Технологические показатели качества воды

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

 

 

Кафедра ПТЭ 

 

 

 

 

 

 

•  РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

По курсу  “Физико-химические методы подготовки воды”

                                                        Вариант: 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принял:

Доц. Идрисова К.С.

 

“___”__________2013

 

Выполнил: студент

Группы ТЭС – 10 – 3

Фишер Алексей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2013

      Задание 

 

1. Технологические показатели качества воды.
2. Решите задачу. Считая, что в воде содержаться, только соли  и рассчитайте:

а) солесодержания и рН исходной воды;

б) массу осадка после  термического умягчения воды;

в) количество реагентов, необходимых для умягчения воды методом осаждения (расчет вести  на 100% - ные растворы умягчающих реагентов);

г) солесодержания и рН воды после Na-катионирования; 

д) солесодержания и рН воды после Н-катионирования;

е) солесодержания и рН воды после Н-катионирования и ОН-анионирования.

1. Технологические показатели качества воды.

 

В зависимости от характера использования воды различными потребителями определяются и показатели, необходимые для качественной и количественной характеристики воды. Важнейшими показателями качества воды для использования ее  в теплоэнергетике  являются:

1. концентрация грубодисперсных  веществ  (ГДП);
2. концентрация  истинно растворенных   примесей   (ионный состав);
3. концентрация коррозионно-активных  газов;
4. концентрация ионов   водорода;
5. технологические   показатели,   в   которые   входят   сухой и прокаленный остаток, окисляемость, жесткость, щелочность, кремнесодержание,  удельная электропроводимость  и т. д.

Концентрация  грубодисперсных веществ в воде может быть достаточно точно определена фильтрованием воды через бумажный фильтр с последующим его высушиванием при температуре 378—383 К до постоянной массы. Однако на практике предпочитают использовать методы определения грубодисперсных веществ по прозрачности и мутности воды.

Прозрачность  воды определяют при повышенных концентрациях ГДП в воде при помощи стеклянной трубки, залитой водой, на дне которой расположен шрифт или крест с шириной линий 1 мм. Высота столба воды, при которой определяется хорошая видимость шрифта или креста, является количественной оценкой прозрачности воды. При малых концентрациях ГДП (<3 мг/кг) используют нефелометрический метод, основанный на сравнении мутности анализируемой воды с соответствующим эталоном. Концентрация ГДП может быть также определена по разности значений плотного и сухого остатков, полученных при упаривании 1 кг соответственно не фильтрованной и фильтрованной воды.

Сухой остаток позволяет косвенно судить о солесодержании воды, т. е. о сумме всех анионов и катионов в воде, за исключением ионов Н⁺ и ОН^- . Однако при образовании сухого остатка несколько изменяется ионный состав примесей за счет разложения бикарбонатов. В сухой остаток входит также часть органических и коллоидных примесей. Прокаливание сухого остатка при 1073 К приводит к сгоранию органических примесей и распаду карбонатов. Поэтому разность значений плотного и сухого остатков  позволяет   лишь     ориентировочно    оценить     концентрацию.

 

 

 

 

 

 

 

органических примесей в воде. На практике предпочитают определять концентрацию органических примесей в воде косвенным методом, используя сильные окислители (например, КМпО₄). Поэтому концентрацию органических примесей называют окисляемостью воды и выражают через расход окислителя, необходимого в стандартных условиях для окисления органических примесей, содержащихся в  1 кг воды.

Концентрации  отдельных ионов в воде, мг/кг (или мг-экв/кг), определяют методами химического анализа. Правильность проведения анализа должна подтверждаться выполнением закона электронейтральности  мг-экв/кг. Возможная ошибка  при этом не должна  превышать   1%:

Если ошибка превышает 1%, то следует проверить качество анализа отдельных ионов  или  повторить  весь анализ.

Суммарная концентрация всех катионов и анионов в воде составляет солесодержание воды, при этом не учитываются анионы кремниевой кислоты из-за неопределенности сведений об их концентрации в ионной форме, полуторные оксиды и ионы Н⁺ и ОН^-. В случае крепких растворов ионы Н ⁺ и ОН^-   следует учитывать при подсчете солесодержания.

      Жесткость воды является одним из важнейших показателей, определяющих пути использования воды в теплоэнергетике. Общей жесткостью воды Ж_о называется суммарная концентрация ионов кальция и магния, выражаемая в мг-экв/кг, а при малых значениях — в мкг-экв/кг. По определяющему катиону общая жесткость воды подразделяется на кальциевую Ж_Са и магниевую Ж_Mg. Часть общей жесткости, эквивалентная концентрации бикарбонат ионов и карбонат ионов в воде, называется карбонатной жесткостью Ж_к, а остальная часть, эквивалентная  содержащимся в воде другим анионам (С1^-,SO₄ и др.), называется некарбонатной жесткостью Ж_ик:

 

Общей щелочностью воды Щ_о, мг-экв/кг, называется суммарная концентрация всех анионов слабых кислот и ионов гидроксила за  вычетом  концентрации ионов  водорода:

 

 

Характер анионов слабых кислот, обусловливающих общую щелочность, позволяет подразделять ее на гидратную щелочность (равную концентрации ионов ОН^-), бикарбонатную (НСОз), карбонатную (СОз), силикатную (HSiO₄, SiO₃) и фосфатную (Н₂РО₄,  НРО₄,  РО₄).

Обычно в  природных водах бикарбонатная  щелочность, существенно преобладает над другими видами щелочности, поэтому ее значение без большой погрешности выражает общую щелочность воды. Поправка на концентрацию ионов Н⁺ при определении щелочности вводится при присутствии в воде слабых кислот в свободном состоянии, так как при их диссоциации образуются в эквивалентных количествах анионы слабых кислот и анионы Н ⁺.

Удельная  электропроводимость воды, См/см, характеризуется электрической проводимостью слоя воды, находящегося между двумя противоположными гранями куба с ребром, равным 10^-2 м. Она косвенно связана с суммарной концентрацией примесей в истинно-растворенном состоянии (солесодержанием). В чистой воде, не содержащей примесей, перенос зарядов осуществляется лишь ионами Н⁺ и ОН^-. Удельная электропроводимость такой воды при 293К составляет 0,04 мкСм/см. В растворах связь между электропроводимостью и концентрацией ионных примесей зависит от множества факторов, в том числе от температуры, вида ионов, степени диссоциации, что существенно затрудняет измерения. Более определенная связь существует в растворах при постоянной температуре и степени диссоциации.

Концентрация  растворенных газов в воде зависит от множества факторов: природы газа, температуры воды, степени минерализации воды, парциального давления газа над водой, рН воды и т. п. Это во многих случаях существенно затрудняет их аналитическое определение в технологических процессах и требует специальных методов анализа. Концентрация СО₂ в природной воде существенно зависит от степени углекислотного равновесия и составляет примерно 0,5 мг/кг (10⁵ моль/кг) при 293 К. Концентрация О₂ в значительной степени зависит от содержания в воде органических веществ и температуры. При увеличении температуры от 273 до 308 К концентрация кислорода в чистой воде уменьшается от   14,6 до  6,5 мг/кг.

Окисляемость в некоторой мере характеризует загрязненность воды органическими веществами. Она обычно выражается количеством миллиграммов кислорода, потребных для окисления в определенных условиях органических веществ, содержащихся в 1 кг исследуемой воды, и обозначается мг/кг О₂. Окисляемость не отвечает (не идентична) содержанию в воде органических веществ, так как при условиях ее определения не происходит полного разрушения (окисления) всех органических веществ. Окисляемость может быть выражена также количеством мг/кг КМпО₄, израсходованного на окисление органических веществ.

Под кремнесодержанием понимается концентрация кремниевой кислоты (кремнекислоты, H₂SiO₃) в пересчете на двуокись кремния (SiO₂), находящуюся в исходной воде. Присутствие SiO₂ в питательной воде котельных агрегатов, особенно давлением 4,0 МПа и выше, при некоторых условиях приводит, как показывает опыт, к ряду затруднений в эксплуатации: образуются силикатные накипи, обладающие низкой теплопроводностью; возникает занос проточной части турбин аналогичными соединениями. Поэтому технология обработки исходной воды нередко включает и процесс ее частичного или полного обескремнивания. В настоящее время обескремнивание исходной воды производится с использованием ионитов.

Концентрация SiО₂ в природных водах изменяется в широких пределах (от 5—10 до 90 мг/л). Она уменьшается с увеличением солесодержания (минерализации) воды. Маломинерализованные воды северных районов СНГ, как правило, содержат высокие концентрации кремнекислоты.

В исходных природных  водах кремнекислота находится  как в ионном (HSiO₃), так и в коллоидном   состоянии.   Это   обстоятельство усложняет задачу обескремнивания и химического контроля водного режима котельных агрегатов, так как при ионообменных процессах и химическом контроле в реакцию вступает только ионодисперсная форма кремнекислоты, что следует иметь в виду.

2. Решение задачи.

Дано:

Ж₀=1,5 ммоль-экв/л

Ж_нк=0,8 ммоль-экв/л

V=25 м³ =25000 л

 

а) Солесодержания и рН исходной воды.

 

 Солесодержания –  суммарная концентрация растворенных  в воде солей. 

 

 

Ж_кVM_э=0,7*25*81=1417 г

 ЖнкVMэ=0,8*25*55,5= 1110 г

Соль  образована сильным основанием и сильной кислотой. Её раствор в воде имеет нейтральную реакцию среды рН=7.

Соль  образованная сильным основанием и слабой кислотой при растворении в воде подвергается гидролизу

Константа равновесия этого  процесса, помноженная на молярную концентрацию воды, называется константой гидролиза соли. Её можно вычислить  по формуле:

где К_в=10^-14 – ионное произведение воды; - константа диссоциации по 1-ой ступени.

Уравнения диссоциации  соли бикарбаната кальция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходная концентрация ионов  : 2m/(MV)=2*1417/(162*25000)= 6,998*10^-4моль/л

Определим степень гидролиза  соли

 

 основная реакция среды

 

 

 

б) Масса осадка после термического умягчения воды

 

При термическом умягчении  воды происходит снижение карбонатной  жесткости в соответствии с реакцией

Массу образовавшегося  карбоната кальция  можно определить по закону эквивалентов:

Молярная масса 

Тогда

Определим , сколько  растворяется в 25000 л воды

 произведение растворимости.

 моль/л

Предельная масса растворенного  в 25000 л воды :

г

Таким образом, в осадок при термическом умягчении воды выпадает:

г

Остаточная жесткость  воды равна некарбонатной жесткости  т.е.

ммоль-экв/л

 

 

в) Количество реагентов, необходимых для умягчения воды методом осаждения (расчет вести на 100% - ные растворы умягчающих реагентов)

 

Умягчения воды методом осаждения – это обработка воды химическими реагентами содой и известью. В результате образуются трудно растворимые

вещества  и выводимые в дальнейшем фильтром.

1) При добавления в воду извести снижается карбонатная жесткость воды.

 

 

2) При добавления в  воду соды снижается некарбонатная жесткость воды

Массу использованных реагентов  можно определить по закону эквивалентов:

Молярные массы эквивалентов реагентов

  

Определим массы реагентов  для умягчения воды.

 

г) Солесодержания и рН воды после Na-катионирования

 

При Na – катионировании исходная вода пропускается через слой Na – катионита. При этом ионы Са⁺ из природной воды обмениваются на ионы Na⁺ из катионита:

Обмен происходит по закону эквивалентов т.е.

 или 

Молярные массы эквивалентов солей жесткости и солей натрия:

Тогда солесодержание Na – катионированной воды будет определяться содержанием в воде солей Na⁺

 

 

д) Солесодержания и рН воды после Н-катионирования

 

 При Н – катионировании  природная вода пропускается  через слой Н – катионита.  При этом katⁿ⁺ из обрабатываемой воды обмениваются на ионы Н⁺ из катионита.

 

После полного Н –  катионирования в обработанной воде практически не остается растворенных солей, т.е. солесодержание и жесткость  становится близко к нулю: и . Однако обработанная вода в результате образовавшегося избытка ионов Н⁺ становиться более коррезионно-агресивной, так как уменьшается рН – среды

Обмен катионов происходит по закону эквивалентов:

   

концентрация  ионов  Н⁺ в обработанной воде

Определим рН обработанной воды: