Использование воды в химической промышленности. Характеристика природной воды. Технология подготовки питьевой воды.

Вода выполняет важную роль в химической промышленности в быту и в народном хозяйстве. Это связано с: свойств воды, ее доступностью, удобством применения. Использо­вание воды в химической промышленности разнообразно по функциям, которые она выполняет. В ряде производств вода является сырьем и реагентом, непосредственно участвующим в ос­новных химических реакциях, например в производстве водорода, серной, азотной и фосфорной кислот,. Будучи универсальным растворите­лем и одним из наиболее распространенных катализаторов, вод, дает возможность осуществлять многие химические реакции с большой скоростью в растворах или в присутствии следов воды. Во многих производствах химической, металлургической, пищевой и легкой промышленности вода используется как растворитель твердых, жидких и газообразных веществ. Часто ее применяют для перекристаллизации, для очистки газообразных, жидких и твердых продуктов от примесей. Применяют воду и при различных мокрых способах подготовки сырья: флотации, гравитационного обогащения, пульпирования сыпучих материалов. В некоторых производствах вода образуется вследствие основных химических реакций: надсмольная вода при полукоксовании и коксовании; древесины, торфа, сланца, различных видов углей; вода выделяется при сжигании водородсодержащих топлив и разложении кисло­родсодержащих органических веществ, при окислении аммиака. Во всех перечисленных примерах вода непосредственно выполняет технологические функ­ции. В значительно больших объемах вода используется как теплоноситель, т, е. в теплотехнических целях. Это объясняется большой теплоемкостью воды, ее доступностью и безопасностью в приме­нении. Водой охлаждают реагирующие массы, нагретые в резуль­тате экзотермических реакций, газообразные и жидкие конечные продукты. Водяным паром или горячей водой нагревают взаимодействующие вещества для ускорения реакций или компенсации затрат теплоты при эндотермических процессах, для перевода ма­териалов из одного агрегатного состояния в другое. Теплообмен между веществами и водой может быть осуществлен при их непо­средственном соприкосновении. В громадных количествах воду используют как теплоно­ситель ТЭЦ, АЭС, промышленные и коммунальные котельные.

Химическая промышленность — крупнейший потребитель воды. Современные химические комбинаты расходуют миллионы кубиче­ских метров воды в сутки. Поэтому химические предприятия и неф­техимические заводы строят рядом с водными источниками.

Природная вода, будучи хорошим растворителем многих веществ, всегда содержит различные примеси. По происхождению природные воды делят на три вида, сильно различающиеся по со держанию и характеру примесей.

Атмосферная вода — вода атмосферных осадков — содержит относительно небольшое количество примесей, преимущественно в виде растворенных газов: кислорода, оксида углерода, оксида азота, особенно в летнее время, сероводорода, кислородных соединений серы, органические вещества, пыль. Атмосферная вода почти не содержит растворенных солей.

Поверхностные воды — речные, озерные, морские — содержат, кроме примесей, присутствующих в атмосферной воде, самые разное образные вещества от ничтожных количеств до полной насыщенности. Почти всегда можно обнаружить гидрокарбонаты кальция, магния, натрия, калия, а также сульфаты и хлориды. В морской воде присутствуют почти все элементы периодической системы Д. И. Менделеева, включая драгоценные и радиоактивные. Во всех поверхностных водах содержатся органически вещества, живые микроорганизмы, в том числе и болезнетворные

бактерии.

Подземные воды — воды артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров, так же как и поверхностные воды, содержат разнообразные минеральные соли, состав которых зависит от характер горных пород и почв, через которые просачиваются атмосферные и поверхностные воды. Благодаря высокой фильтрующей способности почв и горных пород подземные воды в отличие от поверхностных имеют высокую прозрачность и характеризуются отсутствием органических примесей и бактериальной загрязненности.

В зависимости от назначения используемая вода — это питье­вая и промышленная, качество которой регламентируется соответ­ственно ГОСТ. Промышленная вода может быть питательной (исполь­зуется для различных технологических целей) и оборотной. Оборот­ной водой называется вода, которая после использования, напри­мер в теплообменниках, и последующего охлаждения вновь возвра­щается в производственный цикл.

Качество воды определяется ее физическими и химическими характеристиками в зависимости от присутствия тех или иных при­месей и оценивается следующими показателями: прозрачность, цвет, запах, жесткость, окисляемость, реакция воды и общее солесодержание.

Прозрачность воды измеряется толщиной слоя воды, через ко­торый можно различать визуально или с помощью фотоэлемента изображение перекрестья или определенного шрифта. Прозрачность воды зависит от присутствия в ней грубодисперсных механических взвесей и коллоидных частиц. Эти примеси засоряют трубопроводы и аппараты, соответственно снижая их производительность, обра­зуя пробки, которые могут вызвать аварию. Коллоидные частицы засоряют диафрагмы электролизеров, вызывают вспенивание воды и перебросы в котлах и аппаратах.

Жесткость воды — различают временную, постоянную и общую жесткость. Временная (устранимая кипячением) жесткость обуслов­лена наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, которые при кипячении воды переходят в нерастворимые карбонаты, выпа­дающие в виде плотного осадка (накипи).

Са (НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О

100°С

2Mg (HC0₃)₂ = MgC0₈ + Mg (ОН)_а

Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде других солей кальция и магния, не удаляемых из воды при кипячении. Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жест­костью, измеряемой в миллиграмм-эквивалентах ионов кальция или магния в 1 л воды. Жесткость воды равна 1 мг-экв, если в 1 л е содержится 20,04 мг ионов кальция или 12,16 мг ионов магния. Жесткость воды очень важная характеристика. При нагревании воды до кипения гидрокарбонаты кальция и магния разрушаются, образуя на стенках сосудов нерастворимую накипь. Малораство­римые сульфаты кальция и магния при кипячении в осадок не вы­падают, однако при испарении больших количеств воды быстро об­разуют перенасыщение растворов и на стенках сосудов выпадают в виде плотного слоя накипи с низкой теплопроводностью. Поэтому чем толще слой накипи на нагреваемых поверхностях паровых кот­лов или теплообменников, тем ниже их производительность и эконо­мичность.

Общее солесодержание характеризуется наличием в воде мине­ральных и органических примесей. Общим солесодержанием, или сухим остатком, называют массу вещества, полученную в результа­те испарения воды и высушивания остатка при 105—110°С до по­стоянной массы. Сухой остаток измеряется в миллиграммах на литр.

Окисляемость воды обусловлена присутствием в воде органи­ческих примесей и определяется массой перманганата калия (в мг), израсходованного при кипячении 1 л воды с избытком КМпО₄ в течение 10 мин.

Реакция воды • — степень ее кислотности или щелочности, ха­рактеризуемая величиной рН. При рН 6,5—7,5 вода считается нейтральной, при рН < 6,5 воду называют кислой, при рН > > 7,5 —• щелочной. Реакция природных вод близка к нейтральной. Большой вред промышленному оборудованию приносит растворен­ный в воде газ (0₂ и СО₂), вызывающий коррозию металлических поверхностей.

Природную воду без предварительной очистки обычно использовать нельзя. Улучшение качества воды, поступающей из водо­источника, для производственных целей называется водоподготовкой. Водоподготовка представляет собой комплекс операций по очистке воды от вредных примесей, находящихся в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Выбор метода водоподготовки определяется как характером присутствующих в воде примесей, так и теми требованиями, которые предъявляются к потребляемой воде.

Водоподготовка питьевой воды. К питьевой воде предъявляются особые требования в отношении мутности, вкуса, запаха, химиче­ской и бактериальной загрязненности, которые регламентируются ГОСТ. Общее число бактерий в 1 мл воды не должно быть больше 100, а кишечных палочек в 1 л воды — не более 3. Вода рек и озер обычно не удовлетворяет этим требованиям, поэтому вода перед подачей в питьевую водопроводную сеть очищается на водоочист­ных станциях. Водоподготовка питьевых вод — непрерывный про­цесс, состоящий из четырех стадий: отстаивания, коагуляции, фильтрации и обеззараживания. Водозабор осу­ществляют непосредственно из водоема или чаще через промежу­точный колодец (грубый отстойник), в который вода поступает самотеком. В отстойнике вода проходит с небольшой скоростью, освобождаясь от грубодисперсных взвешенных частиц путем про­стого отстаивания. Водозаборное устройство снабжено предо­хранительной сеткой, предотвращающей попадания в систему крупных предметов, в том числе и рыбы. Легкая взвесь осаждается очень медленно, а коллоидные частицы, содержащиеся в воде (гли­на, кремниевая кислота, гуминовые кислоты), методами осаждения и фильтрования не отделяются. Поэтому воду из водозабора первого подъема подают в смеситель (коагулятор), в который одновременно поступает раствор электролита А1₂ (SO₄)₃, FeSO₄ или других соединений, называемых коагулянтами. Коагуляция - высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем. Физико-химическая сущность этого процесса в упрощенном виде со­стоит в том, что электролит в очень разбавленных растворах гидролизуется с образованием положительно заряженных частиц, кото­рые, адсорбируясь на поверхности отрицательно заряженных кол­лоидных частиц, нейтрализует их заряды. Это приводит к слипа­нию (укрупнению) частиц, способных к осаждению. Чем выше за­ряд иона коагулянта (А1³+, Fe⁸+), тем меньше расход электролита на коагуляцию.

Образовавшиеся в процессе коагуляции хлопья твердых частичек с большой поверхностью слипаются с легкой взвесью, адсорбируют на поверхности органические красящие вещества и тем самым ос­ветляют воду. Для интенсификации процес­са коагуляции часто применяют дополнительные реагенты — флокулянты, ускоряющие процессы хлопьеобразования и осаждения. В качестве флокулянтов используют активированную кремниевую кислоту, химически модифицированные природные высокомолеку­лярные вещества, олеат натрия и синтетические полимерные материалы. Из смесителя вода поступает в отстойник, в котором завер­шается коагуляция (флокуляция) и выпадают в осадок крупные частицы. Отстойники представляют собой большие непрерывно действующие бетонированные резервуары с системой перегородок, увеличивающих время пребывания воды в отстойнике. Но полное осветление ее достигается после фильтрации через песчаные фильтры открытого типа, в которых вода фильтруется под давлением (столб воды высотой до 2 м), со скоростью около 0,1 м/ч. Фильтрующим материалом является слой кварцевого песка до 1 м с диаметром зерен 0,5—1 мм, поддерживаемый нижним слоем гравия. Основная масса загрязнений отлагается на поверхности песка, создавая фильтрующую пленку. По мере работы фильтра эта пленка утол­щается, качество очистки воды повышается, но скорость фильтра­ции снижается. Обычно водоочистные станции обслуживают несколько фильтров, часть которых останавливается для очистки. Хотя коагуляция, осаждение и фильтрация уменьшают микробную загрязненность, часто она после этих операций пре­вышает допустимые нормы. Поэтому осветленная вода из фильтра направляется в аппарат на обеззараживание — удаление из нее микроорганизмов и бактерий путем хлорирования, озонирования, кипячения и т. д. Для хлорирования воды используют хлор или гипохлорит кальция. При обработке воды гипохлоритом кальция образуется сильный окислитель — атомный кислород, который убивает микроорганизмы и окисляет органические примеси.

При хлорировании воды избыток хлора удаляют добавлением к ней аммиака или сульфита натрия. В последние годы питьевую воду обеззараживают озоном, получаемым действием тихого электрического разряда на воздух, обогащенный кислородом. При обработке воды озон раз­лагается с выделением атомного кислорода. Эта вода в отличие от хлорированной не имеет запаха хлора. Для обеззараживания воды также используют фторирование, ультрафиолетовые лучи, ультразвуковые колебания, ионы серебра. После обеззараживания очищенную питьевую воду насосом второго подъема подают в водонапорную башню, которая поддерживает постоянное дав­ление воды в водопроводе.