Министерство образованияРоссийской ФедерацииИжевскийгосударственный технический университетРеферат
на тему:
Обескремниваниеводы
Выполнил:Князев К.П.
студентгр. 1-50-8
Проверил:преподаватель
ТатураА.Е.
Ижевск, 2009 г.
Придлительном нагреве воды на поверхности различных материалов образуется накипь,являющаяся результатом химических реакций с участием растворимых примесей,которые переходят в нерастворимое состояние. В состав накипи входят карбонатыкальция и магния, а также сульфаты и хлориды этих же катионов. Кроме того, внакипи присутствуют продукты коррозии железа и меди, а также силикаты кальция имагния
Состав накипи влияет наее прочность и степень сложности ее удаления. Наиболее легко удаляются карбонаткальция и гидроокись магния, несколько сложнее – продукты коррозии и наносныешламы, содержащие оксиды железа. Один из самых трудноудаляемых видов отложений– накипь, в состав которой входят силикаты – соединения кремния. Они являютсяпостоянным компонентом примесей в природных водах. Обычно в поверхностных иартезианских водах общее содержание примесей кремния меняется от 1 до 30 мг/л.
Основной источникпоступления соединений кремния в природную воду – растворимые продуктыразличных минералов, особенно алюмосиликатов. При воздействии на них воды спримесью двуокиси углерода происходит вымывание кремниевой кислоты.
Кроме кислого гидролизанатуральных силикатов, источником поступления в природные воды соединенийкремния является разложение биомассы наземных и водных растительных организмов.Помимо этого, повышение содержания данного вида примесей происходит врезультате загрязнения окружающей среды отходами предприятий, производящихкерамические, цементные и стекольные изделия, силикатные краски, вяжущиематериалы и кремнийорганические каучуки.
Примеси соединенийкремния, встречающиеся в воде, находятся в растворенном или коллоидномсостоянии, а их основные компоненты – производные орто- (H4SiO4) иметакремниевой (H2SiO3) кислот. По степени диссоциации в воде такие соединенияотносятся к категории очень слабых кислот. Наиболее сильная из них –ортокремниевая кислота, которая диссоциирует по схеме:
H4SiO4 = (H3SiO4)/>+ Н />
Несмотря на низкуюстепень диссоциации, кремниевая кислота образует соли с кальцием, магнием,железом и алюминием – силикаты. Стоит отметить, что двух- и трехзамещенныесиликаты кальция после затвердевания превращаются в очень прочный материал –присутствие подобных компонентов в накипи приводит к увеличению ее прочности итрудности удаления.
Кремниевая кислота вколлоидном состоянии способна к самопроизвольному образованию полимерныхсоединений:
O О Н
// /
HO- (-Si — O — )n- OH илиHO- (-Si — O — )n- OH,
О Н
где n – степеньполимеризации.
Степень полимеризациитаких соединений определяется содержанием соединений кремния в воде, степеньюминерализации воды, а также величиной рН. Так, в нейтральной среде кремниеваякислота находится преимущественно в мономерном состоянии, а доля поликремниевойкислоты составляет всего 0,1 % от всего содержания кремниевых соединений. В тоже время в щелочной среде при рН = 10 доля полимерных соединений возрастает до58,5 %.
Вид коллоидного состояниясоединений кремния определяется их соотношением с водой. Так, если на однумолекулу двуокиси кремния в коллоидном состоянии приходится около 300 молекулводы, то образуется гель. В случае если содержание воды понижается до 30–40молекул – появляется твердый продукт, образующий при нагреве хрупкое рыхлоевещество (ксерогель). Данное вещество, имеющее большую удельную поверхность,которая может достигать 800 м2/г, обладает сильной адсорбцией к различнымвеществам. Эти гели поглощают различные частицы, не вступая с ними в химическоевзаимодействие, и образуют прочные системы за счет своего связующего действия.
Находясь в воде вколлоидном состоянии, соединения кремния могут оседать на твердых поверхностях.На нагретых поверхностях процесс оседания и гелеобразования идет быстрее. Стечением времени гель уплотняется и захватывает из водной фазы механическиепримеси и некоторые растворенные вещества. При этом соединения кремния играютроль цементирующего компонента. Накипь, образованная в присутствии соединенийкремния, обладает повышенной прочностью, что затрудняет ее удаление.
Кроме того, соединениякремния в воде могут принимать участие в химическом взаимодействии. Так,кремниевая кислота может взаимодействовать с катионами железа, находящимися встепени окисления +3, и быть совершенно инертной по отношению к ионам железа состепенью окисления +2. В результате такого химического взаимодействияпоявляются устойчивые коллоидные образования, которые не удаляются нифильтрованием, ни отстаиванием. Склонность кремневой кислоты к такомухимическому взаимодействию значительным образом затрудняет очистку воды отпримесей железа. Это связано с тем, что распространенные методы удаленияпримесей железа при водоподготовке заключаются в окислении примесей железа пореакции:
Fe/>----------à Fe/>
Обычно, в отсутствиепримесей кремния, соединения железа переходят в осадок и легко удаляются, а приих наличии такая стадия очистки значительно теряет свою эффективность.
Примеси соединенийкремния негативно влияют на фильтрующие среды, являющиеся катализаторомокисления соединений железа. Одни из наиболее распространенных видовкатализаторов для окисления примесей железа – «зеленые» или «черные» пески,действующим началом в которых является двуокись марганца, нанесенная на сыпучийфильтрационный материал.
Однако присутствиекремниевой кислоты в определенных концентрациях блокирует активные центрытакого катализатора, а вследствие этого – снижает выход продуктов окисления.Взаимодействие аниона кремниевой кислоты с пленкой катализатора (двуокисьмарганца) приводит к образованию коллоидного вещества, легко смываемого сносителя потоком воды. В итоге происходит разрушение катализатора.
Обычно удаление примесейсоединения кремния не выделяют при водоподготовке в отдельную стадию, апроводят совместно с удалением других примесей, например, с процессом умягченияи последующим осаждением образованного осадка. Поэтому и реактивы, используемыедля этой цели, подобны.
Достаточно часто дляудаления соединений кремния из воды используют такой доступный и дешевыйпродукт, как гашеная известь. Этот реагент, представляющий собой сильноеоснование – Са(ОН)2, взаимодействует с кремниевой кислотой, в результате чегопроисходит образование нерастворимого силиката кальция. Практика показывает,что введение в воду гашеной извести позволяет снизить содержание примесейкремния в пересчете на анион SiO32- до 0,3–0,5 мг/л.
Другим распространеннымспособом, позволяющим снизить содержание примесей кремния, является обработкаводы магнезитом, обожженным при 1000 0С. В процессе такого прокаливаниямагнезит превращается в оксид магния (каустическая магнезия):
/>MgСО3 t= 1000/>C à MgO + СО2.
Обработка воды оксидоммагния приводит к его превращению в гидроокись (MgO + Н2O ---àMg(OH)2), которая затем взаимодействует с H2SiO3, переводя ее в осадок. Введениекаустической магнезии в обрабатываемую воду с температурой до 40/>С в количестве 10–15 мгна 1 мг H2SiO3, позволяет снизить содержание примесей кремния до 1–1,5 мг/л.При повышенной температуре процесс удаления примесей кремния протекает болееинтенсивно. Так, при температуре 98 °С остаточное содержание этого видапримесей уже составляет всего лишь 0,25 мг/л.
Аналогичные химическиепроцессы протекают и при обработке воды обожженным доломитом – CaMg(CO3)2.После прокаливания этот минерал превращается в смесь оксидов кальция и магния,которые, взаимодействуя с водой, превращаются в соответствующие гидроокиси,реагирующие с кислотным остатком кремниевой кислоты. При использовании данногореагента в холодной воде удается добиться остаточного содержания примесейсоединений кремния около 2 мг/л, а при обработке воды с температурой чуть ниже100 °C концентрация этих примесей составляет примерно 0,2 мг/л.
В ряде случаев удалениесоединений кремния проводится на стадии осветления и обесцвечивания. Такиепроцедуры на очистных сооружениях осуществляются при коагуляции взвешенных иколлоидных соединений. Довольно часто для этих целей используют соединенияалюминия или соли железа (3). Образующаяся хлопьевидная масса гидрооксидаалюминия или гидроокиси железа захватывает частицы примесей, находящиеся вколлоидном состоянии или растворенном виде. Так, при очистке воды от соединенийкремния с помощью коагуляции эффективный расход солей железа (3) составляетоколо 2 мг на миллиграмм удаляемой кремниевой кислоты. При использованиисоединений алюминия наиболее распространенными реагентами являются алюминатнатрия и сульфат алюминия. Причем наиболее эффективный осадитель – алюминатнатрия, который вводится в очищаемую воду в концентрации 10–15 мг/л.
Помимо вышеперечисленныхкоагулянтов применяются и другие, например, «Гидро-Икс». В основном он содержиткрахмал и полиальгинат натрия. Крахмал в этой композиции играет ролькоагулянта, вызывая осаждение широкого круга примесей. Другой компонент этогопрепарата – полиальгинат натрия, представляющий собой натриевую соль альгиновыхкислот.
Собственно альгиновыекислоты плохо растворяются в воде, но их натриевые соли легко растворяются иобразуют вязкие растворы, которые являются флокулянтами. Действие коагулянтасводится к частичному укрупнению частиц, а флокулянт ускоряет процессыобразования хлопьев и осаждения.
Удаление соединенийкремния может осуществляться и посредством ионного обмена. Необходимо отметить,что при этом способе происходит наиболее полное удаление данного вида примесей.Так, ионный обмен позволяет достичь остаточного содержания примесей в пределах0,02–0,05 мг/л.
Как показали практическиенаблюдения, наиболее эффективный способ удаления примесей связан с применениемионитов смешанного действия, которые представляют собой смесь катионита вН-форме и ОН-анионита.
Многие марки ионообменныхсмол не могут применяться при температуре очищаемой воды свыше 30 °С. Этотребование связано с техническими возможностями многих ионообменных материалов.Впрочем, данная задача может быть решена посредством охлаждения воды, изкоторой необходимо удалить соединения кремния. Конечно, такое ограничение неможет быть преградой для использования ионного обмена при удалении примесейкремния. Однако по причине сложности процесса данное техническое решение применяютредко.
Удаление из водысоединения кремния может осуществляться также с помощью мембранного метода,имеющего, однако, существенный недостаток. Как показали исследования пообессоливанию воды с высокой минерализацией, на поверхности мембраны происходитполимеризация соединений кремния, переход их в коллоидное состояние. Этоприводит к забиванию пор мембраны и, в конечном счете, снижает скоростьфильтрации.