2.1.2 Электрохимический метод коагуляции примесей воды

Электрохимический метод основан на анодном растворении металла в воде при прохождении через нее электрического тока. Под действием электрического тока металл анода (например, алюминий) переходит в раствор в виде ионов Al³⁺ c последующим их гидролизом (образованием Al(OH)₃) и участием в процессе коагуляции коллоидных и грубодисперсных примесей воды.

На аноде происходит окисление металла с переходом его ионов в раствор: Al – 3ē  Al³⁺

На катоде происходит реакция восстановления. Электроны ассимилируются (присоединяются) молекулами воды с образованием водорода и гидроксильных ионов:

2Н₂О + 2ē Н₂ + 2ОН¯

Ионы алюминия Al³⁺ с гидроксильными ионами ОН¯ образуют гидроксид:

Al³⁺ + 3ОН¯ Al(ОН)₃

Гидроксид сорбируется на поверхности микрочастиц с образованием хлопьев, которые постепенно укрупняются, превращаясь во флокулы. Крупные флокулы под действием силы тяжести отделяются от воды.

Качество воды после обработки должно быть следующее:

-прозрачность - по «кольцу» не менее 45см, по «шрифту» не менее 30см;

-мутность - не более 10 мг/дм³;

-окисляемость снижается на 50-75%;

-кремнесодержание снижается на 50%.

2.1.3 Реагентные методы умягчения воды

Реагентные методы осаждения накипеобразователей основаны на реакциях, в результате которых образуются труднорастворимые соединения, удаляемые из воды в виде осадков. К таким методам относятся известкование, содоизвесткование и другие.

Умягчение воды методами осаждения основано на связывании катионов кальция и магния карбонатными и гидроксильными ионами с образованием труднорастворимых соединений карбоната кальция CaCO₃ и гидроксида магния Mg(OH)₂.

Карбонатные и гидроксильные ионы вводятся в обрабатываемую воду с различными реагентами-осадителями, в качестве которых применяют гашеную известь Ca(OH)₂, кальцинированную соду Na₂CO₃ , иногда - каустическую соду или едкий натр NaOH. Эти реагенты могут применяться, как каждый в отдельности, так и в комбинациях. При повышенной окисляемости воды дополнительно к обработке реагентами-осадителями необходимо предусматривать коагуляцию. В качестве коагулянта применяют железный купорос FeSO₄ ∙ 7 H₂O.

При использовании коагулянта интенсифицируется эффект очистки воды от глинистой взвеси, органических веществ, соединений железа, кремниевой кислоты, веществ, обусловливающих цветность природной воды. При введении коагулянта в воду наряду с гидролизом происходит окисление железа с образованием коллоидного раствора гидроксида железа. Коагулирующий гидроксид сорбируется на поверхности коллоидных и грубодисперсных примесей, связывая их в комплексы. Образующиеся флоккулы, выделяются из воды.

На формирование шлама и на его отделение из воды также влияют дозы реагентов, величина рН, условия ввода реагентов и перемешивания их с водой, температура воды и ее стабильность, скорость восходящего движения воды в осветлителе и количество взвеси в исходной воде.

Качество воды после обработки зависит от технологии осаждения, используемых реагентов и условий проведения процесса. Нормы качества воды, обработанной методами осаждения, следующие:

-прозрачность - по «кольцу» не менее 45см, по «шрифту» не менее 30см;

-мутность - не более 10 мг/дм³;

-окисляемость снижается на 40-60%;

-кремнесодержание снижается на 50%;

-свободная углекислота удаляется полностью;

-бикарбонат-ион не обнаруживается;

-общая щелочность не более 1 мг-экв/дм³ ;

-общая жесткость - при известковании ; при содоизвестковании - не более 0,4 мг-экв/дм³;

-водородный показатель - рН=9,5-10,5;

-содержание сульфат-ионов – увеличивается на дозу коагулянта.

1) Известкование используется для декарбонизации, снижения щелочности воды, частичного умягчения (удаления карбонатной жесткости) и снижения солесодержания. Одновременно из воды удаляются грубодисперсные примеси, органические загрязнения, соединения железа и кремниевой кислоты. При этом протекают реакции:

CO₂ + Ca(OH)₂  CaCO₃ +H₂O;

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ 2CaCO₃ +H₂O;

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂Mg(OH)₂ +2CaCO₃ +H₂O;

4Fe(HCO₃)₂ +8Ca(OН)₂ + O₂ 4Fe(OH)₃ +8CaCO₃ +6H₂O;

Fe₂(SO₄)₃ +3Ca(OH)₂ 2Fe(OH)₃ +3CaSO₄;

H₂SiO₃ + Ca(OH)₂  CaSiO₃ +2H₂O;

H₂SiO₃ +Mg(OH)₂  Mg(OH)HSiO₃ +H₂O

Процесс известкования применяется для вод со щелочностью более 1,5мг-экв/дм³, за исключением вод с большим превышением щелочности над жесткостью воды. При необходимости известкование может совмещаться с коагуляцией. Происходящая при коагуляции в условиях известкования реакция записывается следующим образом:

4FeSO₄ +4Ca(OH)₂ + 2H₂O +O₂  4Fe(OH)₃ + 4CaSO₄

Это значит, что часть извести расходуется на гидролиз коагулянта.

Доза извести зависит от качества исходной воды и определяется расчетом, а затем корректируется. Доза коагулянта выбирается ориентировочно, уточняется расчетом и проверяется в лабораторных условиях. Поскольку остаточная бикарбонатная щелочность в известкованной воде мала, в приближенных расчетах ее величиной, как правило, пренебрегают.

Для вод 1 группы при Ж_Са  Щ_б или Ж_Са + Д_к  Щ_б, если известкование дополняется коагуляцией, доза извести в миллиграмм-эквивалентах на 1дм³ воды определяется уравнением:

,

где Ж_Са, Щ_б – соответственно кальциевая жесткость и бикарбонатная щелочность исходной воды, мг-экв/дм³; Д_к – доза коагулянта, мг-экв/дм³, ориентировочно принятая по таблице 3; - содержание углекислоты, мг-экв/дм³.

Таблица 3

Цветность, град. Pl -Co шкалы	Содержание взвешенных веществ, мг/дм3	Прозрачность по «кольцу», см	Доза безводного коагулянта, мг-экв/дм3
20-30	до 50	45	0.33
30-40	50-100	30	0.39
50-60	100-200	20	0,53
60-70	200-500	10	0,70

Для вод 2 группы при Ж_Са  Щ_б или Ж_Са + Д_к  Щ_б требуется увеличить дозу извести на величину дефицита ионов кальция. Это - случай обработки исходных вод, содержащих магниевую карбонатную жесткость. Для того, чтобы достичь выделения ионов магния, необходимо обеспечить соответствующую концентрацию гидроксильных ионов в известкованной воде, т. е. дозировать известь с избытком. Требуемая доза извести в миллиграмм-эквивалентах на 1дм³ воды в этом случае равна:

,

где И_и – избыток извести, равный 0,1-0,2 мг-экв/дм³.

Уточненная доза коагулянта в миллиграмм-эквивалентах на 1дм³ воды в пересчете на безводное сернокислое железо FeSO₄ составит:

,

гдеС – количество образующейся при умягчении взвеси мг/дм³;

76 – эквивалентная масса FeSO₄.

Количество образующейся при умягчении взвеси определяется по формулам:

- для вод с отношением :

- для вод с отношением :

где С_В- содержание взвешенных веществ в исходной воде, равное 100-400 мг/дм³; а_к –коэффициент, равный 0,5-1,0.

2)Содоизвесткование осуществляется в целях удаления солей не только карбонатной, но и некарбонатной жесткости, при этом кроме реакций, протекающих при известковании, происходят следующие реакции:

CaSO₄ + Na₂CO₃  CaCO₃ + Na₂SO₄

MgCl₂ + Ca(OH)₂  Mg(OH)₂  + CaCl₂;

CaCl₂ + Na₂CO₃  CaCO₃ + 2NaCl

В отличие от известкования в этом способе достигается глубокое умягчение воды. Известково-содовая обработка может совмещаться с коагуляцией примесей воды. Коагуляция достигается при помощи железного купороса. Дозу коагулянта находят по таблице 3 и уточняют аналогично. Количество взвеси определяют по формулам:

-для вод с отношением :

-для вод с отношением :

Дозы извести и соды в миллиграмм-эквивалентах на 1дм³ воды при содоизвестковании определяют по формулам:

,

,

или ,

где Ж_о, Щ_о – соответственно общая жесткость и щелочность воды, мг-экв/дм³; И_и – избыток извести равный 0.2-0,35 мг-экв/дм³, И_с – избыток соды не превышающий 1 мг-экв/дм³.

В отсутствии необходимости удаления коллоидных примесей расчетные дозы извести и соды не включают расход этих реагентов на химические реакции с участием коагулянта.