Главная
Каталог
Библиотека
Избранное
Порталы
Библиотеки вузов
Отзывы
Новости
 
12+
 
Предварительный просмотр документа

Химия воды: Учебное пособие

Автор/создатель: Калюкова Е.Н., Петрова Л.В.
Год: 2004 
Написано в соответствии с программой курса "Химия" для инженерной подготовки студентов по направлению "Промышленное и гражданское строительство" и "Теплогазовентиляция". Работа подготовлена на кафедре "Безопасность жизнедеятельности, экология и химия".
Показать полное описание документа
Популярные ресурсы рубрик:
РЕЙТИНГ

Оценка пользователей: 4.3
Количество голосов: 12
Оцените ресурс:
5 4 3 2 1

ОТЗЫВЫ


Популярные ресурсы по теме

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра. Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
ший объем воды (мл), приходящийся на 1 кишечную палочку называет- ся коли-титром. Природная вода, как правило, содержит различные примеси: грубо- дисперсные (песок, глина и т.д.) и коллоидные частицы, органического и минерального происхождения, растворимые и нерастворимые соедине- ния, в том числе и соли. Для получения питьевой и технической воды, используемой в различных отраслях народного хозяйства, необходимо провести ее обработку. Процесс обработки воды обусловлен ее целевым назначением. Так питьевая вода должна соответствовать стандартным требованиям: полная безвредность, приятные органолептические свой- ства, бактериальная безопасность, жесткость не более 7 ммоль/л. К воде, применяемой для промышленных целей предъявляются менее жесткие требования. Требования к качеству воды зависят от цели ее использования. В табл. 3 приведены требования к качеству питьевых вод. Таблица 3 Требования, предъявляемые к качеству воды Цели водопользования Показатели Хозяйственно-питьевые Коммунально-бытовые нужды на- нужды населения селения При сбросе сточных вод и др. работах на водном объекте содер- жание взвешенных веществ в контрольном растворе не должно Взвешенные увеличиваться по сравнению с естественными условиями более, вещества чем на 0,25 г/м3 0,75 г/м3 Плавающие На поверхности воды не должны обнаруживаться пленки нефте- примеси (ве- продуктов, масел, жиров и скопления др. примесей. щества) Не должна обнаруживаться в столбике Окраска 20 см 10 см Вода не должна приобретать запахи интенсивности > 1 балла, обнаруживаемые: Запахи, прив- кусы непосредственно, при хло- рировании и др. способах непосредственно обработки Летняя температура воды после сброса не должна превышаться Температура более, чем на 30 С по сравнению со среднемесячной температу- рой воды самого жаркого месяца за последние 10 лет. Водородный Не должен выходить за пределы 6,5-8,5. показатель(рН) 21 Цели водопользования Показатели Хозяйственно-питьевые Коммунально-бытовые нужды на- нужды населения селения Не более 1000 мг/л, в том числе хлоридов 350мг/л, Минерализа- Нормируется по показателю сульфатов 500 мг/л, железа ция "привкуса" не более 0,3 мг/л, общая жесткость 0,7 мг-экв/л Растворенный Не должен быть менее 4 мг/л в любой период года кислород 3 мг О2/л 6 мг О2/л Химическое Не должно превышать потребление кислорода, 15 мг О2/л 30 мг О2/л ХПК Химические Не должны содержаться в концентрациях, превышающих нор- вещества мативы 2. Способы получения очищенной воды Вредные химические элементы и вещества попадают в водоемы, ухудшая их санитарное состояние и вызывая необходимость специальной глубокой очистки воды перед использованием ее для хозяйственно- питьевых и некоторых промышленных целей Способы очистки сточных вод делятся на механические, физико- химические, электрохимические, биохимические способы. 2.1. Механическая очистка Процеживание. Для извлечения крупных примесей, во избежание за- сорения труб и каналов, используют решетки. Для удаления более мелких взвешенных частиц применяют сита, от- верстия, которых зависят от улавливаемых примесей (0,5-1 мм). Для очистки от грубодисперсных примесей используется отстаивание в песколовках, отстойниках, нефтеловушках, осветлителях и др. Песколовки предназначены для удаления механических примесей, размером более 250 мкм (песка, окалины). Принцип действия песколов- ки основан на изменении скорости движения твердых тяжелых частиц в потоке жидкости. Песколовки могут быть различных конструкций (с го- ризонтальным, вертикальным или круговым движением воды). Диаметр удаляемых частиц 0,2-0,25 мм, продолжительность протека- ния вод не более 30 с, глубина песколовок 0,25-1 м, ширина определяет- ся расчетным путем. 22 Нефтеловушки. Применяются для выделения из сточных вод нефте- продуктов, масел и жиров. Принцип работы основан на всплывании час- тиц с меньшей, чем вода, плотностью. Скорость движения воды в нефтеловушке от 0,005-0,01 м/с, при этом всплывает 96-98% нефти. Скорость всплывания частиц зависит от их размера, плотности и вязкости раствора. Всплывают частицы 80-100 мкм. Время отстоя около 2 часов. Глубина нефтеловушки 1,5-4 м, шири- на 3-6 м, длина около 12 м, количество секций не менее двух, соединен- ных последовательно. Фильтрование. Применяется для выделения из сточных вод тонко- дисперсных твердых и жидких частиц, которые не отстаиваются. В каче- стве фильтрующих материалов используются металлические сетки, тка- невые фильтры (хлопчато-бумажные, из стекло- и искусственного во- локна), керамические, иногда используются зернистые материалы (пе- сок, гравий, торф, уголь и др.). Это, как правило, резервуар, в нижней части которого устроен дренаж для отвода очищенной воды. Скорость фильтрования 0,1-0,3 м/ч. Очистка фильтров проводится путем продувки воздухом или промывкой. Гидроциклоны очищают сточные воды от взвешенных частиц под действием центробежной силы. Вода с высокой скоростью тангенциаль- но подается в гидроциклон. При вращении в нем жидкости на частицы действуют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к пе- риферии потока. Чем больше разность плотностей, тем лучше разделе- ние. 2.2. Физико-химические методы очистки. Флотация применяется для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые плохо отстаиваются. Для этого в воду подают воздух под давлением через перфорированные трубы с мелкими отверстиями. При движении через слой жидкости, пузырьки воздуха сливаются с частичками загрязнений и поднимают их на по- верхность воды, где они собираются в виде пены. Эффект очистки зави- сит от величины пузырьков воздуха, которые должны иметь размер 10- 15 мкм. Степень очистки составляет 95-98%. Для увеличения степени очистки в воду можно добавить коагулянты. Иногда во флотаторе одно- временно проводится и окисление, тогда воду насыщают воздухом, обо- гащенным кислородом или озоном. В других случаях для устранения окисления флотацию осуществляют инертными газами. Флотация быва- ет напорная и вакуумная. Адсорбционная очистка (очистка на твердых сорбентах) применяет- ся для глубокой очистки сточных вод при незначительной концентрации загрязнителей, если они биологически не разлагаются или являются сильными ядами (фенолы, гербициды, пестициды, ароматические и нит- росоединения, СПАВы, красители и т.д.). 23 Адсорбция может быть реагентной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и деструктивной, с уничтожением извлекаемого вещества вместе с адсорбентом. Эффективность очистки, в зависимости от приме- няемого адсорбента, 80-95%. В качестве адсорбентов используют акти- вированный уголь, золу, шлаки, синтетические сорбенты, глины, сили- когели, алюмогели, гидраты окислов металлов. Наиболее универсальны активированные угли с радиусом пор 0,8-5 нм. Процесс адсорбции про- водят либо при интенсивном перемешивании адсорбента и воды, с по- следующим отстаиванием, либо фильтрованием через слой адсорбента. Отработанный адсорбент регенерируют перегретым паром или нагретым инертным газом. Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, Va, Mn и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества. Суть метода состоит в том, что существуют природные и синтетические вещества (иониты), нерастворимые в воде, которые при смешивании с водой обменивают свои ионы на ионы, содержащиеся в воде. Иониты, способные погло- щать из воды положительные ионы называют катионитами, а отрица- тельные – анионитами. Иониты, обменивающие и катионы и анионы, на- зываются амфотерными. К неорганическим природным ионитам отно- сятся цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, различные слюды. К неорганическим синтетическим относятся силикагели, труднораство- римые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (алюминия, хрома, циркония и др.). Органические природные иониты – это гуминовые кислоты почв и углей. К органическим искусственным ионитам относятся ионообмен- ные смолы. Упрощенно формулу катионита можно записать RH, а анио- нита – ROH, где R – сложный радикал. Реакция ионного обмена протекает следующим образом: при контакте с катионитом RH + NaCl = RNa + HCl, при контакте с анионитом RОH + NaCl = RCl + NaOH. Процессы ионообменной очистки сточных вод проводят на установ- ках периодического и непрерывного действия. Экстракция применяется для очистки сточных вод, содержащих фе- нолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др. Экстракция выгодна, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует затраты на ее проведение. При концентрации 3-4 г/л экстракция выгоднее адсорб- ции. Экстракция проводится в 3 стадии: 24 1. интенсивное смешивание сточной воды с экстрагентом (органиче- ским растворителем). При этом образуются две жидкие фазы; одна фаза - экстракт, содержащий извлекаемые вещества и экстрагент, другая – рафинат - сточную воду и экстрагент; 2. разделение экстракта и рафината; 3. регенерация экстрагента из экстракта и рафината. Экстрагент из экстракта выделяется выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием и осаждением. Ультрафильтрация – процессы фильтрования растворов через по- лупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворен- ные вещества, размером < 0,5 мкм. 2.3. Химические методы. К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, коагулирование и флокулирование, окисление и восстановление. Хими- ческая очистка проводится как доочистка вод перед биологической очи- сткой или после нее. Нейтрализация. Сточные воды, содержащие кислоты или щелочи, перед сбросом в водоемы или перед технологическим использованием подвергаются нейтрализации. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН 6,5 – 8,5. Для нейтрализации кислых стоков исполь- зуют щелочи, для нейтрализации щелочных – кислоты. Нейтрализацию можно проводить различными путями: смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтровани- ем через нейтрализующие материалы. Для нейтрализации кислых вод используют щелочи (NaOH, KOH), соду (Na2CO3), аммиачную воду (NH4OH), карбонаты кальция и магния (CaCO3 и MgCO3), доломит (CaCO3*MgCO3), цемент. Однако наиболее дешевым реагентом является известковое молоко (Ca(OH)2). Для нейтрализации щелочных сточных вод используют магнезит, до- ломит, известняк, шлак, золу, а также применяют отходящие газы, со- держащие СО2, SО2, NО2, N2О3 и др. При этом происходит очистка ды- мовых газов от кислых компонентов. Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц при их взаимодействии и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных приме- сей и эмульгированных веществ. Коагулянты в воде образуют хлопья гидратов окисей металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести и улавливают коллоидные и взвешенные частицы. Флокуляция – это процесс агрегации взвешенных частиц при добав- лении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции агрегатизация происходит не 25 только в результате контакта, но и в результате взаимодействия флоку- лянта и извлекаемого вещества. Для очистки используют природные и синтетические флокулянты (полиакриламид, крахмал, целлюлозы). Очистка окислением и восстановлением. Для очистки сточных вод используют следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорную известь, гипохлориты кальция и натрия, пер- манганат калия, дихромат калия, перекись водорода, кислород воздуха, озон и др. При окислении токсичные загрязнения переходят в менее токсичные с последующим удалением из воды. Очистка окислением связана с большим расходом реагентов, поэтому окисление используется тогда, когда загрязнители трудно извлечь другими способами. Окисление хлором. Хлор и вещества, содержащие активный хлор яв- ляются наиболее распространенными окислителями. Их используют для очистки сточных вод от сероводорода, фенолов, цианидов и бактерий. При обеззараживании вод от цианидов их окисляют до азота и диок- сида углерода: При хлорировании воды бактерии, находящиеся в воде, погибают в результате окисления веществ, входящих в состав протоплазмы клеток. Окисление кислородом воздуха используется при очистке воды от железа, для окисления двухвалентного железа в трехвалентное и после- дующего отделения гидроксида железа(III): 4 Fe 2+ + O2 + 2 H2O 4 Fe3+ + 4 OH- Fe3+ + 3 H2O Fe(OH)3 + 3 H+ Очистка восстановлением применяется в тех случаях, когда вода содержит легко восстанавливаемые вещества (соединения ртути, хрома, мышьяка). При этом их восстанавливают до металлов, а затем удаляют фильтрованием или флотацией. Электрохимические методы очистки. Для очистки вод от различ- ных растворенных и диспергированных примесей применяют анодное окисление, катодное восстановление, электрокоагуляцию, электрофло- тацию, электродиализ. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Питьевую воду готовят с особой тщательностью. Ее осветляют и обесцвечивают, пропускают через решетки и сита, освобождают от взве- сей и коллоидных частиц с помощью коагулянтов, таких как сульфаты алюминия и железа. Обеззараживают воду хлорированием или озониро- ванием. Окисляя соли двухвалентного железа в трехвалентное состояние 26 с меньшей растворимостью, воду обезжелезивают. Кроме того, воду де- газируют, дезодорируют, т.е. удаляют запахи и привкусы, фторируют при недостатке фтора, опресняют путем термообработки электрохими- ческим методом или методом ионного обмена. 3. Требования, предъявляемые к технической воде К технической воде требования иные. Они обусловлены особенно- стями производства. Основные этапы при подготовке технической воды: 1. Осветление. Коагуляция грубодисперсных и коллоидных примесей с помощью коагулянтов (сульфаты алюминия и железа, хлорид железа). При этом образуются нерастворимые гидроксиды железа и алюминия, которые удаляют фильтрацией через кварцевый песок, антрацит. 2. Умягчение. Умягчение воды – это осаждение или удаление из воды солей жест- кости, солей содержащих катионы кальция и магния. Осаждение осуще- ствляют термическим или реагентным способами. 3. Кроме вышеуказанных основных этапов водоподготовки, произ- водят обескремнивание воды, более тщательное обессоливание, дега- зацию и др. Для различных научных исследований и химических лабораторных работ применяют дистиллированную воду, полученную путем перегон- ки питьевой воды. Показатель чистоты дистиллята – удельная электро- проводность воды порядка 10-6 ом-1.см-1, бидистиллята (особо чистой во- ды) – 4,6.10-8 ом-1.см-1 при 18 оС. Несмотря на обилие воды на земной поверхности и в атмосфере ис- точников чистой воды становиться все меньше и меньше. Это вызвано колоссальным развитием производства, химизацией многих его отраслей и сельского хозяйства, увеличением количества вредных отходов и не- достаточной их очисткой. В некоторых странах уже сейчас ощущается недостаток питьевой воды. Водный ресурс России один из самых боль- ших в мире, однако, и этот ресурс должен расходоваться разумно. В свя- зи с этим необходимо усилить меры по охране водоемов, более тща- тельно проводить очистку использованной воды, сбрасываемой в реки и озера. При определении условий спуска сточных вод в водоем в первую очередь рассматриваются следующие возможности: 1. Совершенствование технологии производства, направленное на сокращение водопотребления и сброса сточных вод в водоем (вплоть до его устранения); использование сточных вод в сис- темах оборотного водоснабжения, а также уменьшение степени загрязнения сточных вод. 27 2. Использование очищенных и обезвреженных городских сточ- ных вод в технологическом водоснабжении предприятий. 3. Использования сточных вод данного предприятия для техниче- ского водоснабжения других предприятий. 4. Совместная очистка и обезвреживание сточных вод данного предприятия со сточными водами других предприятий и с го- родскими сточными водами. 5. Самостоятельная очистка и отведение сточных вод. Сброс сточных вод не допускается: 1. При размещении предприятия на маломощном водоеме, когда возможность разбавления в нем сточных вод и его самоочище- ние ограничено. 2. При наличии в сточных водах высокотоксичных веществ, ПДК которых в водоеме чрезвычайно низки. 3. Когда на водоеме расположены другие объекты, создающие в водоеме высокий уровень загрязнения. 4. Влияние различных примесей на человека Употребление неочищенной воды человеком, по научным данным, может приводить к разнообразным негативным последствиям. Поэтому питьевую воду необходимо особенно тщательно очищать. Таблица 4 Влияние различных примесей на организм человека Тип примесей; санитарно- Норма по СанПиН Тип и назначение гигиенические и медицин- (мг/л) фильтра ские последствия Посторонние примеси Фильтр-осветлитель Потребление человеком вред- Мутность – не более Удаление из воды суспен- ных посторонних примесей 1,5 мг/л зированных частиц, гид- недопустимо. Вода не пригод- Цветность – не более роксидов, металлов, пес- на для приготовления пищи и 20 градусов ка, глины, ила, планктона, хозяйственно-бытовых нужд коллоидных образований Fe Mn Избыток железа вызывает за- болевание печени, увеличение риска инфаркта. Снижение ре- Железо – не более Фильтр- продуктивной функции орга- 0,3 мг/л обезжелезиватель Уда- низма, заболевание костной Марганец – не более ление из воды избытка системы. Появление желтых и 0,1 мг/л железа и марганца рыжих трудноудаляемых пятен на белье и синтетических из- делиях. 28 Тип примесей; санитарно- Норма по СанПиН Тип и назначение гигиенические и медицин- (мг/л) фильтра ские последствия Соли жесткости и тяжелых металлов Вода не пригодна для хозяйст- венно-бытовых нужд, сильное Общая жесткость не образование накипи, чрезмер- Фильтр-умягчитель более 7 ммоль/л ный расход мыла, стирального Удаление из воды солей Ртуть – не более порошка. Плохое разваривание жесткости: кальция, маг- 0,001 мг/л мяса и овощей. Тяжелые ме- ния, ртути, свинца и др. Свинец – не более таллы способствуют заболева- тяжелых металлов 0,1 мг/л ниям нервной системы и по- чек. Повышается риск заболе- вания раком. Cu, Zn и т.д. Медь – раздражение желудка, цирроз печени. Цинк – вяжу- Медь – не более 1 мг/л щий вкус воды, угнетает окис- Цинк – не более лительные процессы в орга- 5,0 мг/л Фильтр ионитовый низме, вызывает анемию. Мышьяк – не более Очистка воды от меди, Мышьяк – токсичное вещест- 0,05 мг/л цинка, молибдена, мышь- во, канцероген, провоцирует Фтор – в пределах 0,7- яка, нитратов, фтора рак кожи. Недостаток фтора 1,5 мг/л приводит к кариесу зубов. Из- Нитраты – не более быток фтора – к флюорозу зу- 15 мг/л бов. Нитриты и нитраты по- вышают риск рака желудка. Фильтр угольный тон- Нефтепродукты, пестициды кой очистки и радионуклиды Бензол, толуол – не Удаление запаха. Очистка Нефтепродукты – толуол, бен- более 0,5 мг/л воды от следов хлоры, зол повышают риск рака кро- Фенол – не более нефтепродуктов, фенола, ви, являются токсичными для 0,001 градусов поверхностно-активных кроветворной системы челове- Стронций-90 – не бо- веществ (ПАВ), хлороор- ка. Придают воде неприятный лее 410-10 Кu/л ганических пестицидов, запах. Пестициды – канцеро- Радий-226 – не более частично от мышьяка, гены. Радионуклиды вызывают 1,210-10 Кu/л свинца, ртути, радионук- рак. лидов и др. примесей. УФО (ультрафиолето- вая обработка воды) Биологическое заражение Общее число бакте- Обеззараживание воды от Заражение воды патогенными рий – 10/1 мг/л патогенных бактерий и бактериями и вирусами вызы- Коли-индекс – не бо- вирусов использованием вает тяжелые заболевания. лее 3 бактерицидного излуче- ния. 29 Тип примесей; санитарно- Норма по СанПиН Тип и назначение гигиенические и медицин- (мг/л) фильтра ские последствия Запах – не более Дезодоратор- Хлороорганика двух баллов обеззараживатель приводит к поражению печени, Привкус – не более Обеззараживание, дезо- почек, нервной, имунной и двух баллов дорация, разрушение хло- сердечно-сосудистой систем. Цветность – не более роорганики и окрашен- 20 градусов ных коллоидов. Иодирование и фтори- рование воды Обеззараживание при Фтор – в пределах 0,7- Недостаток фтора и йода эпидемиях, отсутствии в 1,5 мг/л Флюороз скелета и зубов, ос- эндемических районах, Йод – по медицинским теохондроз. при базедовой болезни, нормам введение в воду недос- тающих компонентов, на- пример фтора. 5. Лабораторная работа № 1. Жесткость воды. Определение же- сткости воды и ее умягчение Цель работы. Познакомиться с методами определения жесткости воды и способами устранения жесткости воды. 5.1. Теоретическая часть Большее влияние на качество воды оказывают содержащиеся в ней соли кальция, магния и железа(II), которые и обусловливают жесткость воды. Нерастворимые карбонаты металлов под действием углекислого газа и воды переходят в растворимые гидрокарбонаты и растворяются в грунтовых водах: МеСО3↓ + СО2 + Н2О = Ме(НСО3)2 Природная вода, проходя через известковые горные породы и почвы, обогащается солями кальция и магния и становится жесткой. Жесткая вода непригодна для многих технологических процессов. Нераствори- мые соли кальция и магния осаждаются на внутренних стенках паровых котлов и трубопроводов, образуя слой накипи, который плохо проводит теплоту. Это вызывает перерасход топлива и преждевременный износ котлов. В результате перегрева котлов могут происходить аварии. В же- сткой воде значительно быстрее протекает процесс коррозии. В жесткой воде при стирке белья увеличивается расход мыла (мыло - натриевая или калиевая соль высших карбоновых кислот), так как обра- зуется осадок стеарата кальция и магния: 30
Яндекс цитирования