Осветленная и умягченная вода

Расчет показателей качества воды для установки обратного осмоса

Исходная вода

Исходной обычно служит природная вода, примерный химический состав примесей которой приведен в табл. 4. В качестве примера взята вода поступающая на химводоочистку расходом 300 м³/ч.

Таблица 4. Химический состав примесей воды

Показатель	Жесткость, мг-экв/л	Концентрация ионов, мг/л	Щ_о, мг-экв/л	Ок, мгО/л
Ж_о	Ж_Са	Na⁺+K⁺	SO₄^2-	Cl^-	NO₃^-	SiO₂^2-	ГДП
Численное значение	4,3	3,0	2,8	13,5	25,5	-		-	3,3	8,3

Проверка анализа исходной воды выполняется по уравнению электронейтральности:

4,3 + 2,8/23=3,3 + 13,5/48 + 25,5/35,5

4,42≠4,3.

Ошибка химического анализа должна быть не более 2 % и в данном случае составляет:

=2,71 % > 2 %

Так как сумма катионов больше суммы анионов, то корректируем

[ = - Щ_о– [Cl^-] – [

Ж_о + [Na⁺] = Щ_о + [ + [Cl^-]

4,3 + 2,8/23 = 3,3 + 0,4 + 25,5/35,5

[ = 4,42 – 3,3 – 25,5/35,5 = 0,4 мг(экв)/л

Ош= =0%<2%

Ж_Ca²⁺=[Сa²⁺]

Ж_о=[Сa²⁺]+[Mg²⁺]= Ж_Ca²⁺+ Ж_Mg²⁺=> [Mg²⁺]= Ж_Mg²⁺= Ж_о- Ж_Ca²⁺=1,3 мг(экв)/л

[HCO₃^-]=Щ_о= Ж_к=3,3 мг(экв)/л

Ж_о=Ж_к+Ж_нк=> Ж_нк= Ж_о- Ж_к=1,0 мг(экв)/л

Для дальнейших расчетов данные табл. 4 следует переписать с пересчетом концентраций ионов в мг-экв/л и моль/л (см. табл. 5).

Расчет характеристики «стабильность» воды 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_I и γ_II.

m=0,5S(С_i z_i²)=0,5([Ca²⁺](Z_Ca²⁺)²+[Mg²⁺](Z_Mg²⁺)²+[Na⁺](Z_Na⁺)²+[SO₄^2-](Z_SO^2-)²+[Cl^-](Z_Cl^-)²+[HCO₃^-](Z_HCO^-)²)=0,5(1,5×2²+0,65×2²+0,122×1²+0,141×2²+0,718×1²+3,3×1²)=13,304×10^-3

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

Для нашего случая μ=13,304×10^-3; γ_I=0,888; γ_II=0,621. Равновесная концентрация углекислоты определяется равновесием следующих химических реакций:

Н₂СО₃ НСО₃^– + Н⁺,

НСО₃^– СО₃^2– + Н⁺,

СО₃^2– + Ca²⁺ CaСО₃ ↓(тв).

pH=7; а_н⁺=10^-7

Равновесная концентрация углекислоты равна:

моль/л

где К_I и К_II – константы диссоциации углекислоты по I и II ступеням; – произведение растворимости СaCO₃; , – концентрации ионов кальция и бикарбонатов, моль/л.

Фактическая концентрация углекислоты определяется из уравнения диссоциации по первой ступени: Н₂СО₃ НСО₃^– + Н⁺ по закону действующих масс в формуле (1), откуда

моль/л (1)

Таблица 5. Пересчет концентраций ионных примесей воды по табл. 4

Показатель	Концентрация ионов, мг-экв/л
Ca²⁺	Mg²⁺	Na⁺+K⁺	SO₄^2-	Cl^-	HCO₃^-	SiO₂^2-
Концентрации: а) мг-экв/л; б) моль/л	3,0 1,5	1,3 0,65	0,122 0,122	0,281 0,141	0,718 0,718	3,3 3,3	0,333 0,167

Для нашего случая: = 1,8 моль/л;

= моль/л.

Таким образом, исходная вода – агрессивная, т.к.
< .

Расчет удельной электропроводности исходной воды может быть выполнен по методике, приведенной в книге Чебанова С.Н., Ларина Б.М. «Водоподготовка и водный режим тепловых электростанций», гл. 20, с. 321 – 322.

В данном случае могут быть использованы следующие выражения для расчета средних значений эквивалентных электропроводностей:

Ом^-1·см^-1·экв^-1;

Ом^-1·см¹·экв^-1;

Ом^-1·см^-1·экв^-1;

где М=ΣKt=ΣAn=4,42 – минерализация воды, мг-экв/л;

К_t = 1+0,024×(t–18 °С)=1+0,024∙(25−18)=1,168 – температурный коэффициент электропроводности при температуре раствора t ºС.

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

Где и – концентрации хлоридов и сульфатов, мг-экв/л.
В рассматриваемом примере имеем:

; Ом^-1·см^-1·экв^-1; Ом^-1·см^-1·экв^-1;
Ом^-1·см^-1·экв^-1.

Удельная электропроводность воды:

мкСм/см.

Осветленная и умягченная вода

Принципиальная схема предочистки и умягчения воды может быть представлена по рис. 8

Рис. 8. 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 2 в целях 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 прокачивается через механические 5 и Na-катионитные фильтры 6. При этом из воды удаляется «проскочивший» из осветлителя шлам и удаляются катионы накипеобразователи (Ca²⁺, Mg²⁺) в обмен на Na⁺из катионита. Умягченная вода накапливается в баке и расходуется на технологические нужды, в том числе, на питание установок обратного осмоса в целях обессоливания.

В рассматриваемом примере щелочность природной воды по табл. 4 равна 2,6 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. 9.

Рис. 9. 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), кристаллогидрат которого имеет химическую формулу FeSO₄·7H₂O. Известь вводится в виде известкового молока – суспензии Ca(OH)₂ в воде. В ряде случаев используется насыщенный раствор Ca(OH)₂, чтобы избежать процесса растворения твердого Ca(OH)₂ и ускорить химические реакции.

Химические реакции, протекающие в воде при известковании, изложены в книге Чебанова С.Н. и Ларина Б.М. «Водоподготовка и водный режим тепловых электростанций», гл. 5, с. 81 – 89. Там же на с. 322 – 324 приведены расчетные уравнения для определения требуемой дозы извести и коагулянта, количества и качества образующегося щлама. Показатели качества осветленной воды при разных схемах осветления воды могут быть определены по табл. 6.

Таблица 6. 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, %		50–75	40–50	40-50
Снижение содержания кремниевой кислоты, %		10–20	30–40	30–40
Свободная углекислота, мг/л		+D_к
Щелочность общая, мг-экв/л: гидратная карбонатная бикарбонатная		–D_к –D_к	0,7–1,3 0,1–0,2 0,6–1,2	1–1,5 0,1–0,2 0,8–1,4
Жесткость общая, мг-экв/л, в т.ч. Ж_нк Ж_Mg			+D_к (1–0,2)·	1–1,5 (1–0,2)
Сульфаты, мг-экв/л		+ D_к	+ D_к	+ D_к
Взвешенные в-ва, мг/л
Прозрачность "шрифт", см
рН	рН^исх	рН^исх– (0,1÷0,5)	9,5–10,5	9,5–10,5
Солесодержание, мг/л	S^исх	S^исх +Э_кD_к	S^исх–Э_к·D_к–50·DЩ_о–3,5·DОк
Примечание. исх – соответствует концентрации такого показателя в исходной воде; ос - соответствующий концентрации такого показателя в осветленной воде; Э_к – эквивалент коагулянта; Д_к – доза коагулянта, мг-экв/л; Ок – окисляемость исходной воды, гО/л

В рассматриваемом здесь примере при дозе коагулянта Д_к=0,07∙О_к=0,07∙8,3=0,6 мг-экв/л показатели качества осветленной воды будут следующими:

- окисляемость – Ок^осв=0,6∙8,3=4,98 мгО/л;

- щелочность: общая Щ_О=0,8 мг-экв/л;

гидратная Щ_Г=0,2 мг-экв/л;

карбонатная Щ_К=0,6 мг-экв/л;

- жесткость общая Ж_о^осв=Щ_о^осв+Ж_НК^исх+Д_К=0,8+0,74+0,72=2,26 мг-экв/л;

- сульфаты [SO₄^2-]^осв=[SO₄^2-]^исх + Д_К=0,281+0,6=0,881 мг-экв/л;

- взвешенные вещества – 2 мг/л;

- рН - 10 ед.рН;

- натрий - 0,122мг-экв/л;

- хлориды - 0,718 мг-экв/л;

-Ж_о^Осв = Щ_о^Осв + Ж_нк + Д_к = 0,8+1,0+0,6=2,4 мг-экв/л

- Ж _Са²⁺^осв= Ж_о^осв+ Ж _Mg²⁺^осв=2,4 – 0,65=1,75 мг-экв/л;

- Ж _Mg²⁺^осв=0,5∙Ж _Mg²⁺^исх=0,5∙1,3=0,65мг-экв/л.

Проверка ионного состава примесей по уравнению электронейтральности дает ошибку:

Расчетная (требуемая) величина дозы извести, вводимой в обрабатываемую воду (Д_и^тр,

мг-экв/л), определяется по уравнению

при выражении всех концентраций в мг-экв/л.

При этом избыток извести (i_и) можно принять равным гидратной щелочности осветленной

воды (Щ_г): i_и= Щ_г=0,2 мг-экв/л.

Величину =0,8∙ мг-экв/л.

Количество образующегося в осветлителе осадка, мг/л

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

мг-экв/л,

Здесь К_и – концентрация извести в баках-мерниках, г-экв/л;

q_и – расход рабочего раствора известкового молока в осветлителе, л/ч;
Q_исх – расход воды через осветлитель, м³/ч.

Основной характеристикой химического состава шлама, показывающей отношение Mg(OH)₂/СаСО₃, является a_м. Оптимальные значения a_м составляют от 0,05¸0,1 до 0,2¸0,25.

Расчетом параметр a_м определяется как:

где (а – масса Са(ОН)₂ в известковом молоке, мг/л; с – количество СаСО₃ в известковом молоке, мг/л; можно принять с/ а =0,05).

=0,09952.

Пропуск осветленной воды через механический фильтр снижает концентрацию взвешенных веществ (шлама) до 1 мг/л и предупреждает случайные забросы шлама из осветлителя. После
Na-катионитных фильтров уменьшается общая жесткость воды до величины остаточной жесткости – Ж_o^Na=0,1 мг-экв/л. При этом в воду поступает эквивалентное удаленному количество Na⁺, мг-экв, согласно уравнению химической реакции ионного обмена:

2NaR+Ca²⁺ CaR₂+2Na⁺.

Таким образом для нашего случая в фильтрате Na-катио-нитного фильтра имеем:

Ж_o=0,1 мг-экв/л; [Na⁺]=0,122+2,4=2,522 мг-экв/л.

Концентрации других ионных примесей остаются неизменными. Если требуется более глубокое удаление из воды катионов кальция и магния, то применяют 2-ю ступень умягчения воды на Na-катионитных фильтрах, что позволяет снизить общую жесткость воды до 0,01 мг-экв/л. Концентрации примесей в воде при ее осветлении и умягчении приведены в табл. 7.

Таблица 7. Показатели качества воды по стадиям обработки

Стадия обработки	Ж_о, мг-экв/л	Концентрация ионов, мг-экв/л	Щ_о, мг-экв/л	рН	Взв. в-ва, мг/л	Ок, мгО/л
Na⁺	SO₄^2-	Cl^-
1. Исходная вода 2. Осветленная 3. После МФ 4. Na-катиони- рованная	4,3 2,4 2,4 0,1	0,122 0,122 0,122 2,122	0,281 0,881 0,881 0.881	0,718 0,718 0,718 0,718	3,3 0,8 0,8 0,8		<1 <1	8.3 4,98 4,98 4,98