Дегазацияводы
1.Классификация методов дегазации воды, теоретические основы процесса
Удаление из водырастворенных в ней или образующихся в процессе ее обработки газов называют еедегазацией. Обычно из воды приходится удалять углекислоту,сероводород, кислород и реже метан. Первые три коррозионно-активных газаобусловливают либо катализируют процессы коррозии металла, а диоксидуглерода(IV) вызывает коррозию бетона. Метан, выделяющийся из воды в процессеее обработки, образует с воздухом в помещении водоочистного комплексавзрывоопасную смесь, а сероводород придает воде неприятный запах. Кроме того,при водород-катионитовом умягчении и ионитовом обессоливании воды, а также приобезжелезивании и деманганации подземных бикарбонатных вод приходится решатьзадачу удаления свободной углекислоты. При подготовке питательной воды, а такжеводы теплоцентралей необходимо удалять из нее кислород в целях предотвращениякоррозии металла. Отсюда становится очевидной необходимость возможно полногоудаления из воды растворенных в ней газов. Существующие методы дегазации водыподразделяют на физические и химические. Сущность физических методов дегазациизаключается в следующем: вода, содержащая удаляемый газ, приводится всоприкосновение с воздухом, если парциальное давление этого газа в воздухеблизко к нулю; создаются условия, при которых растворимость газа в водестановится ничтожно малой. С помощью первого приема, аэрации воды, обычноудаляют свободную углекислоту и сероводород, поскольку парциальное давлениеэтих газов в атмосферном воздухе близко к нулю. Ко второму приему обычноприбегают при обескислороживании воды. В этом случае ввиду значителньогопарциального давления кислорода в атмосферном воздухе аэрацией воды кислородудалить нельзя, поэтому воду доводят до кипения, тогда растворимость всех газовв ней падает до нуля. Для этого применяют либо нагревание воды, либо понижениедавления до величины, при которой вода кипит без дополнительного подогрева ввакуумных дегазаторах. В настоящее время наиболее распространенной теорией, объясняющеймеханизм передачи вещества между жидкой и газообразной фазами в процесседесорбции, является теория двухслойного поглощения, согласно которой десорбциясводится к последовательной диффузии удаляемого газа через два пограничных слоя— жидкостный и газовый. При диффузии газа из жидкой фазы в газообразнуюконцентрация его и парциальное давление изменяются в диффузионных пленках.Концентрация газа в жидкой фазе равна концентрации его на границе междужидкостной пленкой и основной массой жидкости; в жидкостной пленке происходитснижение концентрации от величины С1 до С2, отвечающейпарциальному давлению р2 диффундирующего газа на границе разделафаз; в газовой пленке парциальное давление диффундирующего газа изменяется отвеличины р2 до величины р1 имеющей место на границегазовой пленки и основной массы газа, в которой парциальное давлениедиффундирующегго газа также равно величине р1.
/>
Рис. 19.1. Схемаизменения давлений и концентраций газа на границе раздела фаз: 1,4 —газообразная и жидкостная фазы; 2, 3 — газовая и жидкостная диффузионная пленка
По теории двухслойногопоглощения, общее сопротивление десорбции Rравносумме сопротивлений, оказываемых пограничными диффузионными слоями:
R= R1+R2(19.1)
где R1—сопротивление жидкостного пограничного слоя; R2—сопротивление газового пограничного слоя.
Величины, обратныесопротивлениям в пограничных слоях, называют частными или пленочнымикоэффициентами десорбции:
/>(19.2)
Численно частныйкоэффициент десорбции равен количеству удаляемого (десорбируемого) газа,передаваемого через единицу площади соприкосновения фаз в единицу времени придвижущей силе в диффузионной пленке, равной единице.
Скорость процессадесорбции растворенного в воде газа в воздух определяется из выражения
/> (19.3)
где Т — время, ч; А —площадь соприкосновения жидкой и газообразной фаз, м2; G—количество десорбируемого газа, кг/ч.
При малой концентрациидесорбируемого газа в воде скорость процесса десорбции определяется среднейдвижущей силой ΔСср и сопротивлением процессу диффузии в пленкежидкости Кж
/> (19.4)
Согласно теориидвухслойного поглощения, количество десорбируемого газа
/>(19.5)
где Ко —общий коэффициент десорбции, м/ч, который для случая десорбциитруднорастворимых газов может быть приравнен к пленочному коэффициенту вжидкостной пленке Кж, А — площадь соприкосновения жидкой и газообразнойфаз, м2; ΔСср — средняя движущая сила процессадесорбции, кг/м3, которую для случаев десорбции из малоконцентрированныхрастворов газов подсчитывают по уравнению
/>
здесь Свх иСвых — концентрации удаляемого газа в воде соответственно на входеее в аппарат и на выходе из него; Ср.Вх и Ср.вых —равновесные концентрации удаляемого газа в воде соответственно при входе ее ваппарат и на выходе из него.
Таким образом, величинаΔСср зависит от разности концентраций удаляемого газа в воде ивоздухе.
Основное расчетноеуравнение аппаратов для извлечения из воды растворенных газов десорбциейзаписывается в следующем виде:
/> (19.7)
/>
где q—производительность аппарата, м3/ч.
Коэффициентсопротивления процессу диффузии в пленке жидкости Kmвозрастаетс увеличением относительной скорости движения воды и воздуха в десорбере, сповышением температуры и увеличением коэффициента диффузии удаляемого газа.
Из величин, входящих вобщее уравнение десорбции, GиΔССр, могут быть подсчитаны по заданным условиям работыдегазатора, величина Kmвычисленаопытным путем или с помощью теории подобия. Это уравнение является основным длярасчета десорбционных аппаратов. Из него находят необходимую поверхностьсоприкосновения жидкой и газообразной фаз для обеспечения заданного эффектадегазации, а, следовательно, и размер проектируемых аппаратов.
Для удаления из водырастворенных газов применяют несколько типов дегазаторов: пленочные сразличного рода насадками, работающие в условиях противотокадегазируемой воды и воздуха, подаваемого вентилятором, барботажные, пенные,вакуумно-эжекционные, вакуумные.
2. Химические методыдегазации воды
В основе химическихметодов удаления из воды, растворенных газов лежит их химическое связывание,достигаемое введением реагентов или фильтрованием через специальные загрузки.Для удаления из воды кислорода применяют ее фильтрование через легкоокисляющиеся вещества, например, через стальные стружки, и обработку сульфитомнатрия или оксидом серы(1У).
При использованиистальных стружек их обезжиривают и загружают в специальный фильтр. Содержаниемарганца в них не должно превышать 0,3%.
В процессе фильтрованияжелезо, окисляясь, связывает кислород
4Fe+302= 2Fe303.
Оксид железа (III)игидроксид железа (III), образовавшиеся в результате коррозии стружек, удаляютобратной промывкой. Продолжительность контакта воды со стружками зависит оттемпературы и уменьшается от 25 до 3 мин при увеличении температуры от 20 до 80°С.
Чаще всего применяютобработку воды сульфитом натрия
2Na2S03+02 = 2Na2S04,илиоксидом серы (IV)
S02+ H20=H2S03,
Образующаяся сернистаякислота окисляется кислородом, содержащимся в воде, до серной кислоты:
2H2S03+02 = 2H2S04.
В качестве катализатораприменяют соли меди(II) или кобальта (II) в виде 0,01%-ного раствора. Дляудаления 1 мг кислорода расходуется 4 мг оксида серы(IV) или 7,9 мг сульфитанатрия. Кроме того, для удаления кислорода воду обрабатывают также гидразином N2H4.
Гидразин являетсясильным обескислороживающим реагентом:
02 + N2H4→N2+ 2Н20.
Эта реакция протекаетзначительно быстрее, чем реакция окисления сульфита натрия. Катализаторами вданном случае являются металлическая медь, стекло и активированный уголь.Реакция обескислороживания воды гидразином каталитически ускоряется материаломстенок котла.
Гидразин применяют дляобработки воды, идущей на питание прямоточных котлов, поскольку он неувеличивает количества сухого остатка питательной воды и не образует вредныхлетучих продуктов разложения. Недостатком метода обескислороживания водыгидразином является его высокая стоимость.
Процесс связываниякислорода восстановителями идет быстро при температуре 95… 100°С изаканчивается за 1… 2 мин, даже при минимальном против, стехиометрическогоизбытке (5%) восстановителя.
Необходимую дозусульфата натрия или оксида серы (IV), мг/л, рассчитывают по формуле
Д=1,1β[02],
где [О2] —концентрация растворенного кислорода в воде, мг/л; Р — теоретический расходреагента на связывание 1 мг растворенного кислорода, мг.
Удаление растворенногокислорода без подогрева воды может быть достигнуто фильтрованиемее через электронно-обменные (ЭО) и электронно-ионообменные смолы (продуктыконденсации пирогаллола, гидрохинона или пирокатехина с фенолом иформальдегидом). Восстановительная способность отечественных электрообменниковследующая: ЭО-6 — 450; ЭО-7 — 600… 800; ЭО-8 — 5000 г-экв/м3. Прииспользовании ЭО смол для обескислороживания воды высота слоя смолы в фильтрепринимается равной 2 м, скорость фильтрования —20 м/ч. Регенерируются фильтры1… 2%-ным раствором сульфита или тиосульфита натрия.
Электронно-обменныесмолы представляют собой катиониты или аниониты с веденными в них железом илимедью. Выпускаемая промышленностью электронно-ионообменная смола ЭИ-12 имеетобменную способность по кальцию 500 г-экв/м3 и поглотительнуюспособность по кислороду 45 кг О2/м3. Регенерируетсясмола ЭИ-12 так же, как и смолы ЭО.
На рис. 19.9 показанасхема удаления кислорода ионообмен- ником, заряженным палладием, сиспользованием водорода в качестве катализатора. Остаточное содержаниекислорода 20… ,..30 мкг/л при исходном 9,0 мг/л.
/>
Рис. 19.9.Установка обескислороживания воды с помощью иоиообменника с палладием. 1 —баллон с водородом; 2, 3 — ввод исходной и отвод обескислороженной воды;4 —ионообменник заряженный палладием;5 — слой инертной смолы; 6 — камера смешения
Эффективноеобескислороживание воды может быть достигнуто в электролизерахс растворимыми железными или алюминиевыми электродами. Обескислороживаниепроисходит за счет катодной и анодной деполяризации, а также химическогоокисления железа или алюминия растворенным в воде кислородом. Для удаления изводы сероводорода химическими методами его окисляют кислородом воздуха илихлором, кроме того, может быть использовано взаимодействие сероводорода сгидрок- сидом железа(III). Для более полного удаления сероводорода кислородомвоздуха при аэрации воду подкисляют серной или соляной кислотой до рН=5,5.
Дозу кислоты, мг/л, дляснижения рН определяют по формуле
/>
где Щ — щелочностьисходной воды, мг-экв/л; е1 — эквивалентная масса кислоты; С —концентрация серной или соляной кислоты в техническом продукте, %.
Очищенную воду необходимостабилизировать подщелачиванием для устранения коррозионных свойств.
Сероводород окисляютхлором до свободной серы или до серной кислоты (в зависимости отдозы хлора). Малые дозы хлора (2,1 мг на 1 мг свободного сероводорода) окисляютсероводород до коллоидной серы:
H2S+С12 = 2НС1 + S,
которую затемнеобходимо удалять. В этом заключается недостаток метода. Большие дозы хлора(8,4 мг/мг) окисляют сероводород до серной кислоты:
H2S+4С12 + 4Н20 = H2S04+8НС1.
Реакция протекаетдовольно медленно и имеет практическое значение лишь при окислении небольшихколичеств сероводорода. Ее используют для удаления остаточного сероводорода,например, после аэрирования.
Д. П. Козырев предложилметод удаления сероводорода гидроксидом железа(III) с последующей регенерациейобразующегося сульфида железа(II). В основу этого способа положены реакции:
в щелочной среде
2Fe(ОН)3+3H2S=Fe2S3+ 6Н20,
в нейтральной среде
2Fe(ОН)2+ 3H2S=2FeS+S +6H2O.
Практика показала, чтосвободный сероводород удаляется этим методом довольно полно: вода теряет запахсероводорода, и коррозионные свойства. Обработанная вода после 2… 3 чотстаивания считается пригодной для технических нужд. Воду для питьевых ихозяйственно-бытовых нужд после предварительной обработки известью (около 60мг/л в пересчете на СаО) необходимо отфильтровать.
Этот метод не новый, внем оригинально лишь получение гидроксида железа(III) электрическимрастворением металлического железа и чугуна и регенерация сульфида железа(II),которая происходит при наличии кислорода и воды по уравнениям:
2Fe2S3+6Н20 + 302 = 4Fe(ОН)3+ 6S.
4FeS+ 6Н20+302 = 4Fe(ОН)3+4S.
Естественнаярегенерация протекает медленно. Для ускорения процесса прибегают кискусственной регенерации, которая достигается аэрированием или обработкойвеществами, быстро переводящими сернистые соединения в гидроксиды (серная илисоляная кислота). Для окисления сульфидных соединений применяют также перманганаткалия:
4KMn04+ 3H2S->2H2S04+ 3Mn0+Mn02+ S +3H20.
С. Н. Линевичемпредложен метод удаления сероводород из воды озонированием. При расходе озона0,5 мг на 1 мг удаляемого сероводорода образуется коллоидная сера:
3H2S+ O2=3S+3Н2О,
при расходе озона 1,87мг на 1 мг сероводорода образуютс сульфаты:
3H2S+403 = 3H2S04.
Для воды, содержащей 15...20мг/л сероводорода, продолжительность озонирования составляет 20 мин, расчетный расходозона — 30 мг/л.
Сероводород окисляетсяоксидом хлора (1У). Оптимальным условиями окислениясульфидов до сульфатов являются: доза ClO23,5 мг на 1 мг S2~; рН=10… 11, продолжительность кон такта 10 мин.
На кафедре «Водоснабжение»МГСУ (Николадзе Г. И., Кочиашвили Г. Г.) разработана новая схема безотходногоглубокого удаления из воды сероводорода (рис. 19.10), исключающая выброс ватмосферу удаляемого газа, повышая тем самым решение вопроса надежности охраныокружающей среды. Удаление сероводорода из подземных вод фильтрованием черезмодифицированную загрузку заключается в адсорбции ионов сероводородныхсоединений на зернах фильтрующей загрузки. Модификация песчаной загрузкисостоит в том, что ее последовательно обрабатывают водными растворами железногокупороса и перманганата калия или сульфата натрия и перманганата калия, врезультате чего на поверхности зерен кварцев" го песка при рН среды6...9образуется пленка, в составе которой гидроксид железа и диоксид марганца.
Модификация песчанойзагрузки описывается следующим уравнением:
3FeS04+ KMn04 +2Н20=Fe (0H)3+Mn02 +Fe2 (S04)3+K0H.
/>
Рис. 19.10.Технологическая схема глубокого удаления из воды сероводорода фильтрованиемчерез модифицированную загрузку.
1и 5 — подача исходной и отвод очищенной воды; 2 — контактный осветлитель; 3 —сброс растворов после модификации загрузки; 4— переудив; 6 — подача промывнойводы от насоса 7; 8 — резервуар промывной воды с тонкослойными модулями 9; 10 —утилизация осадка; 11 и 14 — бак для приготовления раствора КМn04и FeS04; 12— насос-дозатор для подачи модифицирующих растворов по реагентопроводу 13
В основе процессаудаления сероводорода с помощью фильтрования через модифицированную загрузкулежит явление хе- мосорбции. При этом гидроксид железа и диоксид марганцавступают во взаимодействие с сероводородом и гидросульфидом, переводя их всульфид железа и серу. Принятая схема очистки гарантирует остаточное содержаниесероводорода в воде менее 0,05 мг/л, что удовлетворяет требованиям ГОСТ «Водапитьевая».
Кроме химическихспособов окисления сероводорода используют и биохимический метод. Известно, чтобольшое участие в окислении сульфидных вод принимают серобактерии, которыевстречаются в серных источниках, стоячих водах и вообще широко распространены вприроде. Для массового развития серобактерий необходимы сероводород и кислород.По данным Г. Ю. Асса, серобактерии окисляют сероводород до серы, которая, всвою очередь, окисляется в серную кислоту:
2HaS+ 02=2H20+2S +529,2 Дж;
2S+ 302+2Н20= 2H2S04 +1234,8 Дж.
Для интенсивнойдеятельности серобактерий необходимо обеспечить нейтрализацию образующейся H2S04.Этоусловие выполнимо в том случае, если вода содержит достаточное количествокарбонатов. Описанные выше явления легли в основу используемого на практикебиохимического метода удаления сероводорода (рис. 19.11).
/>
Рис. 19.11. Установкабиохимического извлечения сероводорода и воды.
1 — трубчатый колодец спогружным насосом; 8 — отвод обработанной воды; 2 — дозатор биогенных (азотных,фосфорных) соединений; 3 реактор биохимического окисления; 7 — воздуходувка; 6— хлоратор; 4 дозатор сульфата алюминия; 5 — скорый фильтр.
Технологиявзрывобезопасного удаления метана и его гомологов из подземных вод, исключающаявыброс в атмосферу удаляемых из воды газов, позволяющая утилизировать их и сохранятьв чистоте окружающую среду, разработана на кафедр «Водоснабжение»МГСУ (Г. И. Николадзе, А. С. Сайфуллаев) Вакуум в дегазаторе создают с помощьюэжектора, а для продувки воды используют азот или углекислоту (рис. 19.12).Рис. 19.12. Технологическая схема удаления метана из подземных вод вакуумнымспособом с предварительным насыщением исходной воды воздухом (б) или инертнымгазом (а):
дегазациявода ионообменник вауукмный
/>
1 — подача исходнойводы из скважины, 2 — вакуумный дегазатор, 3 — эжектор, 4 — промежуточнаяемкость с высокомннер1алнзованной водой, 5 — циркуляционный насос, 6 — бак дляраствора извести, 7 — электропечь, 8 — насос для перекачки пульпы СаСОз, 9 —газгольдер для метана, 10 —ступень дальнейшей обработки воды, 11 — РЧВ, 12 —насосная станция II подъема, 13 — отвод воды потребителю, 14 — отводдегазированной воды
Литература
АлексеевЛ. С., Гладков В. А. Улучшение качества мягких вод. М.,
Стройиздат,1994 г.
АлфероваЛ. А., Нечаев А. П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленныхпредприятий, комплексов и районов. М., 1984.
АюкаевР. И., Мельцер В. 3. Производство и применение фильтрующих
материаловдля очистки воды. Л., 1985.
ВейцерЮ. М., Мииц Д. М. Высокомолекулярные флокулянты в процессахочистки воды. М., 1984.
ЕгоровА. И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистныхсооружениях. М., 1984.
ЖурбаМ. Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.