Лекции по "Химии"

     Дәріс №4. Табиғи және ағынды суларды тазалау процесінің теориялық негізі. Суды жұмсарту және тұзсыздандыру.

1. Судың кермектілігі. Суды жұмсартудың реагенттік әдістері.

2. Ион алмасу әдісі және оны су тазалауда қолдану

3. Суды  тұзсыздандыру. 

      Са²⁺ және Мg²⁺ иондары барлық минералданған суда кездеседі. Оның көздері әктас, гипс және доломит кендері болып табылады. Аз минералданған суларда Са²⁺ иондары көп. Минералдану дәрежесінің өсуінен Са²⁺ иондары тез түседі және лезде 1 г/л жоғарылайды. Минералданған суда Mg²⁺ иондары құрамы бірнеше грамға, ал тұзды өзендерде – 1 л суда бірнеше ондаған грамға жетуі мүмкін. Mg²⁺ мен Са²⁺ иондары судың қаттылығын көрсетеді.

          Судың жалпы кермектілігі карбонатты (уақытша) және карбонатты емес (тұрақты) қаттылығы сомасын көрсетеді.

          Карбонатты кермектілік суда негізінен кальций мен магний гидрокарбонатының болуымен түсіндіріледі, олар судың қайнауы кезінде толықтай жойылады. Гидрокарбонат көмір қышқылдары түзілуінен ыдырайды, калььций карбонаты мен магний гидроксиді қалдық болып табылады.

      Карбонатты  емес кермектілілікке кальций мен магний тұздары күкірт, тұзды және азот қышқылдарының болуы себепші және олар қайнату кезінде жойылмайды. Mg²⁺ мен Са²⁺ иондары тірі ағзаға зиян тигізбейді, бірақ мұндай сулар шаруашылық қажеттілікке жарамсыз. Қатты суда кір жуу кезінде сабын шығыны көп болады, ет пен көкөніс ұзақ піседі.

     Суды  жұмсарту дегеніміз одан кермектілік катиондарын алып тастау процесі, сонымен кальций және магнийді алып тастау. ГОСТ 2874-82 «Ауыз суы» сәйкес судың кермектілігі  7 мг-экв/л – ден аспауы тиіс. Өндірістердің кейбір түрлері технологиялық суға оның терең жұмсаруын талап етеді, яғни 0,05…0,01 мг-экв/л-ге дейін. Жалпы пайдаланыстағы су көздері шаруашылық-ауыз суы нормаларына сәйкес келетін кермектілікте болады және жұмсартуды талап етпейді. Мысалы барабанды қазандықтарға арналған судың кермектілігі 0,05 мг-экв/л – ден аспауы керек.

     Суды  жұмсарту келесі тәсілдермен жүзеге асырылады: термиялық, суды кыздыру, оны дистилляциялау немесе мұздату  барысында; реагенттік –оны қолданғанда Са (ІІ) және Mg (ІІ) иондары әртүрлі реагенттермен мүлдем ерімейтін қосынды болып біріктіріледі; иондық айырбастау-суды арнаулы материалдар арқылы өткізгенде солардың құрамындағы Na(I) немесе H(I) иондары судың құрамындағы Ca(II) Mg(II) иондарына алмастырылады; диализ; комбинирілденген – аталған тәсілдердің әр түрлі біріктірілуі.

     Суды  жұмсарту тәсілін таңдау оның сапасы, қажетті жұмсарту тереңдігі, технико-экономикалық айлатырумен аңықталады. СанПиН ұсыныстарына сәйкес жерасты суын жұмсартқанда, суды сонымен қатар ашық ету үшін әк немесе әк-сода тәсілі, ал суды терең жұмсарту үшін- соңынан катиондау қажет.

     Суды  жұмсартудың термиялық әдісі  мына мақсаттарда пайдаланылады: төмен  қысымдағы қазандықтарды қоректендіру үшін кететін карбонатты  суларды қолдану үшін және біріккен суды жұмсарту үшін.

     Суды  реагент арқылы жұмсарту әдістері, оны реагенттермен өңдеуге негізделген. Реагент түрінде әк, кальцийленген  сода, натрий және барий гидроксидтері  және басқа да заттар қолданылады.

       Термохимиялық жұмсартуды тек бу қазандарына су дайындағанда ғана қолданылады, себебі бұл жағдайда суды жылытуға кеткен энергия ұтымды пайдаланады.

     Диализ-молекулалық  массаларымен ерекшелетін еріген  заттарды бөлу әдісі. Жартылай өткізгіш мембранасы арқылы бөлінген концентрлі және сұйылтылған ерітіндінің диффузиясының әр түрлі жылдамдығына негізделеді.

     Ион алмасудың негізі болып ионалмастырғыш материалдың және иониттердің судағы оң және теріс иондары эквивалентті мөлшерде ионит иондарына алмастыру  қабілеті болып табылады.

     Суды  жұмсарту тәсілін таңдау  оның сапасына, кететін уақытқа және де қаражат  көлеміне байланысты болғандықтан өзімізге сай келетін әдісті таңдап алғанымыз  жөн. 
 

             
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

     

     1-кесте.Суды жұмсарту тәсілдерін қолданудың негізгі мінездемелері мен шарттары.

 

     

     Cуды жұмсартудың термиялық әдісі

     Суды  жұмсартудың термиялық әдісі мына мақсаттарда пайдаланылады: төмен қысымдағы қазандықтарды қоректендіру үшін кететін карбонатты  суларды қолдану үшін және біріккен суды жұмсарту үшін. Көмір қышқылы тепе-теңдігінің қыздырған кезде ығысып кальций карбонатының түзілуімен түсіндіріледі:

     

     Температура мен қысымның жоғарылауы барысында, тепе-теңдік СО₂ –нің ерігіштік қасиетіне байланысты ығысады. СО₂ –ні қыздыру кезінде карбонатты кальцийлі кермектілікті төмендетуге және толық  жоюға болады. Бірақта көрсетілген кермектілікті толық жою мүмкін емес, кальций карбонаты суда аз мөлшерде ериді.

     Суда  магний гидрокарбонаты болған кезде, оның тұну процесі келесі түрде жүреді:ең алдымен салыстырмалы түрде жақсы еритін магний карбонаты түзіледі (110 мг/л 18 °С)

     

     ол жалғасқан қайнатуда гидролизденеді, соның нәтижесінде аз еритін магний гидроксидінің тұнбасы түзіледі (8,4 мг/л)

     

     Сәйкесінше  кальций және магний гидроксидтерімен түсіндірілетін кермектік қайнату кезінде төмендейді. Суды қайнату кезінде кальций сульфатымен түсіндірілетін кермектілік төмендейді, оның ерігіштігі 0,65 г/л-ге дейін төмендейді.

     1-ші  суретте Копьевтің терможұмсартқыш  құрылымы көрсетілген,ол құрылымның қарапайымдылығы мен сенімділігімен ерекшеледі. Алдын-ала аппаратта өңделетін су эжектор арқылы плендық қыздырғыштық розеткасына беріледі, вертикаль орналасқан тұрбаларға шашылады, олар арқылы төмен қарай ыссы буға ағады.

     Содан кейін үрмелі қазандық суымен ортаңғы  бергіш тұрбамен тесік түбі арқылы өлшенген тұнбасы бар жарықтандырғышқа ағады. Ол кезде бөлінетін көмір қышқылы мен оттегі будың артығымен атмосфераға лақтырылады.  Қыздыру кезінде пайда болатын кальций және магний тұздары қабатта қалып қояды. Қабаттан өткеннен кейін жұмсартылған су жинағышқа түсіп, ақпарат сыртына шығарылады.

     Терможұмсартқышта судың болу ұзақтығы 30…45 мин, оны жоғары қарай қыздырғанда жылдамдығы 7…10 м/сек .

        

      

       Сурет 1.Коньевтың терможұмсартқыш құрылғысы.

     15-Дренажды суды лақтыру; 12-ортаңғы бергіш құбыр; 13-жалған фирфофирленген түбтер; 11- қабат;

     14-шламды лақтыру; 9- жұмсартылған суды жинағыш; 1,10- алғашқы су беру, жұмсартылған суды әкету;2- қазандарды үру; 3-Эжектор;4- булау;

     5- пленді қыздырғыш; 6- буды лақтыру; 7- сақиналы пефофирленген эпсекторге су апаратын құбыр; 8-көлбеу сепарирлейтін аралықтар. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Суды жұмсартудың реагентті әдістері

     Суды  реагент арқылы жұмсарту әдістері, оны реагенттермен өңдеуге негізделген, ал магний кальций қоспасы бар, аз ерігіш қоспалар түзеді: Mg(OH)_2, CaCO₃ ,Ca₃(PO₄)_{2 ,} Mg₃(PO₄)₂ және басқаларын жарықтандырғыштан кейінгі бөлінуімен, жұқа қабырғалы тұрақтарда және жарықтандырғыш фильтрларда. Реагент түрінде әк, кальцийленген сода, натрий және барий гидроксидтері және басқа да заттар қолданылады.

            

     Әктеумен  суды жұмсарту

     Әктеумен  суды жұмсартуды оның жоғарғы карбонатты және төмен карбонатты емес кермектілігі кезінде және судан карбонатты емес кермектілік тұздарын жою керек болмаған жағдайда қолданылады. Реагент түрінде әкті қолданады. Оның ерітіндіде немесе суспензия (сүт) түрінде алдын ала қыздырылған, өнделетін суға қосады. Әк ерігенде суды ОН және Са²⁺ иондарымен байытады. Бұл судағы бос көміртегінің (ІV) оксидінің карбонатты иондары түзіп және гидрокарбонат иондарда карбонаттыға өтуіне әкеледі.

     

 

     Өнделетін судағы СО₃^2- иондар концентрация артуы және Са²⁺ иондарының болуы, оның ерігіштігін арттырған және аз ерігіш кальций карбонатының тұнуына әкеледі.

     

     Әк  артық болған жағдайда тұңбаға магний гидроксиді түседі.

     

 

     Әкті-содалы суды жұмсарту.

     Әкті-содалы суды жұмсарту әдісі келесідегідей  негізгі реакциялармен суреттеледі.                                    

     

     Бұл әдіс бойынша қалдық кермектілік 0,5...1-ге дейін, ал сілтілік 7-ден 0,8...1,2 м-экв/л дейін төмендеуі мүмкін.

     Әкті-содалы суды жұмсарту әдісі кезінде түзілген кальций карбонаты және магний гидроксиды ерітінділерді қанықтырып коллоидты –дисперсті күйде ұзақ болуы мүмкін. Олардың қатаң дисперсті күйге өтуі ұзақ уақыт алады, әсіресе төмен температурада, суда органикалық қоспалар болған жағдайда олар қорғау коллоидтары ретінде қызмет атқарады. Олардың көп мөлшерінде судың кермектілігі реагентті жұмсарту кезінде 15-20%-ке ғана төмендейді. Бұл жағдайда жұмсарту алдында судан органикалық қоспаларды қышқылдандырғыштармен және каогулянттармен жояды. Әкті-содалық әдіс кезінде процесті екі стадияда өткізеді. Бірінші судан органикалық қоспалармен карбонатты кермектіліктің айтарлықтай бөлігін жояды, аллюминий және темір тұздарын әктаспен пайдаланып, процессті коагуляцияның оптимальды жағдайларында өткізеді. Содан кейін содамен әктің қалған бөлігін енгізеді және суды соңына дейін жұмсартады. Органикалық қоспаларды жойған кезде  суды жұмсартумен коса, коагулянттар түрінде темір тұздарын қолданады. Өйткені рн деңгейі жоғары болғанда, магнийлік кермектілікті жоюға аллюминий тұздары сорбционды-белсенді гидрооксидты түзбейді.  

     Суды  терең жұмсарту

     Суды  терең жұмсарту оны қыздыру кезінде, яғни реагент тұндырғышты артығымен қосып, жұмсартылған суды алдын ала қалыптасқан тұнбалар мен байланыс жасаған кезде мүмкін болады. Қыздырған кезде СаСО₃, Mg(OH)₂ ерігіштігі төмендейді және жұмсарту реакциялары толық өтеді. Графиктен (2 сурет) көретініміздей қалдық кермектілік теорияның мүмкінге жақын суды айтарлықтай қыздырған кезде мүмкін болады. Жұмсарудың жоғары әсерін 35...40^о С кезінде байқалады, одан кейінгі қыздырудың әсері аз болады. Терең жұмсартуды 100^оС-да жүргізеді. 

     

 

     Сурет-2. Әкті – содалы және әкті әдіспен суды жұмсарту кезіндегі жұмсару дәрежесіне температура мен әктің әсері. 

     Тұндырушы реагенттің артық көлемін қосуға ұсынылмайды, өйткені ол кезде қалдық кермектілік артады.

     

     Сондықтан әктің артығын 0,5мг-экв/л-дан артық емес көлемде алуға ұсынылады. Қалдық кермектіліктің әк дозасына тәуелділігі 2 суретте көрсетіледі.

     Әкті  – содалық суды жұмсарту әдісі кезінде натрий гидроксиді және содамен өңдейді.