Удаление из воды растворённых газов

Удаление из воды растворённых газов

Растворимость газов в воде.

 Физические методы удаления из воды растворённых газов.

Природные воды, как правило, содержат значительные количества растворённых газов, таких как – О₂, N_2, СО₂. Реже встречаются сероводород, метан и другие газы.

Удаление из воды растворённых газов, в ряде случаев, производят вследствие того, что О₂, СО₂ и сероводород повышают коррозионную активность воды, а сероводород и метан придают ей неприятные привкусы и запахи.

Обычно применяют физические и химические методы удаления из воды растворённых газов.

Физические – методы основаны на контакте воды, содержащей растворённый газ, с воздухом (аэрация) или другим газом, в котором парциальное давление, удаляемого газа очень мало; создаются такие условия, при которых резко снижается растворимость в воде удаляемого газа.

При помощи метода аэрации обычно удаляют СО₂, метан и сероводород.

Растворённый кислород аэрацией не удаляется, т.к. парциальное давление его в воздухе очень высоко.

При нагревании воды до температуры кипения растворимость газов в ней снижается до 0. Поэтому кипячением воды при атмосферном давлении или вакууме можно удалить из воды все растворённые газы, в том числе и кислород.

Дегазация воды или удаление из воды растворённых газов осуществляется в дегазаторах различных типов. По конструктивному устройству, характеру движения воды и воздуха их можно классифицировать следующим образом:

1. плёночные дегазаторы – представляющие собой колонны, загруженные той или иной насадкой (деревянной, кольцами Рашига и др.), по которой вода стекает тонкой плёнкой. Насадка служит для создания развитой поверхности соприкосновения воды и воздуха, нагнетаемого вентилятором на встречу потоку воды;

2.  барботажные дегазаторы – в которых через слой медленно движущейся воды продувается сжатый воздух;

3. вакуумные дегазаторы – где при помощи специальных устройств (вакуум-насосов или водоструйных эжекторов) создаётся такое давление, при котором вода кипит при данной температуре.

 

Наиболее широкое применение в практике водообработки нашли плёночные дегазаторы и для обескислороживания воды вакуумные или термические дегазаторы.

При проектировании дегазаторов должны быть определены следующие величины:

1. площадь поперечного сечения;

2. необходимый расход воздуха;

3. площадь поверхности насадки.

 

Площадь поперечного сечения дегазаторов определяется по допустимой плотности орошения насадки.

При глубоком удалении из воды углекислоты (до 2-3 мг/л) на дегазаторах загруженных кольцами Рашига (25*25^х3 мм), допустимая плотность орошения насадки составляет 60 м³/м²∙час, удельный расход воздуха 15 м³/м³.

На дегазаторах, загруженных деревянной насадкой из досок, эти величины составляют соответственно: 40 м³/м²∙час и 20 м³/м³.

А при обескислороживании воды на вакуумных дегазаторах допустимая плотность орошения насадки равна 5 м³/м²∙час.

Требуемая площадь поверхности насадок определяется по формуле, которую мы уже писали:

 

F =    G.  

   K ∙ ∆C _ср

Сущность химических методов заключается в использовании определённых реагентов, которые связывают растворённые в воде газы.

Так, обескислороживание воды может быть достигнуто добавлением к воде сульфита Na, сернистого газа или гидразина.

 

При добавлении сульфита Na в воду он окисляется кислородом до сульфата Na:

 

2 Na₂SO₃ + O₂ → 2Na₂SO₄

При применении сернистого газа сначала образуется сернистая кислота:

 

SO ₂ + Н ₂ О → Н ₂ SO ₃

которая кислородом, растворённым в воде, окисляется до серной кислоты:

 

2Н ₂ SO₃ + O₂ → Н ₂ SO₄

При введении в воду гидразина происходит связывание кислорода и выделение инертного газа:

 

N₂ Н₄ + O₂ → 2 Н ₂ O + N ₂ ↑

Данный способ обескислороживания воды является наиболее совершенным, но вместе с тем и наиболее дорогим ввиду высокой стоимости гидразина.

Поэтому этот способ применяется в основном для окончательного удаления кислорода из воды после физических методов её обескислороживания.

Сероводород удаляют из воды при помощи хлора:

· с окислением Н₂S до серы:

 

Н ₂ S + С1 ₂ → S + 2 НС1

· с окислением до сульфатов:

 

 

Н₂ S + 4С1₂ + 4Н₂О → Н₂ S О₄ + 8НС1

Химическим методам дегазации свойственны следующие недостатки:

· необходимость применения реагентов, усложняющих и удорожающих процесс обработки воды;

· возможность ухудшения качества воды при нарушении дозировки реагентов.

Поэтому химические методы газоудаления применяются значительно реже физических.

 

Обессоливание воды

 

Снижение солесодержания воды до степени делающей её пригодной для питья, называется опреснением воды.

Снижение солесодержания воды до нескольких мг или долей мг/л называется обессоливанием воды. Т.е. опреснение воды является частным случаем обессоливания воды.

Природные воды подразделяются на:

1. пресные – общее солесодержание менее 1 г/л;

2. солоноватые - общее солесодержание 1-3 г/л;

3. засоленные - общее солесодержание 3-10 г/л;

4. солёные - общее солесодержание более 10 г/л;

 

Методы обессоливания воды

 

Обессоливание или опреснение воды может осуществляться двумя путями:

I – удаление из солёной воды растворенных солей;

II – извлечение из солёной воды молекул чистой воды.

 

Применение I группы, как правило, не сопровождается фазовым переходом воды в парообразное или газовое состояние.

Применение II группы основывается на изменении агрегативного состояния воды.

Исключением являются методы опреснения воды экстракцией и гиперфильтрацией. В этих методах молекулы Н₂О извлекаются из солёной воды без изменения её агрегативного состояния.

В настоящее время разрабатываются следующие методы обессоливания воды:

I. Методы обессоливания воды без изменения её агрегативного состояния:

1. химический – ионным обменом;

2. химический – осаждением растворённых соединений;

3. электродиализ;

4. экстракция органическими растворителями;

5. гиперфильтрация.

II. Методы обессоливания воды с изменением её агрегативного состояния:

1. дистилляция с использованием обычного топлива, ядерного горючего, солнечного тепла или тепла геотермальных вод;

2. нагрев воды до сверхкритических температур;

3. замораживание с охлаждением воды природным или искусственным холодом и др.

 

 

Выбор метода обессоливания

 

Выбор метода обессоливания воды обусловлен требованиями к качеству обессоленной воды и экономическими соображениями.

Солесодержание воды обусловливает увеличение стоимости её обессоливания. Однако, во всех случаях, при обессоливании воды дистилляцией или замораживанием увеличение содержания исходной воды сказывается в меньшей степени на увеличение стоимости воды, чем при обессоливании воды ионным обменом.

Для иллюстрации сказанного рассмотрим, как влияет солесодержание исходной воды на стоимость обессоливания различными методами.

 

Поэтому обессоливание слабоосновных вод 1-3 г/л производят ионным обменом.

Вод с солесодержанием 3-8 г/л наиболее экономично обессоливать при помощи метода электродиализа.

И наконец сильно солёные воды с солесодержанием 10 г и более обессоливают дистилляцией или замораживанием.

Следует также иметь ввиду, что при обессоливании вод дистилляцией для получения глубокообессоленной воды может потребоваться предварительное умягчение или частичное обессоливание конденсата другими методами, например, ионным обменом.

Стоимость обессоливания воды различными методами существенным образом зависит от производительности установки.

Причём, с увеличением производительности установки, стоимость обессоливания 1 м³ воды уменьшается.

Это обусловлено тем, что с увеличением производительности затраты на строительство вспомогательных сооружений и оборудования, средств управления и автоматизации процесса обессоливания, а также заработная плата обслуживающего персонала увеличиваются лишь в незначительной степени и удельное их значение в стоимости обессоливания воды уменьшается с увеличением производительности установки.

И в заключении этого раздела отметим, что на стоимость опреснения воды хорошо освоенными методами, такими как ионный обмен, электродиализ, дистилляция, помимо солесодержания исходной воды и производительности установки в очень сильной степени зависит от местных условий:

· от стоимости топлива, эл. энергии, реагентов.

Поэтому в каждом конкретном случае выбор метода обессоливания должен быть обоснован сравнением технико-экономических показателей, стоимости обессоливания воды различными методами.

 

Стабилизация воды

Содержащиеся в природных водах соединения угольной кислоты оказывают существенное влияние на многие процессы водоподготовки.

Соотношения между СО₂, НСО₃^- и СО₃^2- в растворе зависят от концентрации водородных ионов.

При температуре 25⁰С это соотношение графически выглядит следующим образом:

 

Причём в водных растворах между различными формами угольной кислоты существует динамическое равновесие, которое характеризуется соответственно равновесными концентрациями:

 

2НСО₃^{- →}_← СО₃^2- + СО₂ + Н₂О

Если концентрация находящаяся в растворе СО₂ больше рН_S равновесной, то по принципу Ле-Шателье данное равновесие будет сдвигаться влево – т.е будет идти следующая реакция:

 

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О → Са(НСО₃)₂

Воду, содержащую свободную углекислоту в концентрации, превышающей равновесную, называют агрессивной.

И, наоборот, при недостатке СО₂ по сравнению с равновесной концентрацией происходит сдвиг данного равновесия вправо с образованием дополнительного количества СО₂ и СО₃^2- и Са, то будет проходить реакция с образованием осадка:

 

Са²⁺ = СО₃^2- → ↓ СаСО ₃

 

Т.е. в данном случае из воды выделяется карбонат Са.

Однако возможны условия, при которых содержание в воде СО₂ совпадает с равновесной концентрацией. Такая вода называется стабильной и она не растворяет и не выделяет карбонат Са.

Оценку стабильности воды можно производить определением концентрации в воде агрессивной углекислоты.

Однако более удобным для практического применения является метод, предложенный Ланжелье.

Согласно этому методу на основе данных химического анализа воды производится определение величины рН, отвечающей равновесному состоянию в растворе углекислых соединений. Для этих целей существует СНиП II-2874-73 и водоснабжение.

Эта величина носит название рН равновесного насыщения воды карбонатом Са и обозначается рН_S (на 1-й лекции).

Ланжелье предложил характеризовать условия стабильности воды с помощью индекса насыщения или как его иногда называют индекса Ланжелье:

 

J = pH - pH_S

и тогда при 1) рН = рН_S  С_СО2 = С_СО2^равн J = 0 – вода стабильная

      при 2) рН < рН_S  С_СО2 > С_СО2^равн J < 0 – вода коррозионная или агрессивная

при 3) рН > рН_S  С_СО2 < С_СО2^равн J > 0 – вода некоррозионная, неагрессивная

 

Для определения показателя стабильности воды можно пользоваться экспериментальным методом: методом карбонатных испытаний.

А именно при помощи метода карбонатных испытаний. Суть метода заключается в следующем:

Исследуемую воду приводят к длительному (~ 2 часа) соприкосновению с СаСО₃ для растворения соли.

После этого определяют щёлочность контактируемой с СаСО₃ воды.

причём, стабильность воды в данном случае характеризуется следующим выражением:

С = Щ _исх  ;

                                                            Щ_кон

Если Щ_исх = Щ_кон, то С = 1 – вода стабильна;

Если С > 1, т.е Щ_исх > Щ_кон – вода просто жёсткая способная выделять из своего состава дополнительно СаСО₃ и при этом щёлочность уменьшается;

Если С< 1, т.е Щ_исх < Щ_кон т.е. произошло растворение СаСО₃ (это мы определили по СО₃^2- иону). Значит вода агрессивная, т.к. растворение СО₃^2- будет происходить только за счёт СО₂ свободной при концентрации последней больше равновесной.

 

 

Теперь рассмотрим, каким образом влияет на коррозию трубопроводов СО₂

 

Удаление из воды растворённых газов

Растворимость газов в воде.

 Физические методы удаления из воды растворённых газов.

Природные воды, как правило, содержат значительные количества растворённых газов, таких как – О₂, N_2, СО₂. Реже встречаются сероводород, метан и другие газы.

Удаление из воды растворённых газов, в ряде случаев, производят вследствие того, что О₂, СО₂ и сероводород повышают коррозионную активность воды, а сероводород и метан придают ей неприятные привкусы и запахи.

Обычно применяют физические и химические методы удаления из воды растворённых газов.

Физические – методы основаны на контакте воды, содержащей растворённый газ, с воздухом (аэрация) или другим газом, в котором парциальное давление, удаляемого газа очень мало; создаются такие условия, при которых резко снижается растворимость в воде удаляемого газа.

При помощи метода аэрации обычно удаляют СО₂, метан и сероводород.

Растворённый кислород аэрацией не удаляется, т.к. парциальное давление его в воздухе очень высоко.

При нагревании воды до температуры кипения растворимость газов в ней снижается до 0. Поэтому кипячением воды при атмосферном давлении или вакууме можно удалить из воды все растворённые газы, в том числе и кислород.

Дегазация воды или удаление из воды растворённых газов осуществляется в дегазаторах различных типов. По конструктивному устройству, характеру движения воды и воздуха их можно классифицировать следующим образом:

1. плёночные дегазаторы – представляющие собой колонны, загруженные той или иной насадкой (деревянной, кольцами Рашига и др.), по которой вода стекает тонкой плёнкой. Насадка служит для создания развитой поверхности соприкосновения воды и воздуха, нагнетаемого вентилятором на встречу потоку воды;

2.  барботажные дегазаторы – в которых через слой медленно движущейся воды продувается сжатый воздух;

3. вакуумные дегазаторы – где при помощи специальных устройств (вакуум-насосов или водоструйных эжекторов) создаётся такое давление, при котором вода кипит при данной температуре.

 

Наиболее широкое применение в практике водообработки нашли плёночные дегазаторы и для обескислороживания воды вакуумные или термические дегазаторы.

При проектировании дегазаторов должны быть определены следующие величины:

1. площадь поперечного сечения;

2. необходимый расход воздуха;

3. площадь поверхности насадки.

 

Площадь поперечного сечения дегазаторов определяется по допустимой плотности орошения насадки.

При глубоком удалении из воды углекислоты (до 2-3 мг/л) на дегазаторах загруженных кольцами Рашига (25*25^х3 мм), допустимая плотность орошения насадки составляет 60 м³/м²∙час, удельный расход воздуха 15 м³/м³.

На дегазаторах, загруженных деревянной насадкой из досок, эти величины составляют соответственно: 40 м³/м²∙час и 20 м³/м³.

А при обескислороживании воды на вакуумных дегазаторах допустимая плотность орошения насадки равна 5 м³/м²∙час.

Требуемая площадь поверхности насадок определяется по формуле, которую мы уже писали:

 

F =    G.  

   K ∙ ∆C _ср

Сущность химических методов заключается в использовании определённых реагентов, которые связывают растворённые в воде газы.

Так, обескислороживание воды может быть достигнуто добавлением к воде сульфита Na, сернистого газа или гидразина.

 

При добавлении сульфита Na в воду он окисляется кислородом до сульфата Na:

 

2 Na₂SO₃ + O₂ → 2Na₂SO₄

При применении сернистого газа сначала образуется сернистая кислота:

 

SO ₂ + Н ₂ О → Н ₂ SO ₃

которая кислородом, растворённым в воде, окисляется до серной кислоты:

 

2Н ₂ SO₃ + O₂ → Н ₂ SO₄

При введении в воду гидразина происходит связывание кислорода и выделение инертного газа:

 

N₂ Н₄ + O₂ → 2 Н ₂ O + N ₂ ↑

Данный способ обескислороживания воды является наиболее совершенным, но вместе с тем и наиболее дорогим ввиду высокой стоимости гидразина.

Поэтому этот способ применяется в основном для окончательного удаления кислорода из воды после физических методов её обескислороживания.

Сероводород удаляют из воды при помощи хлора:

· с окислением Н₂S до серы:

 

Н ₂ S + С1 ₂ → S + 2 НС1

· с окислением до сульфатов:

 

 

Н₂ S + 4С1₂ + 4Н₂О → Н₂ S О₄ + 8НС1

Химическим методам дегазации свойственны следующие недостатки:

· необходимость применения реагентов, усложняющих и удорожающих процесс обработки воды;

· возможность ухудшения качества воды при нарушении дозировки реагентов.

Поэтому химические методы газоудаления применяются значительно реже физических.

 

Обессоливание воды

 

Снижение солесодержания воды до степени делающей её пригодной для питья, называется опреснением воды.

Снижение солесодержания воды до нескольких мг или долей мг/л называется обессоливанием воды. Т.е. опреснение воды является частным случаем обессоливания воды.

Природные воды подразделяются на:

1. пресные – общее солесодержание менее 1 г/л;

2. солоноватые - общее солесодержание 1-3 г/л;

3. засоленные - общее солесодержание 3-10 г/л;

4. солёные - общее солесодержание более 10 г/л;

 

Методы обессоливания воды

 

Обессоливание или опреснение воды может осуществляться двумя путями:

I – удаление из солёной воды растворенных солей;

II – извлечение из солёной воды молекул чистой воды.

 

Применение I группы, как правило, не сопровождается фазовым переходом воды в парообразное или газовое состояние.

Применение II группы основывается на изменении агрегативного состояния воды.

Исключением являются методы опреснения воды экстракцией и гиперфильтрацией. В этих методах молекулы Н₂О извлекаются из солёной воды без изменения её агрегативного состояния.

В настоящее время разрабатываются следующие методы обессоливания воды:

I. Методы обессоливания воды без изменения её агрегативного состояния:

1. химический – ионным обменом;

2. химический – осаждением растворённых соединений;

3. электродиализ;

4. экстракция органическими растворителями;

5. гиперфильтрация.

II. Методы обессоливания воды с изменением её агрегативного состояния:

1. дистилляция с использованием обычного топлива, ядерного горючего, солнечного тепла или тепла геотермальных вод;

2. нагрев воды до сверхкритических температур;

3. замораживание с охлаждением воды природным или искусственным холодом и др.

 

 

Выбор метода обессоливания

 

Выбор метода обессоливания воды обусловлен требованиями к качеству обессоленной воды и экономическими соображениями.

Солесодержание воды обусловливает увеличение стоимости её обессоливания. Однако, во всех случаях, при обессоливании воды дистилляцией или замораживанием увеличение содержания исходной воды сказывается в меньшей степени на увеличение стоимости воды, чем при обессоливании воды ионным обменом.

Для иллюстрации сказанного рассмотрим, как влияет солесодержание исходной воды на стоимость обессоливания различными методами.

 

Поэтому обессоливание слабоосновных вод 1-3 г/л производят ионным обменом.

Вод с солесодержанием 3-8 г/л наиболее экономично обессоливать при помощи метода электродиализа.

И наконец сильно солёные воды с солесодержанием 10 г и более обессоливают дистилляцией или замораживанием.

Следует также иметь ввиду, что при обессоливании вод дистилляцией для получения глубокообессоленной воды может потребоваться предварительное умягчение или частичное обессоливание конденсата другими методами, например, ионным обменом.

Стоимость обессоливания воды различными методами существенным образом зависит от производительности установки.

Причём, с увеличением производительности установки, стоимость обессоливания 1 м³ воды уменьшается.

Это обусловлено тем, что с увеличением производительности затраты на строительство вспомогательных сооружений и оборудования, средств управления и автоматизации процесса обессоливания, а также заработная плата обслуживающего персонала увеличиваются лишь в незначительной степени и удельное их значение в стоимости обессоливания воды уменьшается с увеличением производительности установки.

И в заключении этого раздела отметим, что на стоимость опреснения воды хорошо освоенными методами, такими как ионный обмен, электродиализ, дистилляция, помимо солесодержания исходной воды и производительности установки в очень сильной степени зависит от местных условий:

· от стоимости топлива, эл. энергии, реагентов.

Поэтому в каждом конкретном случае выбор метода обессоливания должен быть обоснован сравнением технико-экономических показателей, стоимости обессоливания воды различными методами.