ГЛАВА 4. ВОДА В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ



Использование воды в химическом производстве

Одним из основных потребителей воды является про­мышленность, которая использует в настоящее время более 53 % общего объема потребления. Наибольшее количество воды используется для охлаждения агрега­тов в теплоэнергетике, металлургии, машиностроении, химической промышленности и лишь около 15 % - непосредственно в технологии - приготовлении про­дукции (выпечка хлеба, производство сахара и т. д.).

Укрупненными нормами расхода воды на единицу продукции предусмотрен расход воды (м3 на 1 т): стали - 30-35, чугуна - 40, проката - до 7, нефти - до 6 и синтетического волокна - 1000. Тепловая электро­станция при выработке 1 тыс. кВт∙ч электроэнергии испаряет до 6 м3 воды.

В условиях ограниченности водных ресурсов важное значение приобретает вопрос сокра­щения расходования воды на промышленные нужды. Это, прежде всего, широкое внедрение в производство оборотных и повторных систем использования воды. Такие системы наряду с экономным использованием чистой воды из источников будут способствовать уменьшению их загрязнения, дадут возможность допол­нительно использовать вещества, которые находятся в загрязненных сточных водах, для нужд народного хо­зяйства, получая при этом дополнительный экономи­ческий эффект. Например, тепловые электростанции, используя оборотные системы, подают тепло в сельско­хозяйственные теплицы на протяжении всего года. Второй источник экономии воды в промышлен­ности - переход на более прогрессивные технологии производства, применение газовоздушных систем ох­лаждения. И, наконец, внедрение безводных систем
производства, которое касается в первую очередь хими­ческой промышленности, где уже много технологи­ческих линий работает без использования воды.

Какие же проблемы стоят перед промышленными предприятиями в деле рационального использования и охраны вод?

Одна из них – прекращение сброса сточных вод в водоемы. Из общего количества подлежащих очистке промышленных сточных вод (12.2 млрд. м3) через раз­личные очистные сооружения предприятий проходит 3.4 млрд. м3, или 28 %, а 0.52 млрд. м3, или 4.3 %, сбра­сывается без очистки в водоемы, загрязняя их. Это в основном предприятия черной металлургии, химиче­ской, нефтехимической, а также пищевой промышлен­ности.

Происходит это из-за несовершенной технологии производства. Например, в цехе гальванопластики на одном из заводов г. Днепропетровска после гальвани­ческих ванн детали обрабатывают чистой водой, кото­рую сбрасывают прямо в Днепр в объеме до 2 млн. м3 в год. Установлено, что с водой в реку ежегодно уносит­ся только одного серебра до 15-20 кг. Чтобы этого не происходило, необходимо построить систему оборот­ного водоснабжения и при помощи хотя бы механиче­ской очистки возвращать этот ценный металл в дело. Одновременно будет прекращено загрязнение реки и сокращен забор свежей воды (в данном случае воды питьевого качества) из городского водопровода.

 

Промышленная водоподготовка

Очищают промышленные сточные воды различными методами в зависимости от вида, количества и состоя­ния загрязняющих веществ.

Механическая очистка сточных вод заключается в извлечении из них путем отстаивания грубодисперсной нерастворенной примеси органических и неорганиче­ских веществ. Для задержания осадков применяют отстойники различных конструкций (горизонтальные, радиальные, вертикальные). Вещества, всплывающие на поверхность, задерживаются в нефтеловушках, жиро­ловках, смолоуловителях и т. д. Наибольшее распро­странение получили горизонтальные и радиальные отстойники с механизированным удалением осадка.
Самостоятельным видом осветления сточной воды является фильтрование ее через взвешенный слой осад­ка в специальных осветлителях.

Для очистки воды от взвешенных веществ применя­ют контактные осветлители, в которых взвешенный слой осадка заменен крупнозернистым песком. Эти установки дают высокую степень очистки, поскольку практически совмещают работу двух сооружений - осветлителя и фильтров.

При физико-химическом способе очистки сточных вод предусматривается извлечение из стоков тонкодисперсной и растворенной примеси неорганических и трудноокисляемых биохимическим методом органи­ческих веществ путем их выделения и разрушения в результате физического и химического процессов.

Наиболее распространенными приемами физико-хи­мической очистки сточных вод является коагуляция, нейтрализация кислот и щелочей, перегонка с водяным паром, обработка воды хлором и т. д. В качестве коагу­лянта, в зависимости от состава сточных вод, приме­няют сернокислый алюминий, серно- и солянокислые соли железа и гашеную известь.

В настоящее время широко используют электро­химический способ очистки сточных вод от органи­ческих веществ, в том числе и фенолов. Для глубокой очистки сточных вод от токсических компонентов (ртуть, цинк, никель, медь и т. д.) приме­няют фильтрование через ионообменные материалы.

При биологическом способе очистки происходит естественный процесс разрушения органического веще­ства. Такая очистка сточных вод может производиться как на естественных (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды), так и на искусственных (био­фильтры, аэротенки) очистных сооружениях. В последних процесс разрушения органического вещества проте­кает значительно быстрее, чем в естественных усло­виях. Кроме того, очистку сточных вод ведут комбиниро­ванными методами, а также естественной биологи­ческой очисткой в комплексе с другими ее видами.

Передвигаясь по земле и под землей и соприкасаясь с горными породами, вода обогащается различными солями и металлами. О масштабах разрушительной работы рек по тому, что каждый год реки приносят в моря и океаны 3265 млн. т различных растворенных веществ. Во всех океанах и морях растворено до 20 млн. км3 разных минеральных солей. Если бы эти соединения извлечь, то они покрыли бы всю сушу земного шара слоем толщиною в 130 м. Только в одном озере Эльтон запасы превышают 3 млрд. т.

Природная вода содержит различные примеси минеральных и органических веществ, а также газы и микроорганизмы. Но, кроме растворенных веществ (соли кальция, алюминия, магния, хлорид натрия, органические соединения и газы), в воде содержатся во взвешенном состоянии и механические примеси, от которых необходимо освободится (мельчайшие частицы глины, песка, остатки растений и животных).

Вода, в которой имеется большое количество растворенных солей кальция и магния, называется жесткой

Жесткость воды является одним из основных показателей ее качества и определения пригодности к использованию. Жесткость воды измеряется в специальных единицах – миллиграмм-эквивалент на литр (мг-экв/л); 1 мг-экв жесткости обозначает, что в 1 л воды содержится 20,04 мг кальция или 12,16 мг магния.

Различают жесткость карбонатную («временную»), некарбонатную («постоянную») и общую. Некарбонатная жесткость обусловливается наличием растворенных в воде хлоридов, сульфатов и других солей кальция и магния, которые при кипячении выпадают в осадок (осадок наблюдается только при упаривании воды, когда водный раствор окажется пересыщенный этими солями). Карбонатная жесткость характеризуется содержанием в воде бикарбонатов кальция и магния, способных при кипячении воды разлагаться и выпадать в осадок:

2 Ca(HCO3)2 = CaCO3↓ + H2O + CO2

Такая жесткость может быть устранена предварительным подогревом воды и последующим отфильтрованием выпавшего осадка.

Общая жесткость воды выражает содержание в ней всех солей кальция и магния. Если их количество в воде в целом не превышает 3 мг-экв/л, то такая вода считается мягкой, при наличии 3-6 мг-экв/л – средней и свыше 6 мг-экв/л – жесткой. Для сравнения отметим, что жесткость воды (мг-экв/л) в Ладожском озере составляет 0.6, в Неве – 0.7, в Амуре – 2.9, Доне – 7.0, Балтийском море – 13.9, Черном – 46.0, Каспийском – 74.0.

При исследовании жесткой воды, кроме жесткости и сухого остатка после испарения, учитывают также ее температуру, цвет, запах, вкус, прозрачность, наличие мути, изменения при хранении, содержание двуокиси углерода, а также определяют кислую и щелочную реакцию.

Очистке и подготовке воды уделяют огромное внимание. Мировая статистика показывает, что ежегодно примерно 500 млн.человек становятся жертвами болезней из-за того, что не имеют в достаточном количестве чистой воды. Чтобы получить нужное количество питьевой волы, удовлетворяющей санитарным требованиям, необходимо ее долго и тщательно обрабатывать. Каждая водопроводная станция представляет собой сложное сооружение. При отборе воды из реки или озера она проходит через металлические сетки, оставляя на них водоросли, щепки и другие крупные загрязнения. Дальнейшее оседание механических примесей происходит в отстойниках. Затем в воду добавляют специальные вещества (коагулянты), которые помогают мельчайшим частичкам мути собраться в более крупные сгустки, оседающие на фильтре, состоящем из песка и гравия. Затем воду обеззараживают хлором, поскольку в каждом ее кубическом сантиметре содержатся тысячи микробов.

 Карбонатную жесткость устраняют, прибавляя к воде Ca(OH)2 в количестве, строго отвечающим найденному анализу содержанию бикарбонатов. При этом по реакции весь карбонат переходит в нормальный карбонат и осаждается:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3↓+ 2 H2O

От некарбонатной жесткости освобождаются добавлением к воде соды, которая вызывает образование осадка по реакции:

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4

Воде дают затем отстояться и лишь после этого пользуются ею в производстве. Воду для питания котельных, электростанций и технологических процессов умягчают термохимическим методом. Во время нагрева добавляют такие химические соединения как известь, соду, щелочи, фосфаты натрия с последующим отфильтрованием выпавшего осадка: 

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4

MgCl2 + 2 NaOH = Mg(OH)2↓ + 2 NaCl

3 CaSO4 + 2 Na3PO4 = Ca3(PO4)2↓ + 3 Na2SO4

Все более широкое применение для умягчения воды получают ионообменные материалы (ионитами). Это твердые, нерастворимые в воде и других растворителях вещества (чаще всего в виде зерен), обладающие способностью обменивать содержащиеся в них катионы и анионы на другие катионы или анионы, находящиеся в растворе, пропускаемом через ионит. Применяемые в настоящее время иониты – это синтетические смолы, но есть и природные иониты: пермутиты, глауконит и другие минералы. Выпускаемые промышленностью иониты делятся на два основных класса: катиониты и аниониты. Именно иониты помогли успешно решить вопрос, который волновал человечество: как морскую воду сделать пресной? Как же умягчается вода ионитами? Для этого устанавливают обычно две колонны: с катионитом и анионитом, через которые последовательно пропускается жесткая вода. В катионите обмениваются катионы солей, растворенных в воде, а в анионите – анионы. Для большей надежности можно пропустит воду через буферный фильтр. В результате обмена ионов в ионитах в воде остаются только хорошо растворимые соли, неспособные к образованию накипи. После насыщения ионита поглощенные им ионы легко удаляются; одновременно с этим ионообменные свойства смолы полностью восстанавливаются (иониты заряжаются). С этой целью катионы промывают кислотами (HCl или NaCl), а аниониты – растворами щелочей. Очищенная вода таким методом почти не имеет солей, вызывающих жесткость, и по своим качествам не уступает дистиллированной.

Не случайно многие ученые считают, что открытие такого способа опреснения морской воды, при котором цена пресной воды будет немного превышать ее обычную стоимость, по своему значению и результатам равноценно открытию атомной энергии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 4

4-1.Назовите пути использования воды в промышленности. Приведите основные показатели качества воды.

4-2.Что такое жесткость воды и в чем ее выражают?

4-3.Какие коагулянты и флокулянты используются для коагулирования примесей воды и осветления?

4-4.Объясните классификацию методов очистки сточных вод.

4-5.Какие схемы оборотного водоснабжения используют в промышленности?

ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 4

4-1. Анализ 25 мл природной воды показал наличие в ней 42.5 мг Са2+, 6.25 мг Mg2+ и 60 мг НСО3-. Рассчитайте некарбонатную жесткость воды.

4-2. На водоумягчительную станцию поступает вода, содержащая 200 мг/л Са2+, 28 мг/л Mg2+, 11.5 мг/л свободного углекислого газа и 305.1 мг/л НСО3-. Рассчитайте дозу извести (в пересчете на CaO), если станция имеет в наличии товарную известь второго сорта с массовой долей СаО 70 %.

4-3. Общая жесткость воды 5.2 ммоль/л. Определите постоянную жесткость воды, если на титрование карбонатов, содержащихся в 250 мл воды, израсходовано 14 мл раствора соляной кислоты с концентрацией 0.1 моль/л.

4-4. Общая потеря мыла при стирке в воде, содержащей 3 ммоль/л Са2+, составила 64 мас. %. Сколько кусков 72 %-ного натриевого мыла массой 200 г будет израсходовано на стирку при использовании 0.2 м3 такой воды?

4-5. Жесткость воды после ее обработки известковым молоком составляет 1.25 ммоль/л Са2+. Сколько тринатрийфосфата с массовой долей основного вещества 0.95 потребуется для полного умягчения 3000 м3 воды с учетом того, что остаточная концентрация реагента в ней не превышает санитарной нормы – 2.5 мг/л?

4-6. На окисление органических соединений, содержащихся в 250 мл исследуемой воды, израсходовано 2 мл раствора перманганата калия концентрацией 0.007 моль/л. Определите окисляемость воды (в пересчёте на кислород).

4-7. На станцию водоочистки производительностью 30 000 м3/сут поступает вода с повышенной цветностью и мутностью. Определите недельный расход раствора коагулянта и флокулянта (полиакриламида) станцией, если расчетная доза первого 30 мг/л, второго – 0.8 мг/л, а производственные потери их составляют 8 %. Рабочие концентрации коагулянта 15 %, флокулянта 0.3 % (по массе).

4-8. На титрование воды объемом 0.2 л, содержащей гидрокарбонат кальция, было израсходовано 0.08 л раствора соляной кислоты с концентрацией 0.001 моль/л. Определите временную жесткость воды.

4-9. Концентрация коагулянта в расходных баках станции водоочистки равна 10 % (считая на массу безводного продукта). Определите суточный расход раствора коагулянта, если его доза для данного типа воды 25 мг/л, производительность станции 30 000 м3/сут. (Коагулянт – железный купорос 95 %-ной чистоты).

4-10. Для предупреждения биологического обрастания водорослями градирен, брызгальных бассейнов и оросительных теплообменных аппаратов оборотную воду периодически хлорируют, а охладители воды обрабатывают раствором медного купороса. Вычислите годовую потребность предприятия для этих нужд в хлоре и медном купоросе, если общий объем оборотной воды составляет 500000 т/г. Доза хлора – 8 мг/л, доза медного купороса (в расчете на кристаллогидрат) – 1.5 мг/л, периодичность обработки – 3 раза в год. Технический купорос содержит 2 % посторонних примесей (по массе).

4-11. Рассчитайте массу хлора, необходимую для хлорирования 5000 м3 питьевой воды, если допустимая остаточная концентрация его должна быть равной 0.4 мг/л. При расчетах принять во внимание, что 0.3 массовых долей хлора расходуется на окислительные процессы, а производственные потери его составляют 8 %.

4-12. Цех карбидных смол на 1 т продукции расходует 30 м3 оборотной воды. Вычислите годовую потребность цеха в хлоре для предупреждения образования биологической пленки в теплообменных аппаратах, если доза хлора 8 мг/л, его производственные потери – 12 %. Периодичность обработки два раза в год, а производительность цеха 9000 т/г.

4-13. Обеззараживание воды подземных источников осуществляют ее озонированием. Определите производительность озонаторной установки, если она в течение 3 ч непрерывной работы обеспечивает обеззараживание 6000 м3 воды. Необходимая доза озона для обеззараживания – 0.8 мг/л. Сколько израсходовано за это время воздуха, электроэнергии и воды для охлаждения оборудования озонаторной установки, если на 1 кг озона средний расчетный расход воздуха составляет 80 м3, электроэнергии – 35 кВт·ч, воды – 3 м3? Производственными потерями пренебречь.

4-14. Норма хозяйственно-питьевого водопотребления для городских и промышленных районов на одного жителя составляет 500 л в сутки (с учетом расходов на местную промышленность, коммунальные услуги, строительство, транспорт и т. д.). Какую суммарную производительность должны иметь все озонаторные установки города с населением 600 тыс. человек, обеззараживающие питьевую воду, если доза озона 0.8 мг/л, а обрабатывается им 60 % всей воды?

4-15. Вода, используемая для хозяйственно-питьевых нужд, с содержанием фтора менее 0.5 мг/л должна подвергаться фторированию. Определите массу 2.5 %-ного раствора фторида натрия, приготовленного из фторида натрия с массовой долей основного вещества 0.9, необходимого для фторирования 1000 м3 природной воды с содержанием фтора 0.4 мг/л до санитарной нормы 0.8 г/м3.

4-16. Определите время работы колонки с Nа-катионитом до регенерации, если в неё поступает вода с жесткостью 5.0 ммоль/л и скоростью потока 10 м3/ч. Объём катионита 2 м3, его емкость поглощения 1200 моль/м3.

4-17. Сколько потребуется универсального катионита КУ-2, емкость поглощения которого 2.2 моль/кг, для обеспечения (без учета регенерации) беспрерывной двадцатидневной работы фильтров производительностью 70080 м3 воды в год. Среднюю жесткость исходной воды принять равной 6.1 ммоль/л.

4-18. Определите емкость поглощения катионита, если высота его слоя в колонке 1.6 м, диаметр колонки 1.5 м, время работы без регенерации 75 ч. Жесткость поступающей в фильтр воды 5 ммоль/л, остаточная жесткость 0.02 ммоль/л, объемная скорость потока 8 м3/ч.

4-19. Вода из природного источника с общим солесодержанием 2000 мг/л опресняется путем фильтрования через высокоемкий водород-катионит и слабоосновной анионит. Остаточное солесодержание воды, подаваемой потребителям для хозяйственно-питьевых целей, 750 мг/л. Определите: 1) объемы исходной и опресненной воды, которые смешивают на станции водоочистки в течение суток, если ее производительность 82.29 м3/ч; 2) сколько солей задерживают фильтры станции в сутки?

4-20. Общая производительность всех выпарных установок опреснителя составляет 100000 м3/сут. Сколько жителей можно обеспечить этой водой, если принять расход на 1 человека 600 л в сутки? Какова общая масса солей, выделяющихся из морской воды в сутки, если ее солесодержание 13.5 г/л? Какова была бы стоимость всей этой воды, если учесть, что до строительства опреснительной установки воду доставляли танкерами и себестоимость 1 м3 ее составляла 5 руб.?


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2419; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!