Дегазація води

Дегазаціяводи

1.Класифікація методів дегазації води, теоретичні основи процесу

Видалення з водирозчинених у ній чи утворюються в процесі її обробки газів називають їїдегазацією. Зазвичай з води доводиться видаляти вуглекислоту,сірководень, кисень і рідше метан. Перші три корозійно-активних газуобумовлюють або каталізують процеси корозії металу, а діоксидвуглецю (IV) викликає корозію бетону. Метан, що виділяється з води в процесіїї обробки, утворює з повітрям у приміщенні водоочисного комплексувибухонебезпечну суміш, а сірководень надає воді неприємний запах. Крім того,при водень-катіонітових умягчении і іонітових знесолюванні води, а також признезалізненні і деманганаціі підземних бікарбонатних вод доводиться вирішуватизавдання видалення вільної вуглекислоти. При підготовці живильної води, а такожводи теплоцентралей необхідно видаляти з неї кисень в цілях запобіганнякорозії металу. Звідси стає очевидною необхідність можливо повноговидалення з води розчинених у ній газів. Існуючі методи дегазації водиподіляють на фізичні і хімічні. Сутність фізичних методів дегазаціїполягає в наступному: вода, що містить видаляється газ, наводиться взіткнення з повітрям, якщо парціальний тиск цього газу в повітріблизько до нуля; створюються умови, при яких розчинність газу у водістає мізерно малою. За допомогою першого прийому, аерації води, зазвичайвидаляють вільну вуглекислоту і сірководень, оскільки парціальний тискцих газів в атмосферному повітрі близько до нуля. До другого прийому зазвичайвдаються при знекиснення води. У цьому випадку зважаючи значітелньогопарціального тиску кисню в атмосферному повітрі аерацією води кисеньвидалити не можна, тому воду доводять до кипіння, тоді розчинність всіх газівв ній падає до нуля. Для цього застосовують або нагрівання води, або пониженнятиску до величини, при якій вода кипить без додаткового підігріву ввакуумні дегазатори. В даний час найбільш поширеною теорією, що пояснюємеханізм передачі речовини між рідкою і газоподібною фазами в процесідесорбції, є теорія двошарового поглинання, згідно з якою десорбціязводиться до послідовної дифузії видаляється газу через два прикордонних шару- Рідинний та газовий. При дифузії газу з рідкої фази в газоподібнуконцентрація його і парціальний тиск змінюються в дифузійних плівках.Концентрація газу в рідкій фазі дорівнює концентрації його на кордоні міжрідинної плівкою і основною масою рідини; в рідинної плівці відбуваєтьсязниження концентрації від величини С 1 до С 2 , що відповідаєпарціальному тиску р 2 дифундуючого газу на кордоні розділуфаз; в газовій плівці парціальний тиск дифундуючого газу змінюється відвеличини р 2 до величини р 1 має місце на кордонігазової плівки і основної маси газу, в якій парціальний тискдіффундірующегго газу також дорівнює величині р 1 .

Рис. 19.1. Схемазміни тисків і концентрацій газу на кордоні розділу фаз: 1,4 -газоподібна і рідинна фази; 2, 3 - газова і рідинна дифузійна плівка

За теорією двошаровогопоглинання, загальний опір десорбції Rодносумі опорів, що надаються прикордонними дифузійними шарами:

R= R 1 +R 2 (19.1)

де R 1 -опір рідинного прикордонного шару; R 2 -опір газового прикордонного шару.

Величини, зворотніопорам в пограничних шарах, називають приватними або плівковимикоефіцієнтами десорбції:

(19.2)

Чисельно приватнийкоефіцієнт десорбції дорівнює кількості удаляемого (десорбіруемого) газу,переданого через одиницю площі дотику фаз в одиницю часу прирушійній силі в дифузійній плівці, яка дорівнює одиниці.

Швидкість процесудесорбції розчиненого у воді газу в повітря визначається з виразу

(19.3)

де Т - час, год; А -площа зіткнення рідкої і газоподібної фаз, м 2 ; G-кількість десорбіруемого газу, кг/год

При малій концентраціїдесорбіруемого газу у воді швидкість процесу десорбції визначається середньоюрушійною силою О”С ср і опором процесу дифузії в плівцірідини До ж

(19.4)

Згідно теоріїдвошарового поглинання, кількість десорбіруемого газу

(19.5)

де К про -загальний коефіцієнт десорбції, м/ч, який для випадку десорбціїважкорозчинних газів може бути прирівняний до плівкового коефіцієнту врідинної плівці До ж , А - площа зіткнення рідкої і газоподібноїфаз, м 2 ; О”С ср - середня рушійна сила процесудесорбції, кг/м3, яку для випадків десорбції з малоконцентрованоїрозчинів газів підраховують по рівнянню

тут З вх іЗ вих - концентрації удаляемого газу у воді відповідно на входіїї в апарат і на виході з нього; Із р.Вх і С р.вих -рівноважні концентрації удаляемого газу у воді відповідно при вході її вапарат і на виході з нього.

Таким чином, величинаО”С ср залежить від різниці концентрацій видаляється газу у воді іповітрі.

Основне розрахунковерівняння апаратів для вилучення з води розчинених газів десорбцієюзаписується в наступному вигляді:

(19.7)

де q-продуктивність апарату, м 3 /год

Коефіцієнтопору процесу дифузії в плівці рідини Kmзростаєіз збільшенням відносної швидкості руху води і повітря в десорбері, зпідвищенням температури і збільшенням коефіцієнта дифузії видаляється газу.

З величин, що входять взагальне рівняння десорбції, GіО”С Ср , можуть бути підраховані за заданими умовами роботидегазатора, величина K m обчисленадослідним шляхом або за допомогою теорії подібності. Це рівняння є основним длярозрахунку десорбціонной апаратів. З нього знаходять необхідну поверхнюзіткнення рідкої і газоподібної фаз для забезпечення заданого ефектудегазації, а, отже, і розмір проектованих апаратів.

Для видалення з водирозчинених газів застосовують декілька типів дегазатор: плівкові зрізного роду насадками, що працюють в умовах протитокудегазіруемой води і повітря, що подається вентилятором, барботажние, пінні,вакуумно-ежекційні, вакуумні.

2. Хімічні методидегазації води

В основі хімічнихметодів видалення з води, розчинених газів лежить їх хімічне зв'язування,достигаемое введенням реагентів або фільтруванням через спеціальні завантаження.Для видалення з води кисню застосовують її фільтрування через легкоречовини, що окисляються, наприклад, через сталеві стружки, і обробку сульфитомнатрію або оксидом сірки (1У).

При використанністалевих стружок їх знежирюють і завантажують в спеціальний фільтр. Змістмарганцю в них не повинен перевищувати 0,3%.

У процесі фільтруваннязалізо, окислюючись, зв'язує кисень

4Fe+30 2 = 2Fe 3 0 3 .

Оксид заліза (III)ігідроксид заліза (III), що утворилися в результаті корозії стружок, видаляютьзворотним промиванням. Тривалість контакту води зі стружками залежить відтемператури і зменшується від 25 до 3 хв при збільшенні температури від 20 до 80В° С.

Найчастіше застосовуютьобробку води сульфитом натрію

2Na 2 S0 3 +0 2 = 2Na 2 S0 4 ,абооксидом сірки (IV)

S0 2 + H 2 0 = H 2 S0 3 ,

Утвориться сірчистакислота окислюється киснем, що містяться у воді, до сірчаної кислоти:

2H 2 S0 3 +0 2 = 2H 2 S0 4 .

В якості каталізаторазастосовують солі міді (II) або кобальту (II) у вигляді 0,01%-ного розчину. Длявидалення 1 мг кисню витрачається 4 мг оксиду сірки (IV) або 7,9 мг сульфітунатрію. Крім того, для видалення кисню воду обробляють також гідразином N 2 H 4 .

Гідразин єсильним обескіслорожівающім реагентом:

0 2 + N ... 2 H 4 в†’N 2 + 2Н 2 0.

Ця реакція протікаєзначно швидше, ніж реакція окислення сульфіту натрію. Каталізаторами вданому випадку є металева мідь, скло і активоване вугілля.Реакція знекиснення води гідразином каталітично прискорюється матеріаломстінок котла.

Гідразин застосовують дляобробки води, що йде на харчування прямоточних котлів, оскільки він незбільшує кількості сухого залишку живильної води і не утворює шкідливихлетючих продуктів розкладання. Недоліком методу знекиснення водигідразином є його висока вартість.

Процес зв'язуваннякисню відновниками йде швидко при температурі 95 ... 100 В° С ізакінчується за 1 ... 2 хв, навіть при мінімальному проти, стехіометричногонадлишку (5%) відновника.

Необхідну дозусульфату натрію або оксиду сірки (IV), мг/л, розраховують за формулою

Д = 1,1 ОІ [0 2 ],

де [Про 2 ] -концентрація розчиненого кисню у воді, мг/л; Р - теоретичний витратареагенту на зв'язування 1 мг розчиненого кисню, мг.

Видалення розчиненогокисню без підігріву води може бути досягнуто фільтруваннямїї через електронно-обмінні (ЕО) та електронно-іонообмінні смоли (продуктиконденсації пірогалолу, гідрохінону або пірокатехіна з фенолом іформальдегідом). Відновна здатність вітчизняних електрообменніковнаступна: ЕО-6 - 450; ЕО-7 - 600 ... 800; ЕО-8 - 5000 г-екв/м3. Привикористанні ЕО смол для знекиснення води висота шару смоли у фільтріприймається рівною 2 м, швидкість фільтрування -20 м/ч. Регенеруються фільтри1 ... 2%-ним розчином сульфіту або тіосульфіта натрію.

Електронно-обміннісмоли являють собою катіоніти або аніоніти з веденням в них залізом абоміддю. Продукція, що випускається промисловістю електронно-іонообмінна смола ЕІ-12 маєобмінну здатність по кальцію 500 г-екв/м 3 і поглинальнуздатність по кисню 45 кг Про 2 /м 3 . Регенеруєтьсясмола ЕІ-12 так само, як і смоли ЕО.

На рис. 19.9 показанасхема видалення кисню іонообмін-ником, зарядженим паладієм, звикористанням водню як каталізатора. Залишковий вмісткисню 20 ... , .. 30 мкг/л при вихідному 9,0 мг/л.

Рис. 19.9.Установка знекиснення води за допомогою іоіообменніка з паладієм. 1 -балон з воднем; 2, 3 - введення вихідної і відведення обескіслороженной води; 4 -іонообмінник заряджений паладієм; 5 - шар інертної смоли; 6 - камера змішування

Ефективнезнекиснення води може бути досягнуте в електролізерахз розчинними залізними або алюмінієвими електродами. Знекисненнявідбувається за рахунок катодного і анодного деполяризації, а також хімічногоокислення заліза або алюмінію розчиненим у воді киснем. Для видалення зводи сірководню хімічними методами його окислюють киснем повітря абохлором, крім того, може бути використане взаємодія сірководню зГідроком-сідом заліза (III). Для більш повного видалення сірководню киснемповітря при аерації воду підкислюють сірчаною або соляною кислотою до рН = 5,5.

Дозу кислоти, мг/л, длязниження рН визначають за формулою

де Щ - лужністьвихідної води, мг-екв/л; е 1 - еквівалентна маса кислоти; С -концентрація сірчаної або соляної кислоти в технічному продукті,%.

Очищену воду необхідностабілізувати подщелачіваніе для усунення корозійних властивостей.

Сірководень окислюютьхлором до вільної сірки або до сірчаної кислоти (в залежності віддози хлору). Малі дози хлору (2,1 мг на 1 мг вільного сірководню) окислюютьсірководень до колоїдної сірки:

H 2 S+С1 2 = 2НС1 + S,

яку потімнеобхідно видаляти. У цьому полягає недолік методу. Великі дози хлору(8,4 мг/мг) окислюють сірководень до сірчаної кислоти:

H 2 S+4С1 2 + 4Н 2 0 = H 2 S0 4 +8НС1.

Реакція протікаєдосить повільно і має практичне значення лише при окисленні невеликихкількостей сірководня. Її використовують для видалення залишкового сірководню,наприклад, після аерірованія.

Д. П. Козирєв запропонувавметод видалення сірководню гідроксидом заліза (III) з подальшою регенерацієюутворюється сульфіду заліза (II). В основу цього способу покладено реакції:

в лужному середовищі

2Fe(ОН) 3 +3 H 2 S=Fe 2 S 3 + 6Н 2 0,

в нейтральному середовищі

2Fe(ОН) 2 + 3H 2 S=2FeS+S +6H 2 O.

Практика показала, щовільний сірководень віддаляється цим методом досить повно: вода втрачає запахсірководню, і корозійні властивості. Оброблена вода після 2 .... 3 годвідстоювання вважається придатною для технічних потреб. Воду для питних ігосподарсько-побутових потреб після попередньої обробки вапном (близько 60мг/л у перерахунку на СаО) необхідно відфільтрувати.

Цей метод не новий, вньому оригінально лише отримання гідроксиду заліза (III) електричнимрозчиненням металевого заліза і чавуну та регенерація сульфіду заліза (II),яка відбувається при наявності кисню та води по рівняннях:

2Fe 2 S 3 +6Н 2 0 + 30 2 = 4Fe(ОН) 3 + 6S.

4FeS+ 6Н 2 0 +30 2 = 4Fe(ОН) 3 +4S.

Природнарегенерація протікає повільно. Для прискорення процесу вдаються доштучної регенерації, яка досягається аерірованія або обробкоюречовинами, швидко переводять сірчисті сполуки в гідроксіди (сірчана абосоляна кислота). Для окислення сульфідних сполук застосовують також перманганаткалію:

4KMn0 4 + 3H 2 S->2H 2 S0 4 + 3Mn0 + Mn0 2 + S +3H 2 0.

С. Н. Ліневичзапропонований метод видалення сірководень з води озонуванням. При витраті озону0,5 мг на 1 мг видаляється сірководню утворюється колоїдна сірка:

3H 2 S+ O 2 = 3S+3 Н 2 О,

при витраті озону 1,87мг на 1 мг сірководню образуютс сульфати:

3H 2 S+40 3 = 3H 2 S0 4 .

Для води, що містить 15 ... 20мг/л сірководню, тривалість озонування становить 20 хв, розрахунковий витратаозону - 30 мг/л.

Сірководень окислюєтьсяоксидом хлору (1У). Оптимальним умовами окисленнясульфідів до сульфатів є: доза ClO 2 3,5 мг на 1 мг S2 ~; рН =10 ... 11, тривалість кон такту 10 хв.

На кафедрі "Водопостачання"МГСУ (Николадзе Г. І., Кочіашвілі Г. Г.) розроблена нова схема безвідходногоглибокого видалення з води сірководню (рис. 19.10), що виключає викид ватмосферу видаляється газу, підвищуючи тим самим вирішення питання надійності охоронинавколишнього середовища. Видалення сірководню з підземних вод фільтруванням черезмодифіковану завантаження полягає в адсорбції іонів сірководневихз'єднань на зернах фільтруючого завантаження. Модифікація піщаної завантаженняполягає в тому, що її послідовно обробляють водними розчинами залізногокупоросу і перманганату калію або сульфату натрію і перманганату калію, ввнаслідок чого на поверхні зерен кварцев "го піску при рН середовища6 ... 9утворюється плівка, в складі якої гідроксид заліза і діоксид марганцю.

Модифікація піщаноїзавантаження описується наступним рівнянням:

3FeS0 4 + KMn0 4 +2Н 2 0 =Fe (0H) 3 + Mn0 2 +Fe 2 (S0 4 ) 3 + K0H.

Рис. 19.10.Технологічна схема глибокого видалення з води сірководню фільтруваннямчерез модифіковану завантаження.

1і 5 - подача вихідної і відведення очищеної води; 2 - контактний освітлювач; 3 -скидання розчинів після модифікації завантаження; 4 - переудів; 6 - подача промивноїводи від насоса 7; 8 - резервуар промивної води з тонкошаровими модулями 9; 10 -утилізація осаду; 11 і 14 - бак для приготування розчину КМn0 4 і FeS0 4 ; 12- Насос-дозатор д...ля подачі модифікуючих розчинів по реагентопроводів 13

В основі процесувидалення сірководню за допомогою фільтрування через модифіковане завантаженнялежить явище хе-мосорбціі. При цьому гідроксид заліза і діоксид марганцювступають у взаємодію з сірководнем і гідросульфіду, переводячи їх всульфід заліза і сірку. Прийнята схема очищення гарантує залишковий вмістсірководню у воді менше 0,05 мг/л, що задовольняє вимогам ГОСТ "Водапитна ".

Крім хімічнихспособів окислення сірководню використовують і біохімічний метод. Відомо, щовелику участь в окисленні сульфідних вод беруть серобактерии, якізустрічаються в сірчаних джерелах, стоячих водах і взагалі широко поширені вприроді. Для масового розвитку серобактерій необхідні сірководень і кисень.За даними Г. Ю. Асса, серобактерии окислюють сірководень до сірки, яка, всвою чергу, окислюється в сірчану кислоту:

2H a S+ 0 2 = 2H 2 0 +2 S +529,2 Дж;

2S+ 30 2 +2 Н 2 0= 2H 2 S0 4 +1234,8 Дж.

Для інтенсивноїдіяльності серобактерій необхідно забезпечити нейтралізацію утворюється H2S04.Цеумова здійснимо в тому випадку, якщо вода містить достатню кількістькарбонатів. Описані вище явища лягли в основу використовуваного на практицібіохімічного методу видалення сірководню (рис. 19.11).

Рис. 19.11. Установкабіохімічного вилучення сірководню та води.

1 - трубчастий колодязь ззанурювальним насосом; 8 - відведення обробленої води; 2 - дозатор біогенних (азотних,фосфорних) з'єднань; 3 реактор біохімічного окислення; 7 - повітродувка; 6- Хлоратор; 4 дозатор сульфату алюмінію; 5 - швидкий фільтр.

Технологіявибухобезпечного видалення метану і його гомологів з підземних вод, що виключаєвикид в атмосферу видаляються з води газів, що дозволяє утилізувати їх і зберігатив чистоті навколишнє середовище, розроблена на кафедр "Водопостачання"МГСУ (Г. І. Николадзе, А. С. Сайфуллаев) Вакуум в дегазатор створюють за допомогоюежектора, а для продувки води використовують азот або вуглекислоту (рис. 19.12).Рис. 19.12. Технологічна схема видалення метану з підземних вод вакуумнимспособом з попередніми насиченням вихідної води повітрям (б) або інертнимгазом (а):

дегазація

Література

М.,

1994

М., 1984.

Л., 1985.

очищення води. М., 1984.

Єгоровспорудах. М., 1984.