6.3.2. Зменшення у воді вмісту розчинених солей

Дистиляція та випарювання. Воду нагрівають до кипіння. При цьому чиста вода випаровуються, а розчинені речовини залишаються у розчині.

Випаровуванням води кристалізують забруднення. Це один із способів очищення води. Процес випаровування можна проводити при атмосферному тиску, а можна як при підвищеному, так і при пониженому тиску (у вакуумі). Випаровуванням концентрують з води солі, кислоти, карбонові кислоти, багатоатомні спирти.

Якщо одержану очищену пару води сконденсувати, то одержують опріснену воду – відбувається очищення води дистиляцією. Перегонку, або часткове випаровування рідкої суміші і конденсацію пари можна проводити одноразово, а можна багаторазово. Завданням одноразової перегонки є одержання очищеної водяної пари. У дистиляторі воду нагрівають до кипіння, виділену водяну пару конденсують.

У випаровувачі відбувається такий самий процес, однак одержану пару не лише конденсують, а подають як нагрівач на корпус випаровувача. Випаровувачі бувають одно- та багатокорпусні.

На рис. 6.9 показана схема однокорпусного прямотечійного випаровувача. Стічну воду подають по трубах змійовика через конденсатор у випаровувач. У ньому вода нагрівається утвореною гарячою парою, що циркулює в змійовику і випаровується. Утворена пара поступає у конденсатор, в якому охолоджується холодною стічною водою, що є у змійовику конденсатора. Вихід одержаного дистиляту не перевищує 50%.

Рис.6.9. Схема однокорпусного випаровувача; 1 – каплевловлювач, 2, 3 – змійовики випаровувача та конденсатора.

Для економнішого використання гарячої пари використовують багатокорпусні (до 10-12 корпусів) апарати випаровування, у яких нагрівання відбувається при циркулюванні пари з одного корпусу в інший, причому у наступних корпусах тиск понижений, для того щоб випаровування проводилось при нижчій температурі, перепад температури між корпусами становить 5-6.

Бувають апарати з протилежним напрямком руху води і пари.

Є апарати, в яких вода подається у вигляді тонкої плівки, контакт якої з нагріваючою поверхнею недовготривалий, що зменшує утворення накипу. Утворення накипу є одним з основних недоліків методу, тому що він дуже сильно зменшує тепловіддачу, спричинює зношування нагрівачів. Тому перед випаровуванням застосовують методи видалення солей кальцію і магнію з води. За одним із них воду пропускають через постійне магнітне поле, в якому карбонати та сульфати магнію і кальцію осідають. За іншим способом усувають солі кальцію і магнію додаванням розчинних фосфатів з аміаком, содою, лугом. Іноді до води додають зернистий СаСО₃, який стає центром кристалізації карбонатів кальцію, магнію, сульфату кальцію.

Апарати очищають від утвореного накипу дією ультразвуку, карбонатний накип усувають, продуваючи у воду СО₂, підкислюючи воду перед випаровуванням хлоридною або сульфатною кислотою, а надлишок її нейтралізують лугом.

Виморожування полягає в тому, що під час охолодження води до температури замерзання викристалізовується лід з майже чистої води, а у рідкій фазі залишається сконцентрований розсіл. Щоб кристали льоду не захоплювали солі з розсолу, їх ретельно відмивають. після розтоплення одержується знесолена вода.

Перевага виморожування у порівнянні з дистиляцією полягає у роботі установок без нагрівання, не утворюється накип, нема корозії апаратури. Недоліком є необхідність мати холодильні установки.

Виморожування може бути здійснене у природних умовах в тих кліматичних зонах, де спостерігаються різкі перепади температури – вночі мінусові, а вдень плюсові. Найчастіше цей спосіб застосовують у північних регіонах. Є різні способи виморожування. За одним з них використовують неглибокі бетонні басейни з хвилястим дном, розміщені терасами. Вода в басейні вночі замерзає і на поверхню спливає лід, а розсіл виливається у нижній басейн. Вдень утворений лід розтоплюється. Перші порції талої води мають досить високий вміст солей, тому їх подають на повторне виморожування. Наступні порції води достатньо знесолені. Інший спосіб застосовують на територіях з тривалим періодом морозів. У період стійких морозів у бетонних басейнах пошарово наморожують воду. На дні знаходиться сітка з залізобетонних або дерев’яних балок. Оскільки спочатку замерзає майже чиста вода, а при нижчих температурах вода з більшим вмістом солей, то нижчі шари льоду містять більше солей. При плюсовій температурі лід починає танути і під сітку стікає розморожена вода, причому перші порції води з нижчих шарів мають більший вміст солей. Ці порції подають на повторне знесолення, а решта води достатньо знесолена. Майданчик може бути закритий, може бути відкритий, тоді лід прикривають від контакту з навколишнім середовищем теплоізоляційним матеріалом: тирсою, соломою, поліетиленом. Процес танення льоду може тривати до півроку. Виморожування в штучних умовах проводиться у спеціальних апаратах.

За одним із способів виморожування для охолодження води використовують холодоагенти – пропан, бутан, ізобутан, аміак, карбон діоксид, галогенпохідні метану, для яких при пониженому тиску можна досягти низьких температур (-50, -100С). В апараті для виморожування сильно мінералізовану воду спочатку охолоджують льодом та холодним розсолом, одержаним після виморожування попередньої порції води. Тоді воду пропускають у ємність льодогенератора, в якій по трубах циркулює холодоагент. В генераторі з неї утворюється суспензія льоду з розсолом. Щоб не утворився суцільний шар льоду, суміш безперервно перемішують мішалкою. Утворену суспензію подають на сітчастий конвеєр, з якого стікає розсіл і залишається лід. Лід розтоплюють нагрітим до кімнатної температури повітрям і таким чином одержують прісну воду.

При контактному виморожуванні води зріджений холодоагент безпосередньо подають у воду. Для цього воду спочатку охолоджують майже до температури замерзання, потім її подають у камеру для заморожування і впорскують рідкий бутан (пропан). Бутан закипає, а температура води понижується до -4С і починається її кристалізація. Одержану суміш льоду і сконцентрованого розсолу подають у сепараційну камеру, де лід відділяють, промивають чистою водою і подають в камеру, де він при вищій температурі топиться. Розсіл зливають, а бутан, який за цих умов випаровується, вловлюють і знову подають в камеру виморожування. Коефіцієнт корисної дії апаратів контактного виморожування невисокий, біля 15%.

Виморожування із застосуванням вакууму не потребує застосування холодоагентів, оскільки холодоагентом стає сама вода. Воду охолоджують, подають у вакуумний гідроконвектор, в якому при пониженому тиску вода закипає при значно нижчій температурі. При випаровуванні зменшується загальний запас енергії води (енергія, яка відповідає теплоті випаровування, виділяється) і її температура понижується. Якщо сильно понизити тиск, то закипання може настати за температури кристалізації. Виділену очищену пару конденсують на поверхні холодильної машини, лід відмивають і розтоплюють.

Можливим є опріснення води завдяки утворенню газових гідратів. Низка пароподібних речовин та газів (інертні гази, СО₂, N₂O, SO₂, H₂S, фреони, Cl₂, Br₂, CHCl₃, ...) утворюють у сильно мінералізованій воді тверді гідрати, причому при плюсових температурах. У кристалогідратах гази займають пустоти між молекулами води. Є два типи кристалогідратів з кубічною структурою: 8Х46Н₂О і 8Х136Н₂О, як наприклад 8Kr46H₂O чи 8CHCl₃136H₂O. Так гідрат, що містить Cl₂, топиться при 28,7С, а той, що містить пропан – при 5,7С. Підвищується стійкість гідратів завдяки включенню у кристал молекул O₂ i N₂. Найчастіше для утворення гідратів використовують пропан як один з найдешевших газів. Коли гідрати газів відокремити від розсолу і розчинити, то гази випаровуються і залишається знесолена вода. Виділені гази вловлюють і повторно використовують для очищення. Цей метод вимагає спеціальної апаратури, складно відбувається процес відділення розсолу від газогідратів, тому не набув широкого застосування.