Вода для технических целей

Используемая в области производства вода имеет раз­личное назначение. В пищевой и бродильной промышленности она является своего рода сырьем, непосредственно употребляемым в технологии производства того или иного продукта. Предъяв­ляемые в этом случае требования к воде должны соответствовать специфике данного вида производства: в сахарном — необходимо, чтобы вода имела минимальную минерализацию, так как присут­ствие солей затрудняет варку сахара; в пивоваренном —требуется отсутствие в воде CaSO₄, препятствующего брожению солода; в винокуренном — нежелательно присутствие СаС1₂ и MgCl₂, которые задерживают развитие дрожжей.

Вода, используемая в системе охлаждения, должна иметь воз­можно низкую температуру, незначительную жесткость, т.е. не должна оказывать разрушающего действия на аппаратуру.

В воде, используемой в фотопромышленности, текстильной и бумажной промышленности, нормируется присутствие железа, марганца, кремниевой кислоты и, особенно радиоактивных ве­ществ. Производство искусственного волокна требует минимальной жесткости (до 0,64 ммоль/л количества вещества эквивалентов) и малой окисляемости воды (менее 2 мг/л).

Наиболее высокие требования предъявляются к химическому составу воды, идущей для питания паровых котлов. В этом слу­чае вредны почти все компоненты состава воды и в первую оче­редь жесткость.

По соответствующим эмпирическим формулам дается оценка воды с точки зрения вспенивания, накипеобразования и коррозии. Требования, предъявляемые к составу воды, питающей котел, за­висят от конструкции последнего. В настоящее время только в самых примитивных котлах применяют воду с естественным со­ставом. Обычно вода подвергается предварительной обработке с целью удаления компонентов, вредных для котлового процесса. Такая операция называется водоподготовкой.

В отличие от питьевых вод, при оценке качества технической воды прежде всего учитывается жесткость. Различают общую жесткость, равную сумме концентраций находящихся в воде кати­онов Са²⁺ и Mg⁵⁺, карбонатную жесткость, обусловленную присут­ствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. В старой лите­ратуре карбонатную жесткость иногда называли «временной», сейчас этот термин вышел из употребления. Некарбонатную жесткость, определяемую наличием в воде солей сильных кислот кальция и магния (хлоридов, сульфатов, нитратов и т. д.), иногда называли «постоянной», этот термин сейчас также не употреб­ляется.

Жесткость воды, согласно введенному в настоящее время стан­дарту, выражается в миллимолях количества вещества эквива­лента Са²⁺ и Mg²+, содержащихся в 1 л воды. Один ммоль/л жесткости соответствует 20,04 мг Са²⁺/л или 12,16 мгMg²⁺/л. Если в воде содержатся соли кальция и магния, то жесткость вы­ражается суммой ммоль количества вещества эквивалентов Са²⁺ и Mg²⁺ в 1 л воды.

По жесткости воды классифицируются следующим образом (в ммоль/л количества вещества эквивалента):

Очень мягкие - до 1,5;

Мягкие - 1,5—3,0;

Средние - 3,0—6,0;

Жесткие - 6,0—10,0;

Очень жесткие - более 10.

Применение жестких вод оказывается весьма неэкономичным в целом ряде производств и процессов. Будучи слабым проводником тепла, накипь сильно снижает теплопроводность котла и вызывает поэтому непроизводительный расход топлива. Слой на­кипи даже в 1 мм вызывает перерасход топлива до 5%. Под слоем накипи интенсивно протекают и коррозионные процессы. При известных условиях накипеобразователи не осаждаются в виде плотных осадков, а образуют подвижные смеси (шлам). Шлам нарушает правильную циркуляцию воды в котле.

Образование накипи — это сложный физико-химический про­цесс, сущность которого состоит в выделении твердой фазы из пересыщенных растворов. При непрерывном испарении воды кон­центрация растворенных солей в ней будет все время увеличи­ваться, и по достижении предела растворимости при данной тем­пературе соли начнут выпадать в осадок. Обычно выпадают в осадок соли, отличающиеся малой растворимостью (СаСОз, MgCO₃, CaSO₄, CaSiO₃, MgSiO₃). Соли, обладающие высокой рас­творимостью (NaCl, MgCl₂, СаС1₂, MgSO₄, Na₂SO₄ и др.), отложе­ний не дают, так как предел их растворимости в котлах обычно не достигается.

Химический состав накипи зависит от того, какие преимуще­ственно соли содержались в воде. При кипячении из воды может быть удален весь углекислый газ и тогда гидрокарбонаты каль­ция и магния переходят в труднорастворимый карбонат:

Са (НСО₃)_{2 ↔} СаСО_{3 ↓} + Н₂О + СО₂ ^↑

Mg (НСОэ)₂ ↔ MgCO_3↓ + Н₂О + СО₂ ^↑

 

Карбонат магния подвергается затем гидролизу

MgCO₃ + Н₂О ↔ Mg (ОН)₂, + C0₂↑.

Физическая структура образующихся при этом твердых осад­ков может быть различной — от аморфного порошка до твердого кристаллического образования.

Если в воде содержался в значительном количестве сульфат кальция, то он образует гипсовую накинь. При содержании в воде кремнекислого натрия и других растворимых солей крем­ниевой кислоты в котле происходит взаимодействие между ними и сульфатами кальция и магния, в результате образуются Н₂О + СО₂^↑ трудно­растворимые силикаты, например:

CaSO₄ + Na₂SiO₃ = CaSiO₃ + Na₂ SO₄.

Силикаты кальция и магния образуют кремнекислую или си­ликатную накипь. Особенностью этих солей является то, что и без того их малая растворимость при повышении температуры еще более понижается. Поэтому в тепловых аппаратах они осе­дают на наиболее нагретых частях. Кремнекислая накипь наибо­лее опасна для паровых котлов, поскольку она обладает низкой теплопроводностью, вследствие чего может произойти перегрев и взрыв котла.

Непригодную для питания паровых котлов воду подвергают умягчению. Под последним понимается процесс, приводящий к снижению жесткости воды, т. е. к уменьшению в воде концен­траций солей кальция и магния. Существуют разные способы умягчения: термический, химический (содово-известковый), при помощи катионитов и др.

Природные воды обладают в той или иной степени свойством агрессивности по отношению к бетону, железобетону и металлам. Агрессивность вод чаще всего обусловлена присутствием ионов водорода (кислые воды), свободной углекислоты, сульфатов и маг­ния. Различают пять видов агрессив­ности.

Агрессивность выщелачивания определяется карбо­натной жесткостью воды.

Агрессивность общекислотная определяется по ко­личеству водородных ионов (по величине рН). Для всех цементов в пластах высокой водопроводимости вода считается агрессивной:

а) при рН < 7 и карбонатной жесткости <8,6 ммоль/л,

б) при рН > 6,7 и карбонатной жестко­сти >8,6 ммоль/л. Для слабопроницаемых пластов вода считается агрессивной при рН < 5.

Агрессивность углекислая устанавливается по содер­жанию в воде свободной углекислоты. Вода для большинства це­ментов в пластах высокой водопроводимости считается агрессив­ной, если выражение а[Са²⁺] +в будет больше содержания сво­бодной углекислоты (а и в—коэффициенты, определяемые в за­висимости от карбонатной жесткости и количества ионов CI^-+SO₄ ^2- по таблице, приведенной в ГОСТе. Макси­мальное содержание агрессивной углекислоты при наиболее опас­ных условиях —3 мг/л, при наименее опасных —8,3 мг/л. Агрессивность воды для слабопроницаемых пластов не норми­руется.

Агрессивность сульфатная устанавливается в зави­симости от состава бетона по ГОСТу.

I. В породах высокой водопроводимости для бетона на порт­ландцементе вода считается агрессивной при содержании ионов (в мг/л):

CI^- SO₄

0 -3000 250 – 500

3001 – 5000 501 – 1000

более 5000 более 1000

 

2. В породах слабой водопроводимости для бетона на порт­ландцементе вода считается агрессивной при содержании иона

SO₄^2- >1000 мг/л, для бетонов на пуццолановом, шлаковом и песчанопуццолановом портландцементах — при содержании иона SO₄^2-> 4000 мг/л независимо от содержания иона С1~.

Агрессивность магнезиальная определяется по на­личию в воде ионов Mg²⁺. Для портландцемента, находящегося в силыюпроницаемых породах, вода считается агрессивной при содержании иона Mg²>5000 мг/л; для пуццоланового, песчано-пуццоланового и шлакового портландцементов в сильнопроницае­мых породах —при содержании иона Mg²⁺, приведенных ниже (в мг/л):

при SO₄ ^2- Mg ²⁺

0 -1000 менее 5000

1001 – 2000 3001 – 5000

2001 - 3000 2001 - 3000

3001 - 4000 1000 – 2000

Для слабопроницаемых пород агрессивность воды не норми­руется.

Скорость углекислой, сульфатной и иных агрессий зависит от того, насколько быстро к сооружению притекают новые порции агрессивной воды на смену воде, утратившей разрушительные свойства. При относительно быстром подтоке к инженерным со­оружениям вредность действия воды увеличивается.

Серьезное практическое значение имеет полученный экспери­ментальным путем вывод о том, что агрессивность вод усиливается при смешении двух даже неагрессивных вод. С явлениями повышения агрессивности вод приходится считаться при нарушениях режима подземных вод, обусловленных строи­тельством крупных сооружений.

Несколько слов о механизме сульфатной агрессии. Она про­является:

1) в виде кристаллизации в бетоне новых соединений, образование которых сопровождается увеличением объема, что влечет за собой ослабление бетона или даже разрушение его;

2) в виде процесса выщелачивания из бетона некоторых его
составных частей, в той или иной мере растворимых в воде.

Еще в середине прошлого века было установлено, что всякое бетонное сооружение, подвергающееся действию морской воды, неизбежно должно разрушаться. Разрушение бетона вызывается присутствующим в морской воде сульфатом магния. Эта соль, про­никая вместе с морской водой в толщу бетона, вступает в хими­ческое взаимодействие с известью:

MgSO₄ + Са (ОН)₂ → Mg (ОН)₂ + CaSO₄.

В результате находящаяся в бетоне известь постепенно перехо­дит в более растворимый сульфат кальция. Растворимость гидро­окиси магния равна 18,2 мг/л.

В порах бетона может происходить кристаллизация таких ми­нералов, как гипс и эпсомит:

Са²⁺ + SO₄ + 2Н₂О → CaSO₄ • 2Н₂О (гипс)

Mg ²⁺ + SO₄ ^2- + 7 H₂O → MgSO₄ ^. 7H₂O (эпсомит).

В первом случае процесс кристаллизации сопровождается увели­чением объема приблизительно в два раза, во втором — в четыре.

Характеризуемое явление сильно выражено при колебаниях уровня грунтовых вод (переменное смачивание и высыхание) омывающих бетонные части сооружений, и в сухом климате.

Кроме того, находящийся в материале сооружений трехкальциевый алюминат ЗСаО^,А1₂О₃ вступает в реакцию с сульфатом кальция в растворе, при этом образуется сульфоалюминат каль­ция по уравнению

СаОА1₂О₃ + 3CaSO₄ + 3Н₂О → СаОА1₂О₃ ^, 3CaSO₄ ^, 3Н₂О.

сульфоалюминат кальция

Реакция сопровождается сильным увеличением объема. За внешнее сходство с бактериями сульфоалюминат кальция иногда называют цементной бациллой. При образовании этого вещества в порах уже сложившейся структуры цементного камня возни­кают большие внутренние напряжения, способные нарушить це­лостность бетона. Если же образование сульфоалюмината или гипса протекает еще до формирования структуры бетона, опасных напряжений может не возникнуть. Разрушение не будет иметь места и в том случае, когда в водах, омывающих бетонное со­оружение, содержится много хлоридов, которые повышают раство­римость алюминатов и сульфоалюминатов.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: