1. Предварительная очистка воды методами коагуляции, осаждения и фильтрования.

При выборе методов очистки природных вод необходимо учитывать фазово-дисперсное состояние и солесодержание очищаемых вод. Как правило, при очистке вод применяется последовательное использование методов очистки: сначала удаляются грубодисперсные примеси, затем коллоидно-дисперсные примеси и на последней стадии удаляются истинно растворенные вещества.

Природные воды кроме растворенных веществ часто содержат при­меси в виде более или менее размельченных частиц, различных минералов и органических остатков. Грубодисперсные частицы не могут находиться в воде в устойчивом состоянии: они или всплывают при их плотности, меньшей плотности воды, или осаждаются. Например, песчинки, имею­щие степень дисперсности 10 (размером О,1 мм), оседают в спокойной во­де со скоростью 100 мм/с.

Как крупные, так и мелкие частицы, находящиеся в воде, обычно приобретают электрический заряд. Обусловлено это различными причинами. Например, поверхность твердого вещества может избирательно ад­сорбировать те или другие ионы, присутствующие в воде. Концентрируя эти ионы, поверхность приобретает определенный заряд или вещество от­даст в раствор ионы и при этом заряжается. Заряд частицы определяется ее поверхностью, которая приобретает тем большее значение, чем меньше размеры частицы.

Взвешенные вещества создают ряд осложнений как при умягчении и обессоливании воды, так и при дальнейшем ее использовании:

- при попадании на ионообменную шихту снижают ее обменную ем­кость;

- при попадании на теплопередающие поверхности снижают эффективность

их работы.

Вследствие этого освобождение от грубодисперсных и коллоидных примесей является первоначальной стадией для почти всех водоподготовительных установок. Эту стадию очистки принято называть осветлением.

Осветление можно условно разделить на два метода: осаждение и умягчение.

Осаждение - способ удаления механических примесей за счет сни­жения скорости движения воды в большой площади, в результате чего частицы оседают на дно под действием силы тяжести.

Умягчением называется захват примесей осадком макрокомпонентов. Существует два способа умягчения:

- объемная коагуляция, основанная на укрупнении коллоидных и грубодисперсных частиц в результате их слияния под действием молеку­лярных сил сцепления;

- известкование, направленное на снижение общей щелочности и же­сткости воды.

КОАГУЛЯЦИЯ:

Коагуляция - процесс, при котором происходит понижение степени дисперсности коллоидно-растворенных примесей в результате агломера­ции их частиц с образованием макрофазы. ( Иными словами, коагуляция – физико-химический процесс укрупнения коллоидных частиц за счет их слипания под действием молекулярных сил притяжения.)

Если частицы грубых суспензий могут быть осаждены под действием силы тяжести, то коллоидные и тонкодисперсные частицы самопроиз­вольно осаждаться не будут. Этому препятствует электрический заряд, ко­торым обладают такие частицы. Снятие или уменьшение заряда дисперс­ных частиц осуществляется созданием в обрабатываемой воде также дис­персных частиц, но с противоположным по знаку зарядом. Обычно для этого используют соединения железа или алюминия. Такой процесс носит название коагуляции, а сернокислое железо FeSO₄ - коагулянта. При дози­ровании сернокислого железа в щелочной среде, обусловленной наличием в воде гидроокиси кальция, происходит следующая реакция:

FeSO₄ + Ca(OH)₂ Fe(OH)₂ + CaSO₄.

Образующийся гидрат закиси железа в дальнейшем, при наличии в воде кислорода, окисляется в менее растворимый гидрат его окиси:

4Fe(OH)₂ + О₂ + Н₂О 4Fe(OH)₃

Fe(OH)₃ первоначально образует коллоидную систему, частицы кото­рой коагулируют коллоидные примеси исходной воды. Именно на этом этапе коагуляции исходная вода в основном очищается от коллоидных примесей. На втором этапе процесса коагуляции образуются крупные хло­пья (флокулы) размером 1...3 мм. Обладая высокой сорбционной способ­ностью, флокулы дополнительно очищают воду от примесей различной степени дисперсности и различной природы.

При низких температурах и слабом перемешивании среды происходит вялая коагуляция, причинами которой являются замедленное тепловое движение молекул и повышенная вязкость среды, уменьшение числа взаимных столкновений, одгезионных сил и прочности хлопьев. Оптимальной температурой при использовании сульфата железа является температура равная 30-35⁰С.

ИЗВЕСТКОВАНИЕ:

Добавление к природной воде извести сопровождается протеканием ряда реакций. В результате диссоциации молекул извести по уравнению:

Са(ОН)₂ Са²⁺ + 2ОН^-

в растворе повышается концентрация ионов гидроксила. Суще­ствовавшее в природной воде углекислотное равновесие смещается впра­во, поскольку увеличение концентрации ионов гидроксила приводит к свя­зыванию ионов Н⁺ в мало диссоциированные молекулы воды:

СО₂+Н₂О Н₂СО₃;

Н₂СО₃ Н⁺ + НС ;

НС Н⁺ + С .

Введение ионов гидроксила в стехиометрическом количестве приво­дит к тому, что вся свободная углекислота и бикарбонат-ионы переводятся в карбонат-ионы. Увеличение в растворе концентрации карбонат-ионов' вызывает реакцию образования труднорастворимого карбоната кальция:

Са²⁺ + С СаСО₃ .

Добавление к воде извести в количестве, большем, чем это необходи­мо для превращения СО₂ и ионов НС в карбонат-ионы, вызывает даль­нейшее повышение в растворе концентрации гидроксила. Присутствую­щие в природной воде ионы Mg²* образуют с ионами ОН^- малораствори­мое соединение - гидроокись магния Mg(OH)₂:

Mg²⁺ + 2OH^- Mg(OH)₂ .

В результате известкования происходит снижение щелочности и же­сткости. Общее солесодержание воды в результате снижения жесткости и щелочности при известковании всегда уменьшается.

На АЭС применено совмещение стадий известкования и коагуляции. Это совмещение приводит к снижению общей жесткости и щелочности природной воды, снижению степени дисперсности примесей в обрабаты­ваемой воде.

Основным аппаратом для умягчения воды и осаждения является ос­ветлитель. Обработка воды методом коагуляции и известкования является доста­точно эффективным методом удаления грубодисперсных примесей. К не­достаткам метода следует отнести:

- большой расход реагентов;

- сложность процесса, связанную с точной дозировкой реагентов и необходимостью поддержания в узком диапазоне температуры обрабаты­ваемой воды и величины рН;

- образование большого количества шлама и сложности с его

захоронением.

Осветление воды фильтрованием. Завершающим этапом осветле­ния воды от взвешенных веществ природного происхождения и образую­щихся при ее очистке является фильтрование. Фильтровальные сооруже­ния применяются в качестве второй ступени осветления по схеме с отстой­никами или осветлителями и как самостоятельные сооружения. Процесс фильтрования осуществляется путем пропускания воды через слой мелко­зернистого фильтрующего материала определенной высоты в специальных сооружениях - фильтрах.

Очистка воды фильтрацией обусловлена, с одной стороны, адгезией взвешенных частиц на поверхности материала зернистого слоя, а с другой - механическим задержанием взвеси в порах, образованных зернами

фильтрующего материала.

Адгезия характеризует взаимное притяжение частиц различных тел в области их соприкосновения (на поверхности раздела), обусловленное си­лами межмолекулярного взаимодействия между этими телами. Адгезией объясняется слипание различных тел, а также смачивание.

Чтобы произошла адгезия, необходимо сближение частиц. В сближе­нии частиц взвеси с зернами фильтрующего материала участвуют гравита­ционные силы и силы инерции. При малой скорости фильтрации наи­большую роль играют силы тяжести. При увеличении скорости движения жидкости по каналам между зернами частицы взвеси, двигаясь по инер­ции, отклоняются от направления движения жидкости и подходят к зернам фильтрующего материала. Если взвешенные частицы и фильтрующий ма­териал имеют заряды разных знаков, то в процессе сближения участвуют и электростатические силы.

Разделяют два режима фильтрации: быстрый и медленный. На АЭС принят метод быстрой фильтрации, который заключается в пропуске воды под напором, создаваемым внешним источником (насосом), через слой

крупнозернистого фильтрующего материала. Быстрая фильтрация исполь­зуется чаще всего совместно с коагуляцией в качестве предварительной очистки.

Для более эффективной очистки воды фильтрующий материал дол­жен иметь максимально высокое сродство к продуктам коррозии и высо­кую пористость. Так как частицы продуктов коррозии имеют, как правило, отрицательный заряд, в качестве фильтрующего материала должны ис­пользоваться катиониты, причем предпочтение должно отдаваться мате­риалам с развитой поверхностью, например сульфоуглю или дробленому антрациту.

Фильтрацию осуществляют на механических фильтрах. В процессе улавливания взвешенных частиц фильтрующий материал загрязняется, в результате чего возрастает его гидравлическое сопротивле­ние или наблюдается проскок взвешенных частиц в фильтрат.

Для удаления загрязнений фильтрующий материал промывают током воды снизу вверх с расходом, обеспечивающим расширение загрузки при­мерно в 1,5 раза, что позволяет зернам фильтрующего материала свободно перемещаться в потоке воды. Отмывающиеся с поверхности зерен части­цы загрязнений и измельченные частицы фильтрующего материала уда­ляются вместе с водой. Для повышения эффективности промывки и сни­жения расхода промывочной воды производится взрыхление фильтрую­щего материала сжатым воздухом.

На водоподготовительных установках АЭС предварительную очистку осуществляют при совмещении процессов осаждения, коагуляции и известкования, как правило, в одном аппарате – осветлителе, а окончательное очищение от осадка осуществляется при помощи процесса фильтрования.

Рассмотрим функциональную схему установки для предварительной очистки воды:

Где: I - исходная вода; 2 - теплообменный подогреватель; 3 - осветлитель; 4 - ввод извести; 5 – ввод коагулянта; 6 - бак осветленной воды; 7 - перекачивающий насос; 8 – осветлительный фильтр; 9 - вода на ионитные фильтры или на потребление; 10 - сброс осадка с продувочной водой; 11 - греющий пар; 12 - конденсат греющего пара.

В подогретую до температуры около 30 °С обрабатываемую воду до­зируют в виде суспензии (молока) гашеную известь Са(ОН)₂ и 5%-ный раствор FeSO₄, а образующийся осадок сбрасывают. Осветленная вода из осветлителя сливается в бак осветленной воды, откуда перекачивающим насосом подается на фильтр для второй ступени осветления. После фильтра вода подается на установки окончательной очистки воды.