Водные ресурсы производства

Размещено на http://www.allbest.ru

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ПРОИЗВОДСТВА

Основные источники и характеристики воды

Из всех природных ресурсов наибольшее значение в жизни и деятельности человека, несомненно, имеет вода. Площадь поверхности земного шара, покрытой водой, примерно в 10 раз превышает площадь суши.

Распределение воды характеризуется следующими данными:

мировой океан - 97,57 %,

высокогорные ледники и полярные льды - 2,14 %,

озера и реки - 0,29 %,

водяные пары в атмосфере - около 0,001 %.

Кроме того, значительны объемы подземных вод и воды, связанной химически в различных минералах, составляющей около 7 % массы земной коры. Для промышленных и бытовых нужд применяется только пресная вода, составляющая около 3 % всех запасов воды.

В настоящее время в связи со значительным развитием промышленности непрерывно уменьшаются запасы чистой воды и возрастают объемы бытовых и промышленных сточных вод. Расход воды на душу населения составляет в США 500 - 600 л. в сутки, а в некоторых странах Европы -300 - 400 л. В нашей республике обеспеченность водой на душу населения в два раза больше ее среднего мирового уровня.

Некоторое дополнение к существующим мировым запасам пресной воды можно получить за счет опреснения морских вод. Однако это не может обеспечить все потребности без привлечения обычных источников пресной воды.

Природная вода может использоваться как источник промышленного сырья. В морской воде содержатся почти все элементы периодической системы. Например, в воде содержится 2,8 млрд. т. урана. Если извлечь из воды только0,01 % содержащегося в ней урана, то его хватит для обеспечения энергией всего человечества в течение 100 лет.

К воде, употребляемой в технике и в быту, предъявляются определенные требования в отношении состава и свойств. Качество воды определяется ее физическими и химическими характеристиками, такими как жесткость, общее солесодержание, прозрачность, окисляемость и др. Для оценки пригодности воды для питьевых нужд большое значение имеет токсичность примесей, содержание в ней микробов, запах, цвет и вкус. Для промышленных вод важными показателями являются жесткость, содержание солей и растворенных газов, механических примесей и т. п.

Жесткость воды характеризуется содержанием в ней солей кальция и магния. Различают жесткость воды трех видов: временную, постоянную и общую. Временная (устранимая) жесткость обусловлена наличием в воде бикарбонатов кальция и магния. Эти соли сравнительно легко удаляются из воды при кипячении, так как при этом они переходят в нерастворимые углекислые соли и выпадают в виде плотного осадка.

Постоянная жесткость воды связана с присутствием в ней хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и магния. Эти соли не удаляются при кипячении воды.

Общее солесодержание, или сухой остаток - масса вещества, оставшегося после испарения воды и высушивания полученного остатка при 105 - 110 °С до постоянной массы.

Прозрачность воды характеризуется толщиной слоя воды, через который можно различать без или с помощью фотоэлемента определенное изображение.

Окисляемость воды определяется массой (в миллиграммах) перманганата калия, взаимодействующего с 1 л воды при кипячении.

Кислотность или щелочность воды характеризуется концентрацией водородных ионов или величиной рН. При рН = 6,5 - 7,5 вода считается нейтральной, при рН < 6,5 воду называют кислой, при рН > 7,5 - щелочной.

Допустимое содержание примесей в воде регламентируется соответствующими ГОСТами. Степень вредности примесей определяется их химическим составом и состоянием (дисперсностью). Грубодисперсные взвеси засоряют трубопроводы и аппараты, вызывают образование пробок, снижение производительности аппаратуры и могут даже стать причиной аварий. Примеси в виде коллоидных частиц вызывают вспенивание воды и выбросы в котлах и аппаратах.

Самым общим санитарно-бактериологическим показателем качества воды является количество микроорганизмов, содержащихся в единице ее объема. Эта величина может быть определена путем высева микроорганизмов из исследуемого образца воды небольшого объема на плотную питательную среду и подсчета выросших микробных колоний после определенного срока инкубации.

Классификация вод

Природные воды принято делить на три вида, сильно различающихся по наличию примесей.

Атмосферная вода - вода дождевых и снеговых осадков - характеризуется сравнительно небольшим содержанием примесей, главным образом растворенных газов: кислорода, диоксида углерода, сероводорода, оксидов азота, кислородных соединений серы, органических веществ, которые загрязняют атмосферу в промышленных районах. Атмосферная вода почти не содержит растворенные соли, в частности соли кальция и магния.

Поверхностные воды - речные, озерные, морские - содержат, кроме примесей, имеющихся в атмосферной воде, разнообразные вещества. Почти всегда в ней есть двууглекислые соли кальция, магния, натрия и калия, а также сернокислые и хлорные соли. При содержании солей менее 1 г на 1 кг воды она называется пресной, более 1 г - соленой.

Подземные воды - воды артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров - характеризуются разнообразием состава в зависимости от содержания растворенных солей, вида и структуры почв и горных пород, через которые просачиваются атмосферные воды и воды поверхностных водоемов, образуя подземные водоемы. Фильтрующая способность почв и горных пород обусловливает высокую прозрачность подземных вод и отсутствие в них примесей органического происхождения. Уникальным сырьем для химической промышленности являются минеральные воды, насыщенные различными солями. Так, подземные воды, насыщенные хлористым натрием, служат сырьем для производства соды, едкого натра и хлора. Из подземных рассолов получают также йодистые, бромистые и другие соли.

В зависимости от назначения потребляемая вода условно подразделяется на промышленную и питьевую, в каждой из них содержание примесей регламентируется соответствующим ГОСТом. Питьевая вода в первую очередь освобождается от бактерий; к ней предъявляются особые требования в отношении вкуса, цвета, запаха. Промышленные воды не должны содержать примеси больше допустимой нормы, которая устанавливается в зависимости от вида производства. Вода для прямоточных паровых котлов не должна содержать диоксид углерода и кислород, вызывающие коррозионное разрушение труб, и может содержать сухой остаток не более 0,2 - 0,3 мг/л. Соли в паровых котлах, отлагаясь на внутренней поверхности труб в виде накипи, вызывают снижение теплопроводности их стенок, перегрев труб и преждевременное их изнашивание. Повышенные требования в отношении чистоты предъявляются к воде в производстве полупроводников, люминофоров и некоторых других материалов.

Очистка и обезвреживание воды

В поступающей для потребления воде содержатся самые разнообразные примеси: грубодисперсные и коллоидные частицы - различные силикаты, гидратированная кремниевая кислота; в ней также растворены газы и соли - бикарбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты и др. Очистка воды от примесей (подготовка воды) включает следующие операции: осветление и обесцвечивание, обеззараживание, умягчение, дегазацию и дистилляцию.

Осветление и обесцвечивание природной воды производится с целью удаления из нее механических примесей. Это достигается отстаиванием воды в бетонированных резервуарах большой вместимости (отстойниках) с последующим пропусканием через песчаные фильтры с зернистым фильтрующим слоем. Для осаждения коллоидных примесей в отстойники вводят коагулянты - сульфаты железа или алюминия. Коагулянты в воде гидролизуются с образованием аморфных осадков соответствующих гидроокисей, которые адсорбируют коллоидные примеси и увлекают их на дно резервуара. При образовании гидроксида алюминия снижается солесодержание в воде. Одновременно идет процесс адсорбции на поверхности образовавшегося аморфного осадка органических красящих веществ, в результате чего вода обесцвечивается. Образующийся при коагуляции коллоидный осадок удаляется из воды при отстаивании и фильтровании. Осветление воды путем осаждения взвешенных веществ. Эту функцию выполняют осветлители, отстойники и фильтры. В осветлителях и отстойниках вода движется с замедленной скоростью, вследствие чего происходит выпадение в осадок взвешенных частиц. В целях осаждения мельчайших коллоидных частиц, которые могут находиться во взвешенном состоянии неопределенно долгое время, к воде прибавляют раствор коагулянта (обычно сернокислый алюминий, железный купорос или хлорное железо). В результате реакции коагулянта с солями многовалентных металлов, содержащимися в воде, образуются хлопья, увлекающие при осаждении взвеси и коллоидные вещества.

Коагуляцией примесей воды называют процесс укрупнения мельчайших коллоидных и взвешенных частиц, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения.

Фильтрование -- самый распространенный метод отделения твердых частиц от жидкости. При этом из раствора могут быть выделены не только диспергированные частицы, но и коллоиды.

В процессе фильтрования происходит задержание взвешенных веществ в порах фильтрующей среды и в биологической пленке, окружающей частицы фильтрующего материала. Вода освобождается от взвешенных частиц, хлопьев коагулянта и большей части бактерий.

Обесцвечивание воды, т. е. устранение или обесцвечивание различных окрашенных коллоидов или полностью растворенных веществ, может быть достигнуто коагулированием, применением различных окислителей (хлор и его производные, озон, перманганат калия) и сорбентов (активный уголь, искусственные смолы).

Обеззараживание воды - обязательный процесс очистки воды, используемой для бытовых нужд. Уничтожение болезнетворных микробов и окисление органических примесей достигается хлорированием - введением газообразного хлора, хлорной извести. Атомарный кислород обладает сильными окислительными свойствами, поэтому убивает микроорганизмы и окисляет даже органические примеси. В последние годы обеззараживание питьевой воды производят преимущественно с помощью озона, который получают, создавая тихий электрический разряд в воздухе или в воздухе, обогащенном кислородом. Во время обработки воды озон разлагается с выделением атомарного кислорода.

При обработке воды хлором вода приобретает его запах, при озонировании запах отсутствует, что является существенным достоинством метода. Вода обеззараживается также обработкой ионами серебра и при воздействии ультрафиолетовых лучей и ультразвуковых колебаний.

Устранение запаха - необходимый процесс подготовки воды для питьевых нужд. Появление запаха чаще всего связано с образованием сероводорода при окислении серосодержащих органических веществ. Источником гнилостных запахов могут служить разлагающиеся растительные остатки на дне водоемов и водохранилищ, а также массовое развитие водорослей в водоемах. Уничтожение запахов и привкусов воды достигается ее хлорированием. Для того чтобы после обработки в воде не оставался избыток хлора, ее дехлорируют. При этом избыток хлора либо химически связывается, либо удаляется при пропускании воды через угольные фильтры.

Умягчение и обессоливание воды - основные процессы ее подготовки. Удаление из воды всех солей (всех катионов и анионов) называется обессоливанием, только солей кальция и магния - умягчением. Полное обессоливание воды применяется сравнительно редко (дистиллированная вода). Способы умягчения подразделяются на физические, химические и физико-химические. К физическим способам умягчения воды относятся кипячение, дистилляция и вымораживание. Дистиллированную воду, не содержащую соли, получают перегонкой на специальных дистилляционных установках.

Наиболее экономично применение комбинированных методов, обеспечивающих устранение временной и постоянной жесткости воды, удаление из нее углекислого газа, ионов железа: известково-содового метода в сочетании с фосфатным или химического метода умягчения воды с физико-химическим (например, ионообменным). Ионообменная очистка обеспечивает как умягчение, так и обессоливание воды.

Современным физико-механическим методом умягчения воды является электрохимический, в частности электрокоагуляция. Этот способ очистки воды в электролизерах с растворимыми электродами основан на электрохимическом получении гидроксида алюминия, обладающего высокой сорбционной способностью по отношению к вредным примесям. Перенос электричества при внесении электродов в воду и пропускании тока осуществляют в основном ионы, находящиеся в природной воде. К достоинствам метода электрокоагуляции относятся: высокая сорбционная способность электрохимического Аl(ОН)3, возможность механизации и автоматизации процесса, малые габариты очистных сооружений.

Дегазация воды - удаление из нее растворенных газов - производится химическим и физическим способами. При первом способе газы взаимодействуют с химическими соединениями и удаляются из воды. Например, диоксид углерода удаляют при пропускании воды через фильтр, заполненный гашеной известью, либо добавляют к воде известковое молоко. В обоих случаях образуется соль СаСО3, выпадающая в осадок. Физические способы удаления газов заключаются в аэрации или нагревании воды в вакууме. вода примесь очистка обезвреживание

Предприятия химической и других отраслей промышленности, как правило, имеют сложное хозяйство по обеспечению подготовки воды. При фильтровании воды ее себестоимость увеличивается в 2,5 раза по сравнению с речной осветленной водой; при частичном умягчении - в 8 раз, при обессоливании и полном умягчении - в 10 - 11 раз. В результате доля затрат на водоснабжение и водоотведение в общих капиталовложениях на строительство заводов возрастает до 5 - 20 %.

Производственные и бытовые сточные воды обычно содержат различные органические и неорганические примеси, которые при сливе в водоемы загрязняют их. Действующим в Республике Беларусь законом предусматривается строгая санитарная охрана естественных водоемов. Поэтому спуск промышленных сточных вод в водоемы производится в соответствии с санитарными правилами, которыми определено предельно допустимое содержание веществ в сточных водах.

Способы очистки и обезвреживания сточных вод подразделяются на механические, физико-химические, химические и биологические.

Механические способы очистки сточных вод от механических примесей заключаются в их отстаивании и фильтровании, в частности через полупроницаемые мембраны под давлением.

Физико-химические методы основаны на применении флотации, экстракции и адсорбции вредных примесей, отгонке их с водяным паром.

Разновидностью физико-химических методов являются термические, например испарение воды при нагревании и сжигании органической части сухого остатка.

Химические методы очистки сточных вод основаны на использовании окислительно-восстановительных, электрохимических процессов, реакций нейтрализации и перевода вредных веществ в неактивную безвредную форму.

Биологическую очистку сточных вод в настоящее время следует считать одной из наиболее надежных и эффективных. Механизм процесса биологической очистки заключается в разложении и окислении вредных примесей с помощью микроорганизмов. Среди встречающихся в почве микроорганизмов наиболее многочисленными являются грибы, водоросли и бактерии. Эти организмы «атакуют» содержащиеся в сточных водах органические вещества, которые представляют собой прекрасную питательную среду для микробов и разлагают углеводы, белки, жиры и другие соединения на двуокись углерода, воду и минеральные соли. Различают процессы биологической очистки, протекающие в естественных и искусственно созданных условиях. Биологическая очистка в искусственно созданных условиях проводится на специальных очистных станциях.

Рациональное использование воды

Вода - один из основных видов естественных ресурсов, необходимых для развития промышленности. Растут потребности в воде. Расход воды, например, на современных химических предприятиях составляет несколько миллионов кубических метров в сутки. Завод капронового волокна расходует столько воды, сколько потребляет ее город с населением 120 тыс. человек. Специализированный завод пластмасс, производящий мономеры, по потреблению воды эквивалентен городу с населением 400 тыс. человек, а мощный современный электрохимический комбинат по производству продуктов хлорорганического синтеза - городу с населением 800 тыс. человек. Наряду с этим химические предприятия являются источником сильно загрязненных стоков. Поэтому необходимо обеспечить снижение удельного потребления воды, организацию оборотного водоснабжения на всех крупных предприятиях, широко применять воздушное охлаждение взамен водяного, которое в производстве аммиака и серной кислоты позволяет уменьшить расход воды в 15 - 20 раз.

Рациональное комплексное использование водных ресурсов в условиях ускоренного развития химической и других отраслей промышленности становится крупной технологической, технической и экономической задачей. Рациональное водопотребление должно быть обязательным в каждом технологическом процессе. Для этого необходимо выбирать такие технологические схемы и аппаратуру, которые требовали бы минимального расхода свежей воды и не загрязняли окружающую среду; разрабатывать научно обоснованные нормы расхода воды; расширять использование возвратных вод; повышать эффективность очистки сточных вод; совершенствовать процессы в направлении возможно более полного использования отходов производства для уменьшения потребности в очистных сооружениях. Насколько это важно, можно судить по тому, что в настоящее время затраты на строительство очистных сооружений составляют примерно 20 % от сметной стоимости строительства промышленных предприятий.

Литература

Основная

1. Производственные технологии : учебник / В. В. Садовский [и др.] ; под ред. В. В. Садовского. - Минск : БГЭУ, 2008. - 431 с.

2. Производственные технологии : учеб.-метод. комплекс для студ. спец. 1-25 01 07, 1-25 01 08, 1-25 01 04, 1-26 02 02 / сост. и общ. ред. А. С. Кириенко. - Новополоцк : ПГУ, 2005. - 352 с.

3. Основы технологии важнейших отраслей промышленности : учеб. пособие для вузов : в 2 ч. / под ред. И. В. Ченцова. - Минск : Выш. шк., 1989.

4. Материаловедение и технология материалов : учеб. пособие / В. Т. Жадан [и др.]. - Москва : Металлургия, 1994. - 623 с.

Дополнительная

1. Геллер, Ю. А. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А. Г. Рахштадт. - Москва : Металлургия, 1984. - 383 с.

2. Горюшкин, В. И. Основы гибкого производства деталей машин и приборов / В. И. Горюшкин. - Минск : Наука и техника, 1984. - 15 с.

3. Жалнерович, Е. А. Применение промышленных роботов / Е. А. Жалнерович, А. М. Титов, А. И. Федосов. - Минск : Беларусь, 1984. - 219 с.

4. Кипарисов, С. С. Порошковая металлургия / С. С. Кипарисов, Г. А. Либенсон. - Москва : Металлургия, 1980. - 400 с.

5. Либенсон, Г. А. Основы порошковой металлургии / Г. А. Либенсон. - Москва : Металлургия, 1975. - 198 с.

6. Степанов, Ю. А. Технология литейного производства / Ю. А. Степанов, Г. Ф. Баландин, В. А. Рыбкин. - Москва : Машиностроение, 1984. - 285 с.

7. Технология важнейших отраслей промышленности / под общ. ред. И. В. Ченцова. - Минск : Выш. шк., 1977. - 373 с.

8. Технология важнейших отраслей промышленности / под ред. А. М. Гинберга, Б. А. Хохлова. - Москва : Высш. шк., 1985. - 495 с.

Размещено на Allbest.ru