Определение стабильности воды

1. Расчет производится сравнением равновесной и фактической концентрации углекислоты в воде. Поскольку значения рН исходной воды не задано, принимаем рН=7. Для определения активностей ионов в воде найдем ионную силу (μ) и коэффициенты активности γ_Iи γ_II.

=0,5(С_iz_i²) (2);

(3);

где, С_i– концентрации ионов, моль/л;z– зарядi-го иона.

μ=0,5[С_Са²⁺ ∙Z²_Ca²⁺ +C_Mg²⁺ ∙Z²_Mg²⁺ +С_Na⁺ ∙Z²_Na⁺ ₊C_SO4^2- ∙Z²_SO4^2-+C_Cl^- ∙Z²_Cl^-+C_NO3^- ∙Z²_NO3^-

+C_HCO3^- ∙Z² _HCO3^-]=0,5∙10^-3(0,8 ∙2² +0,35 ∙2² +0,4∙1²+0,055 ∙2²+0,33 ∙1²+0,16 ∙1²+

+2,1 ∙1²)=3,905∙10^-3

2. Определение равновесной концентрации угольной кислоты

Н₂СО₃ →;← НСО₃^– + Н⁺

НСО₃^– →;← СО₃^2– + Н⁺

СО₃^2– + Ca²⁺ →;← CaСО₃ ↓(тв)

В этом случае концентрации ионов и молекул определяются совместным решением уравнений (4)÷(6):

(4)

(5)

(6)

Равновесная концентрация углекислоты равна:

(7)

где К_Iи К_II– константы диссоциации углекислоты поIиIIступеням;- произведение растворимости СaCO₃;,- концентрации ионов кальция и бикарбонатов, моль/л.

Фактическая концентрация углекислоты определяется из уравнения диссоциации по Iступени: Н₂СО₃→;← НСО₃^–+ Н⁺, по закону действующих масс, откуда

(8)

=5,218·10^-5моль/л <=4,359·10^-4моль/л.

То есть исходная вода – агрессивная, осадок СаСО₃не выпадает.

Расчет удельной электропроводности исходной воды

В данном случае могут быть использованы выражения для расчета средних значений эквивалентных электропроводностей в виде уравнений (9)÷(11):

(9)

(10)

(11)

где, М=ΣKt=ΣAn– минерализация воды, мг-экв/л; К_t= 1 + 0,024(t– 18 °С) – температурный коэффициент, электропроводности при температуре раствораtºС.

Тогда, удельная электропроводность воды (χ, мкСм/см) определяется так:

(12)

где, и- концентрации хлоридов и сульфатов, мг-экв/л.

2. Осветленная и умягченная вода

Принципиальная схема предочистки и умягчения воды может быть представлена по рис. 1

Рис. 1. Принципиальная схема осветления и умягчения воды.

1 – подогреватель сырой (исходной) воды; 2 – осветлитель; 3 – бак осветленной воды; 4 – насос подачи осветленной воды на механические фильтры; 5 – механические фильтры; 6 – Na-катионитные фильтры.

В подогревателе (1) исходная вода подогревается до температуры 30÷50 ºС для ускорения химических реакций. В осветлителе производится коагуляция коллоидных (органических) примесей и удаление шлама и грубодисперсных (взвешенных) примесей. Обычно, при Щ_О>2 мг-экв/л рекомендуется наряду с коагуляцией производить известкование воды в осветлителе с целью снижения щелочности (или всех форм углекислоты) в воде. Обычно при этом уменьшается общая жесткость и кремнесодержание воды. Переливом вода из осветлителя поступает в бак осветленной воды (3), откуда насосом (4) прокачевается через механические (5) иNa-катионитные фильтры (6). При этом из воды удаляется «проскочивший» из осветлителя шлам и удаляются катионы накипеобразователи (Ca²⁺,Mg²⁺) в обмен наNa⁺из катионита. Умягченная вода накапливается в баке и расходуется на технологические нужды, в том числе, на питание установок обратного осмоса с целью обессоливания.

Щелочность природной воды по табл. 1 равна 2,7 мг-экв/л, т.е. более 2 мг-экв/л и в этом случае рекомендуется совмещение коагуляции воды с ее известкованием в осветлителе. Принципиальная схема осветлителя для коагуляции с известкованием приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема осветлителя типа ВТИ для известкования и коагуляции воды:

1 – подача обрабатываемой воды; 2 – воздухоотделитель; 3 – распределительная система; 4 – опускная труба; 5 – тангенциальный ввод воды; 6 – смеситель; 7 – подача раствора ИМ; 8 – подача раствора коагулянта; 9 – шламоприемные окна; 10 – шламоуплотнитель; 11 – слой контактной среды; 12 – водозаборное устройство; 13 – сборный желоб с отверстиями; 14 – выход осветленной воды; 15 – зона осветления; 16 – зона контактной среды; 17 – периодическая продувка; 18 – непрерывная продувка

В качестве коагулянта используется обычно сульфат железа (II), кристало-гидрат которого имеет химическую формулуFeSO₄·7H₂O. Известь вводится в виде известкового молока – суспензииCa(OH)₂в воде. В ряде случаев используется насыщенный растворCa(OH)₂, чтобы избежать процесса растворения твердогоCa(OH)₂и ускорить химические реакции.

Показатели качества осветленной воды при разных схемах осветления воды могут быть определены по табл. 3.

Таблица 3. Показатели качества осветленной воды после разных схем предочистки

Показатель	-М-	-К-М-	-К-И-М-	-К-И-С-М-
Остаток коагулянта, мг/л	–	<0,2	<0,1	<0,1
Снижение окисляемости, %	0	50–75	40–50	40-50
Снижение содержания кремниевой кислоты, %	0	10–20	30–40	30–40
Свободная углекислота, мг/л		+Dк	0	0
Щелочность общая, мг-экв/л: гидратная карбонатная бикарбонатная	0 0	–Dк 0 0 –Dк	0,7–1,3 0,1–0,2 0,6–1,2 ~0	1–1,5 0,1–0,2 0,8–1,4 ~0
Жесткость общая, мг-экв/л, в т.ч. Жнк ЖMg			+Dк (1–0,8)	1–1,5 0 (0–0,2)
Сульфаты, мг-экв/л		+ Dк	+ Dк	+ Dк
Взвешенные в-ва, мг/л	£2	£2	£2	£2
Прозрачность "шрифт", см	³40	³40	³40	³40
рН	рН^исх	рН^исх– (0,1–0,5)	9,5–10,5	9,5–10,5
Солесодержание, мг/л	S^исх	S^исх +ЭкDк	S^исх–ЭкDк–50Що–3,5Ок
Примечание. исх – соответствует концентрации такого показателя в исходной воде; ос - соответствующий концентрации такого показателя в осветленной воде; Эк – эквивалент коагулянта; Дк – доза коагулянта, мг-экв/л; Ок – окисляемость исходной воды, г3/л

Показатели качества осветленной воды при дозе коагулянта 0,5 мг-экв/л:

- окисляемость – Ок^осв=0,5 ∙ 2,8=1,4 мгО/л;

- щелочность: общая (Щ_О^осв)=1,1 мг-экв/л;

гидратная (Щ_Г^осв)=0,2 мг-экв/л;

карбонатная (Щ_К^осв)=0,9 мг-экв/л;

- жесткость общая Ж_О^осв=Щ_О^осв+Ж_НК^исх+Д_К=1,1+0,2+0,5=1,8 мг-экв/л;

- сульфаты [SO₄^2-]^осв=[SO₄^2-]^исх+ Д_К=0,11+0,5=0,61 мг-экв/л;

- взвешенные вещества – 10 мг/л;

- рН - 10 ед.рН;

- натрий - 0,4 мг-экв/л;

- хлориды - 0,33 мг-экв/л.

Проверка ионного состава примесей по уравнению электронейтральности дает ошибку:

Расчетная (требуемая) величина дозы извести вводимая в обрабатываемую воду (Д_и^тр, мг-экв/л) определяется уравнением (13):

(13)

при выражении всех концентраций в мг-экв/л.

При этом избыток извести (И_и) можно принять равным гидратной щелочности осветленной воды (Щ_г); величину=0,8∙.

Количество образующегося в осветлителе осадка С_и, мг/л, равно:

, (14)

где _СаО– содержание окиси кальция в технической извести в % от общей массы; М – содержание механических примесей, мг/л;_к– содержание коагулянта (FeSO₄) в техническом продукте, в % от общей массы; [Са²⁺]^исх, [Са²⁺]^осв– концентрация катионов кальция в исходной и в осветленной воде, мг/л;мг-экв/л;– фактическая доза коагулянта, мг-экв/л: (15)

Основной характеристикой химического состава шлама, показывающей отношение Mg(OH)₂/СаСО₃, является_м. Оптимальные значения_мсоставляют от 0,050,1 до 0,20,25.

Расчетом параметр _мопределяется

, (16)

где ;

где а – масса Са(ОН)₂в известковом молоке, мг/л; с – количество СаСО₃в известковом молоке, мг/л; можно принять с/а=0,05.