Химические свойства и строение воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

на тему: “ Химические свойства и строение воды ”

Выполнил: Семидко А.Л.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ И СВОЙСТВА ВОДЫ

2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

3.ПРИРОДНЫЕ ВОДЫ И ИХ СОСТАВЫ

4. ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ

5.КОЛЛОИДНЫЕ ВЕЩЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД И ИХ УДАЛЕНИЕ

6.УМЯГЧЕНИЕ И ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ

7. МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ, ИОННОГО ОБМЕНА, МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Вода - ценнейший природный ресурс. Вода играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном, сельскохозяйственном производстве и тд., а так же общеизвестна и необходимость ее для бытовых потребностей человека. Вода является основой жизни на нашей планете. Она покрывает две трети поверхности Земли оказывает влияние, практически, на все процессы, которые происходят на нашей планете. Живой мир состоит из воды на 70-95%. Вода-это, с одной стороны, простая, но с другой, самая сложная и таинственная субстанция на Земле. Ей посвящено огромное количество научных трудов, но до сих пор она остается неизученной до конца.

1. СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ И СВОЙСТВА ВОДЫ

Свойства химических соединений зависят от того, из каких элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О - Н 0,957 нм; валентный угол Н - О - Н 104^o 27'.

Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле воды, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется - водородной. Она объединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения.

Вода - единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях - жидком, твёрдом и газообразном.

Структура модификаций льда представляет собой трёхмерную сетку. В модификациях, существующих при низких давлениях, так называемый лёд - I , связи Н - О - Н почти прямолинейны и направлены к вершинам правильного тетраэдра. Но при высоких давлениях обычный лёд можно превратить в так называемые лёд - II, лёд - III так далее - более тяжёлые и плотные кристаллические формы этого вещества. Самые твёрдые, плотные и тугоплавкие пока - лёд - VII и лёд - VIII. Лёд - VII получен под давлением 3 млрд Па, он плавится при температуре + 190⁰ C . В модификациях - лёд - II - лёд - VI - с вязи Н - О - Н искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда. Только в модификациях лёд - VII и лёд - VIII достигается самая высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, выстроенные из тетраэдров, вставлены одна в другую, при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей.

Трёхмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде во всём интервале от температуры плавления до критической температуры, равной + 3,98⁰ С. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей.

Искривление водородных связей увеличивается с ростом температуры и давления, что ведёт к возрастанию плотности. С другой стороны при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьщается. Совместное действие двух фактов объясняет наличие максимума плотности воды при температуре + 3, 98⁰ С.

Физические свойства воды аномальны, что объясняется приведёнными выше данными о взаимодействии между молекулами воды.

Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%. Плотность жидкой воды при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. При 0⁰С 1 грамм льда занимает объём 1,0905 кубических сантиметров, а 1 грамм жидкой воды занимает объём 1,0001 кубических сантиметров. И лёд плавает, оттого и не промерзают обычно насквозь водоёмы, а лишь покрываются ледяным покровом.

Температурный коэффициент объёмного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соответственно ниже - 210⁰ С и + 3,98⁰ С.

Теплоёмкость при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале от 0⁰ С до 100⁰ С почти не зависит от температуры.

Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды. Благодаря этой особенности вода формирует климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла, и тем самым “выравнивает” климат. Особенно заметно на формирование климата материков влияют морские течения, образующие в каждом океане замкнутые кольца циркуляции. Наиболее яркий пример - влияние Гольфстрима, мощной системы тёплых течений, идущих от полуострова Флорида в Северной Америке до Шпицбергена и Новой Земли. Благодаря Гольфстриму средняя температура января на побережье Северной Норвегии, за Полярным кругом, такая же, как в степной части Крыма, - около 0⁰С, т. е. повышена на 15 - 20⁰ С. А в Якутии на той же широте, но вдали от Гольфстрима - минус 40⁰ С. А от космического холода предохраняют Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере - в облаках и в виде паров. Водяной пар создаёт мощный “парниковый эффект”, который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не даёт ей охлаждаться. По расчётам М.И. Будыко, при уменьшении содержания водяного пара в атмосфере вдвое средняя температура поверхности Земли понизилась бы более чем на 5⁰ С (с 14,3 до 9⁰ С). На смягчение земного климата, в частности на выравнивание температуры воздуха в переходные сезоны - весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды.

Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.

Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих трудно-растворимых веществ: капля камень точит.

Электролитическая диссоциация воды - причина гидролиза солей слабых кислот и (или) оснований. Степень электролитической диссоциации заметно возрастает при повышении температуры.

Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н⁺ и ОН^-.

Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н₂; Н₂О₂ и свободных радикалов: Н^*; ОН^*; О^*.

Вода - реакционно-способное соединение.

При взаимодействии с F2 образуется НF, а также О2; О3; Н2О2; F2О и другие соединения.

При пропускании паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ.

При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН₄ и другими углеводородами.

Эти реакции используют для промышленного получения водорода.

Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту.

Вода взаимодействует со многими металлами с образованием Н₂ и соответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочноземельными металлами (кроме Мg ) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду при повышенной температуре, например, Мg и Zn - выше 100⁰С; Fe - выше 600⁰С.

При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания.

Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI₂ только в присутствии следов воды.

Иногда вода - каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH₃.

Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО₂, CI₂, (CH₂)₂O, CHCI₃ и многими другими веществами газовые гидраты.

2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ В РАЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способам его создания различают два основных метода кристаллизации:

1) охлаждение горячих насыщенных растворов (изогидрическая или политермическая кристаллизация)

2) удаление части растворителя путем выпаривания (изотермическая кристаллизация).

Растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов возникает пересыщение, обусловливающее выделение кристаллов. Этот метод также получил название изогидрической (политермической) кристаллизации, поскольку при его осуществлении количество растворителя (например, воды) остается постоянным.

Перевод исходного раствора, в пересыщенное состояние можно осуществить и за счет частичного удаления растворителя при выпаривании раствора. Такой метод получил название изотермической кристаллизации, так как выпаривание насыщенного раствора происходит при постоянной температуре его кипения.

При добавлении к раствору вещества, понижающего растворимость выделяемой соли, можно вызвать пересыщение раствора и кристаллизацию. Подобный метод кристаллизации получил название высаливания.

Вещества, добавляемые в раствор, обычно имеют одинаковый ион с кристаллизуемой солью. Характерными примерами процессов высаливания являются: кристаллизация железного купороса из травильных растворов, при добавлении в них концентрированной серной кислоты; высаливание NaCI из рассолов за счет введения в них хлористого магния или хлористого кальция; получение безводного сульфата натрия, добавлением к его растворам NaCI; высаливание поваренной солью хлористого бария, из гидросульфидных щелоков и др.

Введение органических растворителей в водные растворы неорганических солей увеличивает эффективность процесса кристаллизации, обеспечивая высокую степень извлечения соли из раствора и возможность получения продукта в чистом виде. Недостатком этого способа является сравнительно высокая стоимость органических растворителей, регенерация которых требует проведения дополнительных операций (например, ректификации и дистилляции) и связана с некоторой потерей реагента.

В органической технологии для кристаллизации из органических растворителей в качестве высаливающей добавки часто используется вода, резко снижающая растворимость кристаллизуемых веществ.

Пересыщение можно создать за счет проведения химических реакций. Образующееся в результате вещество выделяется в виде кристаллической фазы из раствора. Такой химический метод кристаллизации используется в аналитической практике, а также в ряде технологических схем.

Так, например, при очистке природных и сточных вод чаще всего проводят кристаллизацию карбонатов, сульфатов и гидроокисей металлов, обладающих незначительной растворимостью. Использование при очистке кристаллизации труднорастворимых соединений обусловлено главным образом одной причиной - полнотой осаждения. Следует, однако, отметить, что в определенных условиях остаточные пересыщения при кристаллизации труднорастворимых соединений могут быть значительными. Наблюдаемая картина связана с особой способностью таких веществ образовывать устойчивые пересыщенные растворы.

Так как пересыщенные растворы веществ с малой растворимостью образуются в результате химических реакций, в принципе можно добиться очень большого исходного пересыщения. Следовательно, одной из отличительных черт осаждения труднорастворимых соединений является то, что они кристаллизуются в широком интервале пересыщений, а это дает возможность проводить процесс фазообразования в самых разнообразных вариантах. Создавая различные исходные пересыщения, можно вести осаждение и очень быстро, и очень медленно, получая при этом осадки разнообразного гранулометрического состава. От скорости кристаллизации в свою очередь зависят конечные размеры и форма кристаллов.

3. ПРИРОДНЫЕ ВОДЫ И ИХ СОСТАВЫ

Водная среда включает поверхностные и подземные воды.

Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. кубических километров--около 98% всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. квадратных километров. Она примерно в 2,4 раза больше площади суши территории, занимающей 149 млн. квадратных километров. Вода в океане соленая, причем большая ее часть (более 1 млрд. кубических километров) сохраняет постоянную соленость около 3,5% и температуру, примерно равную 3,7^oС. Заметные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 метров.

Подземные воды бывают солеными, солоноватыми (меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру(более 30`С). Для производственной деятельности человечества и его хозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода, количество которой составляет всего лишь 2,7% общего объема воды на Земле, причем очень малая ее доля (всего 0,36%) имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть пресной воды содержится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся в районах в основном Южного полярного круга. Годовой мировой речной сток пресной воды составляет 37,3 тыс. кубических километров. Кроме того, может использоваться часть подземных вод, равная 13 тыс. кубическим километрам. При отсутствии пресной воды используют соленую поверхностную или подземную воду, производя ее опреснение или гиперфильтрацию: пропускают под большим перепадом давлений через полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, задерживающими молекулы соли.

Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впрочем, некоторые из них, например коклюш, ветрянка, туберкулез, передаются и через воздушную среду.

Вода - инертный растворитель; химически не изменяется под действием большинства технических соединений, которые она растворяет. Это очень важно для всех живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно мало измененном виде. В природных условиях вода всегда содержит то или иное количество примесей, взаимодействия не только с твердыми и жидкими веществами, но растворяя также и газы.

Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделить несколько десятков миллиграммов различных растворенных в ней веществ на каждый литр объема. Абсолютно чистую воду никогда и никому ещё не удавалось получить ни в одном из её агрегатных состояний; химически чистую воду, в значительной мере лишенную растворенных веществ, производят путем длительной и кропотливой очистки в лабораториях или на специальных промышленных установках.

В природных условиях вода не может сохранить “химическую чистоту”. постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, она фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного свойства. В пресной воде содержание растворенных веществ обычно превышает 1 г./л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблются содержание солей в морской воде: например, в Балтийском море их всего 5 г./л., в Чёрном - 18, а в Красном море - даже 41 г./л.

Следует отметить особое свойство воды - её высокое поверхностное натяжение. В этом отношении из всех видов жидкостей вода уступает только ртути. Подобное свойство воды во многом обусловлено водородными связями между отдельными молекулами H₂O. Особенно наглядно проявляется поверхностное натяжение в прилипании воды ко многим поверхностям - смачивании. Установлено, что вещества - глина, песок, стекло, ткани, бумага и многие другие, легко смачиваемые водой, непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Такой факт оказался ключевым при объяснении природы смачивания: энергетически не уравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовать дополнительные связи с “чужими” атомами кислорода.

Происходящее в почвах процессы окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение углекислоты, поэтому в воде при фильтрации её через почву возрастает содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных вод карбонатами кальция, магния и железа, с образованием растворимых в воде кислых солей.

Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в тех или иных количествах. Большую роль в формировании химического состава воды играют подстилающие почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение, фильтруясь и растворяя некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают воды осадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль и др. В свою очередь почва и породы обладают способностью адсорбировать из природной воды некоторые ионы ( например, Ca²⁺ , Mg²⁺ ), замещая их эквивалентным количество других ионов ( Na⁺ , K⁺ ).

Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные породы (граниты, кварцевые породы и т.д.) почти нерастворимы в воде и содержащей углекислоту и органические кислоты.

Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат - ион также распространен повсеместно. Основным источником растворенных в воде сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат - иона обычно выше, чем в воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных водоемах в наибольших количествах находится ион натрия, который является характерным ионом сильноминерализованных вод морей и океанов.

Ионы кальция и магния в маломинерализованных водах занимают первое место. Основным источником ионов кальция является известняки, а магния - доломиты (MgCO₃ ,CaCO₃). Лучшая растворимость сульфатов и карбонатов магния позволяет присутствовать ионам магния в природных водах в больших концентрациях, чем ионов кальция.

Соединения азота в природной воде представлены ионами аммония, нитритными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами.

Соединения железа очень часто встречаются в природных водах, причем переход железа в раствор может происходить под действием кислорода или кислот. Так например, при окислении весьма распространенного в породах пирита получается сернокислое железо, а при действии угольной кислоты - карбонат железа.

Помимо веществ ионного тапа природные воды содержат также газы и органические и грубодисперсные взвеси. Наиболее распространенными в природных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источником кислорода является атмосфера, углекислоты - биохимические процессы, происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы.

Из органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфяников, сапропелитов и др.). Большая часть из них находится в коллоидном состоянии. В самих водоемах органические вещества непрерывно поступают в воду в результате отмирания различных водных организмов. При этом часть из них остается взвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад.

Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутность природных вод, представляют собой вещества минерального и органического происхождения, смываемые с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время весенних паводков.

4. ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ

Жёсткость воды - свойство воды (не мылиться, давать накипь в паровых котлах), связанное с содержанием растворимых в ней соединений кальция и магния, это параметр, показывающий содержание катионов кальция, магния в воде.

Жесткость - это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение. Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях и пр., чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Такой тонкий слой на греющей поверхности вовсе не безобиден, так как продолжительность нагревания через слой накипи, обладающей малой теплопроводностью, постепенно возрастает, дно прогорает все быстрее и быстрее - ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться так, что дно сосуда не выдержит и даст течь. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы

Жесткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает еще и моющие свойства мыла. Катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая вода плохо мылится.

Существует два типа жесткости: временная и постоянная. Обусловлено это различие типом анионов, которые присутствуют в растворе в качестве противовеса кальцию и магнию.

Временная жесткость связана с присутствием в воде наряду с катионами Ca²⁺, Mg²⁺ и Fe²⁺ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO₃^-).

Постоянная жесткость (или некарбонатная) возникает, если в растворе присутствуют сульфатные, хлоридные, нитратные и другие анионы, соли кальция и магния которых хорошо растворимы и так просто не удаляются. Общая жесткость определяется как суммарное содержание всех солей кальция и магния в растворе.

Чтобы избавиться от временной жесткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.

С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO₃ неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)₃, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.

С постоянной жесткостью бороться труднее. Один из вариантов: вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лед превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жесткость, остаются в не замершей воде.

Еде один способ - перегонка, то есть, испарение воды с последующие ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются, а вода испаряется.

Но такие методы, как замораживание и перегонка пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность же имеет дело с тоннами. Поэтому используют другие методы. Наиболее широко используется катионообменный способ, основанный на применении специальных реагентов - катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия.

5. КОЛЛОИДНЫЕ ВЕЩЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД И ИХ УДАЛЕНИЕ

Очистка сточных вод -- лишь одно из направлений защиты гидросферы, прежде всего, поверхностных вод от антропогенных загрязнений. Главный путь защиты гидросферы, так же. как и атмосферы и литосферы -- поиск технологий, исключающих образование значимых количеств вредных твердых и жидких отходов, вредных примесей в сточных водах и отходящих (в атмосферу) газов, что входит составной частью в главное направление деятельности сегодняшней техносферы -- создание безотходных и малоотходных технологий. Такие технологии предполагают комплексную переработку сырья с использованием всех его компонентов на базе безотходных процессов, создание продукции с учетом требований ее повторного использования, переработку отходов производства и потребления с получением товарной продукции или любое полезное их использование без нарушения экологического равновесия, использование замкнутых систем промышленного водоснабжения и др. Число таких технологий непрерывно возрастает. Так, для угольных тепловых станций (ТЭС) разработаны «сухие», без использования воды, системы золошлакоудаления. что полностью исключает проблему очистки стоков из систем гидрозолоудаления современных угольных ТЭС. Разработаны и успешно реализуются бессточные системы водоподготовки на ТЭС. Можно подумать, что разработка и совершенствование принципов, методов и средств очистки сточных вод от вредных примесей -- временное явление, которое прекратится с разработкой безотходных и малоотходных технологий. Это справедливо лишь отчасти.

В большом числе случаев принципы, методы, средства очистки сточных вод (равно как и отходящих газов) могут быть использованы в новых технологиях, так что прогресс в области средств очистки способствует созданию малоотходных и безотходных технологий. Методы очистки сточных вод весьма разнообразны и предопределяются физико-механическими, физическими, химическими и микробиологическими (биологическими) характеристиками содержащихся в них примесей.

Существующие методы очистки воды весьма различны как по достижимой эффективности, так и по капитальным и эксплуатационным затратам, требующимся для их осуществления. Выбор рационального способа очистки должен осуществляться с учетом этих обстоятельств, при обязательном условии детального ознакомления с производством.

Существует несколько видов классификации методов очистки.

Все методы очистки сточных вод могут быть разделены на две группы: деструктивные и регенеративные.

Под деструктивными понимают такие методы, при которых загрязняющие воду вещества подвергаются разрушению. Образующиеся продукты распада удаляются из воды в виде газов или осадков или остаются в растворе, но уже в обезвреженном виде. Чаще всего происходит это при использовании естественных или искусственных окислительных процессов.

Регенеративные методы решают две задачи: очистку сточных вод и утилизацию ценных веществ. Практически нередко приходится совмещать обе группы методов, а также проводить стадии предварительной очистки и доочистки.

Методы очистки сточных вод подразделяются также на гидромеханические, физико-химические, термические, химические, электрохимические, биохимические.

Производственные сточные воды в зависимости от вида загрязняющих веществ и их концентрации, а также от количества сточных вод и мест их образования отводятся несколькими самостоятельными потоками. Целесообразность разделения или объединения отдельных потоков является одним из наиболее актуальных вопросов, от правильного решения которого зависит сметная стоимость строительства и затраты на эксплуатацию очистных сооружений, надежность охраны водоемов от загрязнения и рентабельность основного производства.

Не всегда целесообразно совместное отведение даже сточных вод одинакового состава, но различных по концентрации в них загрязняющих веществ. Если эти вещества представляют товарную ценность, то экономичнее извлекать их из наиболее концентрированных сточных вод и уже, потом смешивать слабо-концентрированные сточные воды для их последующей очистки.

Раздельная очистка сточных вод предпочтительнее и в том случае, если загрязняющие вещества легко удаляются из воды.

Нецелесообразно объединение сточных вод, содержащих значительное количество механических примесей минерального происхождения, а также нефть и масло, с бытовыми сточными водами. Такое объединение усложняет технологию очистки, препятствует возможности повторного использования производственных сточных вод и извлечении из них ценных примесей.

Во всех случаях очистки стоков первой стадией является механическая очистка, предназначенная для удаления взвесей и дисперсно-коллоидных частиц. Это процессы процеживания на решетках и ситах, отстаивания в песколовках, отстойниках и нефтеловушках, осветление в осветлителях со слоем взвешенного осадка и контактных осветлителях, центрифугирование в гидроциклонах, фильтрование через фильтрующие перегородки или зернистые материалы.

Значительно более сложные методы приходится применять для очистки воды от коллоидных и тем более растворенных частиц. Выбор метода зависит от того, в каком состоянии находится вещество -- коллоидном, молекулярном или диссоциированном на ионы.

Для удаления коллоидных частиц используют физико-химические методы -- флотацию, коагуляцию и флокуляцию, нарушающие кинетическую устойчивость коллоидных частиц.

Физико-химические методы применяются также для удаления растворенных примесей. Для веществ, находящихся в молекулярном состоянии, успешно используются различные сорбенты, десорбция аэрированием, экстракция, дистилляция, мембранные методы. Для извлечения веществ, диссоциированных на ионы, пригодны ионный обмен, обратный осмос, магнитная обработка воды.

Химические методы очистки являются деструктивными, но наиболее изученными и до сих пор широко применяемыми из-за высокой степени очистки. К ним можно отнести использование реакцией химического взаимодействия при объединении различных стоков (чаще всего в целях нейтрализации кислых и щелочных сточных вод, а в некоторых случаях, с целью удаления содержащихся в стоках компонентов в виде малорастворимых соединений), окислительно-восстановительные процессы (хлорирование, озонирование, окисление кислородом воздуха и др.).

В последнее время все более широкое распространение получают электрохимические метода -- анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляция, электрофлотация, электродиализ. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Они позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, недостаток электрохимических методов -- их высокая энергоемкость.

Если в сточных водах имеются весьма вредные вещества, применяют термические методы, позволяющие уничтожить эти примеси например, при сжигании. Такой процесс применим для обезвреживания органических примесей сточных вод. Для очистки минерализованных сточных вод из термических методов можно использовать выпаривание, адиабатное испарение, вымораживание и др.

6. УМЯГЧЕНИЕ И ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ

Под умягчением воды подразумевается процесс удаления из нее катионов жесткости, т.е. кальция и магния. В соответствии с ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" жесткость воды не должна превышать 7 мг-экв/л. Отдельные виды производств к технологической воде предъявляют требования глубокого ее умягчения, т.е. до 0,05.0,01 мг-экв/л. Обычно используемые водоисточники имеют жесткость, отвечающую нормам хозяйственно-питьевых вод, и в умягчении не нуждаются. Умягчение воды производят в основном при ее подготовке для технических целей. Так, жесткость воды для питания барабанных котлов не должна превышать 0,005 мг-экв/л. Умягчение воды осуществляют методами: термическим, основанным на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживании; реагентными, при которых находящиеся в воде ионы Ca (II) и Mg (II) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения; ионного обмена, основанного на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы Na (I) или Н (1) на ионы Са (II) и Mg (II), содержащиеся в воде диализа; комбинированным, представляющим собой различные сочетания перечисленных методов.

Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями. В соответствии с рекомендациями СНиПа при умягчении подземных вод следует применять ионообменные методы; при умягчении поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды, - известковый или известково-содовый метод, а при глубоком умягчении воды - последующее катионирование

Термический метод умягчения воды целесообразно применять при использовании карбонатных вод, идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами умягчения воды. Он основан на смещении углекислотного равновесия при ее нагревании в сторону образования карбоната кальция.

Равновесие смещается за счет понижения растворимости оксида углерода (IV), вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить оксид углерода (IV) и тем самым значительно снизить карбонатную кальциевую жесткость. Однако, полностью устранить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция хотя и незначительно, но все же растворим в воде.

Умягчение воды реагентными методами основано на обработке ее реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения: Mg (OH) ₂, СаС0₃, Са₃ (Р0₄) ₂, Mg₃ (P0₄) ₂ и другие с последующим их отделением в осветлителях, тонкослойных отстойниках и осветлительных фильтрах. В качестве реагентов используют известь, кальцинированную соду, гидроксиды натрия и бария и другие вещества.

Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарботаной жесткости, а также в случае, когда не требуется удалять из воды соли некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде раствора или суспензии (молока) в предварительно подогретую обрабатываемую воду. Растворяясь, известь обогащает воду ионами ОН - и Са²⁺, что приводит к связыванию растворенного в воде свободного оксида углерода (IV) с образованием карбонатных ионов и переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные.

При известково-содовом методе умягчения воды образующиеся карбонат кальция и гидроксид магния могут пересыщать растворы и долго оставаться в коллоидно-дисперсном состоянии. Их переход в грубодисперсный шлам длителен, особенно при низких температурах и наличии в воде органических примесей, которые действуют как защитные коллоиды. При большом их количестве жесткость воды при реагентном умягчении воды может снижаться всего на 15-20%. В подобных случаях перед умягчением или в процессе его из воды удаляют органические примеси окислителями и коагулянтами.

Содово-натриевый метод обычно применяют для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного больше некарбонатной. Если карбонатная жесткость приблизительно равна некарбонатной, соду можно совсем не добавлять, поскольку необходимое ее количество для умягчения такой воды образуется в результате взаимодействия гидрокарбонатов с едким натром. Доза кальцинированной соды увеличивается по мере повышения некарбонатной жесткости воды.

Содорегенеративный метод, основанный на возобновлении соды в процессе умягчения, применяют при подготовке воды, для питания паровых котлов низкого давления. Недостаток этого метода состоит в том, что образование значительного количества СО₂ в процессе умягчения вызывает коррозию металла и повышение сухого остатка в котловой воде.

Бариевый метод умягчения воды применяют в сочетании с другими методами. Вначале вводят барий содержащие реагенты в воду (Ва(ОН)₂, ВаСО₃, ВаА1₂0₄) для устранения сульфатной жесткости, затем после осветления воды ее обрабатывают известью и содой для доумягчения.

Из-за высокой стоимости реагентов бариевый метод применяют очень редко.

Оксалатный метод умягчения воды основан на применении оксалата натрия и на малой растворимости в воде образующегося оксалата кальция (6,8 мг/л при 18° С)

Метод отличается простотой технологического и аппаратурного оформления, однако, из-за высокой стоимости реагента его применяют для умягчения небольших количеств воды.

Фосфатирование применяют для доумягчения воды. После реагентного умягчения известково-содовым методом неизбежно наличие остаточной жесткости (около 2 мг-экв/л), которую фосфатным доумягчением можно снизить до 0,02-0,03 мг-экв/л.

Диализ - метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Под действием градиента концентрации (по закону действующих масс) растворенные вещества с различными скоростями диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора. Растворитель (вода) диффундирует в обратном направлении, снижая скорость переноса растворенных веществ. Диализ осуществляют в мембранных аппаратах с нитро - и ацетатцеллюлозными пленочными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны для умягчения воды определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы

В последнее время в отечественной и зарубежной практике для борьбы с накипеобразованием и инкрустацией успешно применяют магнитную обработку воды.

Сущность данного метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки (шлам) удаляют при продувке. Метод эффективен при обработке вод кальциево-карбонатного класса, которые составляют около 80% вод всех водоемов нашей страны и охватывают примерно 85% ее территории.

Обработка воды магнитным полем получила широкое применение для борьбы с накипеобразованием в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления и малой производительности, в тепловых сетях и сетях горячего водоснабжения и различных теплообменных аппаратах, где применение других методов обработки воды экономически нецелесообразно. В сравнении с умягчением воды основными преимуществами ее магнитной обработки являются простота, дешевизна, безопасность и почти полное отсутствие эксплуатационных расходов.

Термические методы обессоливания воды являются старейшими методами получения пресной воды.

Дистилляция - это перевод воды в паровую фазу с последующей ее конденсацией. Для испарения воды требуется подвести, а при конденсации пара - отвести тепло фазового перехода. При образовании пара в него наряду с молекулами воды переходят и молекулы растворенных веществ в соответствии их летучестью. Важнейшим преимуществом данного метода являются минимальные количества используемых реагентов и объем отходов, которые могут быть получены в виде твердых солей. Тепловая и экономическая эффективность метода определяется режимом испарения и степенью рекуперации тепла фазового перехода при конденсации пара. По характеру использования дистилляционные установки подразделяются на одноступенчатые, многоступенчатые и термокомпрессионные. Наибольший интерес представляет использование выпарных установок в сочетании с ионообменными и реагентными схемами. В этих условиях, возможно, оптимизировать расход реагентов, тепла и решить как экономические, так и экологические проблемы. Термический метод позволяет обессолить воду с любым солесодержанием.

Опреснение вымораживанием - этот метод основан на том, что образование кристаллов льда при снижении температуры ниже 0 градусов происходит только из молекул воды (явление криоскопии). Вследствие этого пресная вода выделяется в виде льда из раствора. Раствор становится все более и более концентрированным. Если затем слить образовавшийся рассол и растопить лед, то получится обессоленная вода.

Этот метод является крайне трудоемким, тем более что автоматизировать его очень сложно. Степень очистки таким методом сложно спрогнозировать и возможно потребуется несколько циклов замораживания-размораживания, чтобы получить действительно обессоленную воду. Кроме того, нельзя гарантировать полной дезинфекции этой воды. Есть и еще одна особенность, связанная с данным методом. Это накопление концентрации так называемой тяжелой воды, химически такой же, как и обычная, но имеющей в своем составе более тяжелый изотоп водорода, который является радиоактивным. Тяжелая вода замерзает первой и сразу включается в состав образующегося льда. Избежать этого можно, только если убирать первую корочку льда, образующуюся в самом начале вымораживания. Это еще больше усложняет и без того не простую методику.

7. МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ, ИОННОГО ОБМЕНА, МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ

Современные технологии позволяют изготавливать объемные или плоские фильтрующие материалы с однородными каналами практически любого размера.

Мембранный метод основан на пропускании загрязненного раствора через полупроницаемую перегородку с отверстиями меньшими, чем размер частиц загрязнений.

Мембранные процессы включают в себя:

· макрофильтрацию;

· микрофильтрацию;

· ультрафильтрацию;

· нанофильтрацию;

· обратный осмос.

Макрофильтрация - это механическая фильтрация с удалением крупных видимых твердых частиц с размером пор 1-100 мкм. Как правило осуществляется на металлических и полимерных сетках различного типа с регенерацией обратным током очищенной воды.

Микрофильтрация - удаляет мелкие взвеси и коллоидные частицы, микроорганизмы(бактерии) с размером 0,1-1,0 мкм, определяемые как мутность или опалесценция раствора. Рабочее давление от 1,0 до 2,0 атм.

Ультрафильтрация - извлекает из воды коллоидные частицы, микроорганизмы (бактерии и вирусы), крупные органические макромолекулы, определяющие цветность воды, имеющие размер 0,01-0,1 мкм и молекулярную массу более 1000 дальтон. Рабочее давление от 0,7 до 7,0 атм.

Обратный осмос или нанофильтрация - очень близки по механизму разделения, схеме организации процесса, рабочему давлению, мембранам и оборудованию.

Обратный осмос - характеризуется использованием мембран с минимальным размером пор, соизмеримым с размером одиночных ионов, поэтому извлекаются все растворенные ионы и органические молекулы. Рабочее давление от 7 до 70 атм.

При опреснении воды методом обратного осмоса пресную воду отделяют от растворенных в ней солей при помощи мембраны, проницаемой для воды, но непроницаемой для солей. Для этого необходимо наличие селективной мембраны, пропускающей только воду, но задерживающей растворенные в ней вещества. Если поместить такую мембрану между рассолом и пресной водой, тенденция к выравниванию концентраций по обе стороны мембраны заставит воду проникать через мембрану в рассол. Этому процессу можно воспрепятствовать, прикладывая давление со стороны рассола. При достаточно большом давлении проникновение воды через мембрану в рассол прекратится. Давление, необходимое, чтобы воспрепятствовать просачиванию воды через мембрану в раствор, называется осмотическим. Для морской воды при нормальных условиях осмотическое давление составляет приблизительно 25 атм.

Эффективность удаления методом обратного осмоса различных ионов зависит от их заряда и размера, определяющих степень гидратации и увеличивается с ростом этих характеристик.

Коэффициенты очистки имеют следующие значения: по одновалентным ионам Na+, K+, Cl-, NO3- равные -, а по двухвалентным Ca2+, Mg2+, SO42- - более 100.

Однако использование обратного осмоса имеет ряд ограничений. Вода, подаваемая на мембраны не должна содержать железа, грубых механических примесей, должна быть умягченной и т.п. Это необходимо для предотвращения отложения малорастворимых солей на поверхности мембран и их разрушения.

Нанофильтрация - удаляет молекулы и многозарядные ионы, имеющие размер от 0,001 до 0,01 мкм, органические молекулы с молекулярной массой выше 300 дальтон и все вирусы. Рабочее давление от 7 до 16 атм.

Нанофильтрация способна удалять ионы с зарядом больше 1, а однозарядные пропускать - извлечение NaCl составляет менее 50%. Селективность по двухзарядным катионам и анионам высокая, например, при фильтрации раствора MgSO4 извлечение составляет 98-99%. Тяжелые металлы удаляются практически полностью. В результате степень обессоливания ниже, чем при обратном осмосе, но фильтрат почти не содержит солей жесткости, т.е. происходит умягчение воды. Селективность к органике с молекулярной массой более 150-300 обеспечивает снижение цветности и окисляемости.

Опреснение на принципе электроосмоса производится в специальных аппаратах, представляющих собой электролитическую ванну, разделенную двумя полупроницаемыми мембранами на три отделения. Исходная вода подается в среднюю камеру. Ионы находящихся в воде солей устремляются сквозь мембраны к электроду, имеющему противоположный заряд. Чистая вода остается в средней камере.

Данный метод требует затрат электроэнергии, хотя и является достаточно эффективным. Эффективность составляет более 90%, достигая в некоторых случаях 96%. Мембраны имеют ограниченный срок службы, который максимально составляет 5 лет, а при неблагоприятных условиях эксплуатации - значительно меньше. Кроме того, этот метод, как и большинство других методов использующих полупроницаемые мембраны, требует предварительной подготовки очищаемой воды.

Есть и еще одна особенность, которая значительно ограничивает применение данного метода. Это то, что все вещества, которые не превратились при растворении в ионы, не реагируют на электрическое поле. Т.е. большинство органических веществ, бактерий, вирусов и т.п. останется в растворе.

Методы осаждения Характеризуются образованием малорастворимой твердой фазы, на поверхности или внутри которой задерживаются коллоидные и (или) растворенные загрязнения. Эта фаза создается за счет введения специальных реагентов.

Осадительные методы широко распространены в подготовке питьевой воды, а также воды для технических целей. Эти методы дают хорошие результаты по выведению коллоидных и взвешенных частиц.

Достоинствами этих методов промышленной водоочистки являются: низкая стоимость, использование широко распространенного и отработанного оборудования и доступных реагентов.

Недостатками являются: низкая эффективность, малая производительность и большое количество отходов.

Для увеличения производительности и уменьшения объема отходов вводят специальные вещества - флокулянты, представляющие собой растворимые высокомолекулярные вещества, молекулы которых обладают в растворенном виде зарядом.

Различают три основных осадительных метода: коагуляция, флокуляция и химическое осаждение.

Коагуляция - образование и осаждение в жидкой фазе гидроксидов железа или алюминия с адсорбированными на них коллоидами загрязнений и с осажденными гидроксидами тяжелых металлов.

При коагуляции в раствор вводятся специальные реагенты, при взаимодействии которых с водой образуется новая малорастворимая высокопористая фаза, как правило, гидроксидов железа или алюминия. Происходит также соосаждение тяжелых металлов, по свойствам близких к вводимому в раствор коагулянту.

В качестве коагулянтов обычно используют соли слабых оснований - железа и алюминия - и сильных кислот: Fe2(SO4)3, FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3, AlCl3.

Для любого процесса коагуляции первостепенное значение имеет выбор дозы коагулянта и воды. Как правило, они подбираются при пробной коагуляции.

Флокуляция - процесс агрегатации частиц, в котором в дополнение к непосредственному контакту частиц происходит их адсорбционное взаимодействие с молекулами высокомолекулярного вещества, которое называют флокулянтом.

При введении флокулянта резко ускоряется процесс образования и осаждения хлопьев при коагуляции, увеличивается плотность агрегатов и осадков, расширяется диапазон эффективного действия коагулянтов.

Флокулянты бывают неорганическими и органическими, природными и синтетическими, ионогенными и амфотерными.

Неорганические флокулянты - активная кремниевая кислота;

природные - крахмал, карбоксиметилцеллюлоза.

Синтетические представляют собой органические водорастворимые высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от десятков тысяч до миллионов дальтон. Они получили наибольшее распространение из-за лучших флокуляционных свойств и широкого выбора различных модификаций.

Химическое осаждение - образование и осаждение в жидкой фазе малорастворимых кристаллических осадков с осажденными ионами загрязнений.

Метод химического осаждения основан на переводе растворенных солей в нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок и удаляются. Применяемые реактивы меняются в зависимости от солевого состава опресняемой воды. К примеру, избыток солей магния осаждается содой, а сульфаты могут быть удалены обработкой гидратом окиси бария.

Метод химического осаждения требует использования дорогостоящих реактивов, каждый из которых направлен на строго определенную примесь воды, реагенты не подвергаются регенерации. По этой причине данный метод имеет очень ограниченное применение.

Метод ионного обмена основан на свойстве некоторых веществ обратимо обмениваться ионами с растворами солей. Эти вещества называют ионообменными смолами. Это своего рода твердые электролиты, которые делятся на катиониты и аниониты.

1.Катиониты - вещества типа твердых кислот, у которых анионы представлены в виде нерастворимых в воде полимеров.

2.Аниониты - по своей сути твердые основания, нерастворимую структуру которых образуют катионы. Их анионы (обычно это гидроксильная группа) подвижны и могут обмениваться с анионами растворов.