм.
Рис. 13.3. Схема многокамерного аппарата электродиализного
Селективные мембраны могут быть также биполярными, амфотерными и гетерогенными. По виду поверхности мембраны могут быть гладкими, ворсистыми и профилированными. Мембраны
должны иметь высокую электропроводность, механическую прочность, химическую стойкость, мало набухать в воде.
Выход по току в многокамерных аппаратах удается увеличить до 0,8 - 0,9. Напряжение между катодом и анодом равно 200 - 300 В.
Катод изготавливается из нержавеющей стали или титана, анод - из платинованого титана.
Электродиализные аппараты в СНГ выпускаются Тамбовским машиностроительным заводом, Пятигорським заводом «Союзенергоавтоматика», алма-атинским электромеханическим заводом. За рубежом наиболее крупными производителями являются фирмы «Астоникс» (США), «В. Бобби» (Англия), «Асахи Гласс» (Япония).
В связи с жесткими требованиями к качеству воды, подаваемой на электродиализные аппараты, необходимо проводить предварительную очистку воды методами коагуляции и фильтрации. Целесообразно также воду перед электродиализом подвергать Na-катионному умягчению, чтобы соли жесткости не осаждались на поверхность мембран. Кроме того, воду после электродиализа необходимо пропускать через сорбционные угольные фильтры для задержки возможных продуктов превращения органических веществ под действием электролиза.
3 Опреснения воды обратным осмосом (гиперфильтрацией)
Основу метода положило открытие в 1953г. американскими учеными Рейдом и Бретоном свойств тонких мембран из ацетилцеллюлозы (ацетатцелюлозы) пропускать через себя только молекулы воды и не пропускать ионы солей. В дальнейшем подобные свойства были обнаружены у мембран из полиамидных и полисульфоновых смол, даже в тонких полупроницаемых мембран из пористого стекла, графита и металлических тончайших пленок.
Современные полимерные мембраны изготавливаются из полиамида, полисульфону, поливинилхлорида. Их получают из концентрированных растворов полимера путем испарения растворителя, из расплава полимера или облучением полимерных пленок тяжелыми частицами с последующим протравливанием радиационных треков. Материал мембран должен быть гидрофильным.
В СНГ мембраны производятся Владимирским объединением «Полимер», за рубежом наиболее известны мембраны фирм «Дюпон», «Осмоникс» (США) и «Курита» (Япония).
Все эти материалы объединены наличием тончайших пор размером не более 10нм (10-8м). Размер молекул воды составляет около 0.28 нм, размеры ионов растворенных солей составляют числа того же порядка. Но вследствие ассоциации молекул воды образуют двойные, тройные и многозвенные агрегаты. При комнатной температуре степень ассоциированности составляет 40-60%, все-таки размер агрегатов, видимо, не превосходит 10нм. Ионы солей в воде гидратированные и гидратная оболочка увеличивает их размеры. В ионов Na+, К+, Mg2+, Ca2+ и Сl- в оболочке 8, 4, 4, 14 и 3 молекулы воды соответственно.
Выдвинуто несколько гипотез о причине задержания ионов мембранами: сытовая, сорбционная, электростатическая. Но ни одна из них точно не соответствует действительной картине.
Если мембраной разделить пресную и соленую воду, то концентрация молекул воды по обе стороны мембраны окажется неодинаковой. В соленой воде концентрация молекул меньше и начнется диффузия для выравнивания концентраций. Молекулы Н2О из пресной воды переходят в соленую, ее уровень повышается, процесс продолжается до тех пор, пока давление столба соленой воды не уравновесит движущую силу диффузии. Это явление называется осмосом, а разница уровней пресной и соленой воды после установления равновесия - осмотическим давлением.
Для опреснения воды необходим обратный процесс осмоса - обратный осмос, который иногда называют также гиперфильтрацией. Чтобы молекулы Н2О переходили через мембрану из соленой воды в пресную необходимо приложить к соленой воде давление больше осмотического (рис. 13.4). Конечно оборотноосмотические аппараты работают при давлениях Р=2.5-5.0 мПа (25 50атм).
Рис.13.4. Схема опреснения воды обратным осмосом.
Выпускаются следующие виды мембран: плоские (рулонные), трубчатые (трубы из пористого стеклопластика с нанесенным тонким слоем материала мембран) и полые волокна. Трубчатые мембраны имеют диаметр от 50 до 200 мм. Пустые волокна выпускаются диаметром 45 - 200 микрометров при толщине стенок 10 - 50 микрометров, плотность упаковки волокон составляет до 30 тыс. /м3 объема.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 291; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!