ОБЕСКРЕМНИВАНИЕВОД/>
Основы технологииудаления из воды кремниевой кислоты
В подземных водахсодержание кремниевой кислоты достигает половины их общего анионного состава.Концентрация кремниевой кислоты в воде равнинных рек обычно значительно ниже,чем в воде горных рек. Формы присутствия в воде кремниевой кислоты варьируютсяот коллоидной до ионно-дисперсной в зависимости от ее температуры, рН и отсоотношения различных примесей воды.,
Воду, содержащуюкремниевую кислоту, нельзя использовать для питания котлов высокого исверхвысокого давления, в химико-фармацевтической промышленности, припроизводстве капрона и текстиля, при переработке цветных металлов.
Кремниевая кислотаявляется основным компонентом сложных силикатных накипей (до 50% кремниевойкислоты, до 30% оксидов железа, меди и алюминия и до 10% оксида натрия),которые способны отлагаться на стенках котлов и теплообменных аппаратов.Кремниевая кислота образует накипи с катионами кальция, магния, натрия, железа,аммония. Силикатная накипь обладает низким коэффициентом теплопроводности ипоэтому существенно снижает теплотехнические показатели работы котлов итеплообменных аппаратов.
Таким образом, вода,содержащая кремниевую кислоту, осложняет и ухудшает работу котлов, турбин, атакже различных теплообменных аппаратов, понижает качество продукции рядапроизводств, поэтому при ее использовании для указанных целей необходимопроизвести предварительное обескремнивание воды. Глубина обескремниванияпитательной воды для котлов зависит от их рабочего давления, температуры иконструкции. Содержание кремниевой кислоты в добавочной воде обычно до 0,05…0,1 мг/л (считая по Si032-).
Соли кремниевой кислотыдостаточно хорошо растворимы в воде. Наименее растворимы в воде силикатымарганца, цинка, кадмия и кальция. Использование солей этих металлов втехнологии обескремнивания воды неэкономично из-за больших расходов осадителя.Кремниевая кислота хорошо сорбируется на хлопьях гидроксидов магния, железа иалюминия. Как показали результаты исследований О. Н. Шемякиной и В. А. Клячко,кремниевая кислота не извлекается из воды в результате обменной адсорбции наслабоосновных анионитах, а средне- и сильноосновными анионитами сорбируется приотсутствии в воде сильных и слабых кислот (особенно угольной).
Обескремнивание водыдостигается: осаждением известью; сорбцией гидроксидами железа, алюминия,оксидом или гидроксидом магния; фильтрованием через магнезиальный сорбент;ионным обменом и электрокоагулированием.
Очевидно, что выборметода обескремнивания воды зависит от предъявляемых к ней требований иэкономических показателей.
При обескремниванииводы температурой 98°С осаждением известью и при значительном избытке осадителясодержание кремниевой кислоты может быть снижено до 0,4… 0,5 мг/л, асорбцией гидроксидами алюминия и железа — до 1,5… 2 мг/л. При обескремниванииводы, нагретой до 40 °С, сорбцией гидроксидом магния иликаустическим-магнезитом достигается снижение соединений кремния в ней до0,8...1,2 мг/л, а при подогреве воды до 120°С — до 0,25… 0,5 мг/л. Приобескремнивании воды фильтрованием через магнезиальный сорбент остаточноесодержание кремниевой кислоты снижается до 0,1… 0,2 мг/л.
Наиболее глубокоеобескремнивание воды достигается в цикле ее ионитового обессоливания: до0,05… 0,01 мг/л. Однако этот метод является наиболее дорогостоящим.
Сорбционноеобескремнивание воды
Обескремнивание водыизвестьюосновано на небольшой растворимости силиката кальция. При наличии в исходнойводе 10… 12 мг/л кремниевой кислоты остаточное содержание ее в обработаннойводе составляет 6… 8 мг/л. С избытком извести и повышением температурыглубина обескремнивания возрастает. Так, если подлежащую обескремниванию водунагреть в каскадном подогревателе до температуры 80...90°С и насытить известьюв сатураторе (рис. 22.1), то при этом выпадают в осадок гидроксид магния,сорбирующий SiO32-, силикат и карбонаткальция. Вода обескремнивается и частично умягчается.
Осветляют водуфильтрованием, избыток гидроксида кальция удаляют декарбонизацией в скрубберахпродувкой очищенными дымовыми газами. Образующийся при этом осадок
В очищенной водесодержится 0,35… 0,50 мг/л Si032-,солейжесткости — не более 0,01 мг-экв/л, щелочность не превышает 0,3 мг-экв/л.Углекислота удаляется из воды и происходит частичное разложениегидрокарбонатов.
Обескремнивание водысолями железа основано на способности хлопьев гидроксида железа(II), образующегося при введении в воду его солей, сорбироватьмолекулярно-дисперсную и коллоидную кремниевую кислоту.
Установка, используемаядля обескремнивания воды сульфатом железа (II) или хлоридом железа (III),состоит из вертикального смесителя, дозаторов реагента и известкового молока,осветлителя, фильтра и насоса для рециркуляции осадка. Благодаря рециркуляцииосадка значительно снижается расход коагулянта.
На снижение содержаниякремниевой кислоты с 12… 14 до 2 мг/л расходуется 300… 350 мг сульфатажелеза(II). Оптимальные значениярН (8,5… 9,5) поддерживаются добавлением в воду извести.
Обескремнивание водысолями алюминия основано на их способности сорбироватькремниевую кислоту из раствора. В качестве реагентов применяют алюминат натрияи сульфат алюминия.
Концентрация остаточнойкремниевой кислоты при использовании алюмината натрия составляет 0,5… 2мг/л; расход алюмината — 150… 200 мг/л. Применение вместо алюмината натрияболее дешевого сульфата алюминия уменьшает глубину декарбонизации и увеличиваетсодержание сульфатов, что нежелательно для вод, идущих на питание паровыхкотлов.
Высокой сорбционнойспособностью по Si032- обладаютхлопья алюмината магния, образующиеся при одновременном введении в воду солеймагния и алюмината натрия при рН свыше 8,5. Для получения оптимального значениярН воду подщелачивают.
Расчетную дозу извести,мг/л (в пересчете на СаО), для подщелачивания воды рН=7,8… 8,3 при введении внее солей алюминия или железа определяют по формуле
/> (22.1)
где Дк — дозакоагулянта в пересчете на безводный продукт, Мг/л; [СО2] — содержание в исходнойводе оксида углеродa(IV),мг/л;ек — эквивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв.
Схема сооружений дляобескремнивания воды этим методом аналогична предыдущей. Если допускаетсясодержание взвешенных веществ в воде до 15 мг/л, то вода из осветлителей можетнепосредственно подаваться потребителю; при необходимости более полногоосветления воду пропускают через фильтры с антрацитовой крошкой. Для снижениядозы коагулянта, расход которого обычно составляет 200 ...400 мг/л, принимаютрециркуляцию осадка в осветлителе.
Перечисленные методы имеютнедостатки, среди которых, наиболее значительными являются большой расход ивысокая; стоимость реагентов, а также увеличение количества сухого остаткадекремнизированной воды.
Магнезиальный метод обескремниванияводы(рис. 22.2), основан на способности соединений магния (оксида магния,обожженного доломита, каустического магнезита и др.) сорбировать из водныхрастворов коллоидную и молекулярно-дисперсную кремниевую кислоту; причемостаточное содержание Si02вочищенной воде не превышает 1… 1,5 мг/л. Для снижения расхода магнезитовыхреагентов (в 3… 4 раза) применяют высокий подогрев и рециркуляцию шлама изотстойников в камеру реакции. Так, при подогреве воды до температуры 35…45°С остаточное содержание кремниевой кислоты при обработке оксидом магния непревышает 2 мг/л, до 86… 105 °С — 0,5 мг/л. Расход MgOвэтом случае составляет 5… 7 мг/мг Si02.
кремниевыйкислота вода магнезийный
/>
Рис. 22.2. Установкамагнезиального обескремнивания воды при высокой температуре.
1— греющий пар; 2,8 — подача исходной и отводдекремнизированной воды; 3 — водоподогреватель;4— реагентиый бак; 5 — напорный дозатор; 6 — осветлитель с каскаднымподогревателем; 7 — фильтр, заполненныйоксидом магния или антрацитом; 9 — насос для рециркуляции осадка
Ввиду дефицитности ивысокой стоимости оксида магния в качестве магнезитовых реагентов частоприменяют обожженный декарбонизованный доломит CaC03*MgC03,полуобожженныйкаустический доломит Mg0*CaC03икаустический магнезит MgC03.Обожженныйдоломит заливается водой и через 1,5… 2 ч дозируется в обрабатываемую воду ввиде 5%-ного раствора (по сумме СаО и MgO).Восветлителе образуется осадок из карбоната кальция и оксида магния, которыйсорбирует кремниевую кислоту.
Каустический магнезитпредставляет собой пыль, улавливаемую из отходящих газов при обжиге природногомагнезита MgC03.
Поскольку обожженныйдоломит промышленностью не выпускается и его необходимо получать на местепотребления, при обескремнивании воды чаще всего применяют каустическиймагнезит. Его дозируют в виде суспензии или порошка. В воде он образует тяжелуюбыстрооседающую взвесь, эффект обескремнивания которой зависит от дозыреагента, времени контакта его с водой и температуры последней. Декремнизацияводы происходит достаточно полно при рН 10,1—10,3, поэтому в нее добавляютизвесть, так как при больших количествах углекислоты и гидрокарбонатовгидроксид магния растворяется и процесс извлечения кремниевой кислотыухудшается.
Дозу каустическогомагнезита Дм или обожженного доломита, мг/л, определяют по формуле
/> (22.2)
где [Si032-]и[Mg2+]—соответственно концентрации ионов кремниевой кислоты и магния в исходной воде,мг/л; Дк — доза коагулянта (FeClилиFeS04), мг/л; ек —эквивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв; Ссао— содержаниеСаО в каустическом магнезите или обожженном доломите, %; CMgo—содержание MgOвкаустическом магнезите иди обожженном доломите, ,%; Жк — карбонатная жесткость исходнойводы, мг-экв/л; [СО2] — содержание оксида углерода (IV) в обрабатываемой воде,мг/л.
Доза извести, мг/л,
/>
Время контакта реагентас водой назначают 60… 90 мин. Оптимальная температура процессаобескремнивания 40°С, однако установлено, что при температуре воды выше 120…130 °С эффект обескремнивания повышается до 0,3… 0,5 мг/л, а расходреагентов и время нахождения воды в осветлителе сокращаются вдвое.
Фильтрационноеобескремнивание воды
При фильтрационномметоде обескремнивания воды фильтры загружаются магнезиальными сорбентами (полуобожженнымдоломитом, а также специальным сорбентом, получаемым обработкой измельченногокаустического магнезита соляной кислотой), активированным оксидом алюминия,бокситами. Технология получения магнезиального сорбента следующая: смеськаустического магнезита с соляной кислотой или хлоридом магния, имеющуюконсистенцию теста, высушивают при температуре 80...100°С, измельчают ипросеивают. Полученный магнезиальный сорбент представляет собой зерна светло-серогоцвета крупностью 0,5… 1,5 мм. Массовое отношение Mg/Clвсорбенте примерно составляет 1,5: 1, а его насыпная масса 0,75… 0,85 т/м3.Сущность обескремнивания воды фильтрованием через такой сорбент заключается вобразовании мало растворимого в воде силиката магния.
При высоте слоясорбента в фильтре 3,4… 4,0 м, температуре воды до 40...50°С и скоростифильтрования до 10 м/ч, содержание кремниевой кислоты в воде снижается до 0,1…… 0,3 мг/л. Один кубометр сорбента поглощает до полного истощения 90 кг Si02.
Недостаток методазаключается в необходимости через каждые шесть месяцев (при среднем содержаниив исходной воде до 10 мг/л SiO3)менять загрузку фильтра, поскольку сорбент не регенерируется.
Большой практическийинтерес представляет использование активированного оксида алюминия и бокситов вкачестве загрузки обеекремнивающего фильтра. При скорости фильтрования 5… 6м/ч слой сорбента толщиной 1,5 м снижает содержание кремниевой кислоты до0,1… 0,5 мг/л. Фильтр регенерируется 0,1%-ным раствором щелочи. За один цикл1 м3 активированного оксида алюминия поглощает из воды 10… 12 кг Si032-.Большоепреимущество фильтрационного метода заключается в компактности установок ипростоте их обслуживания.
Обескремнивание водыанионитами
Анионитовый методобескремнивания воды в цикле ионитовогообессоливания с сильноосновными анионитами обеспечивает снижение концентрациикремнекислых соединений до 0,03… 0,05 мг/л.
Сущность анионитовогометода обескремнивания и одновременного обессоливания воды заключается вследующем: воду пропускают через Н-катионитовые фильтры, где из нее извлекаютсякатионы Ca(II),Mg(II),К(1)и Na(I).Затемвода проходит через фильтры со слабоосновным анионитом, где она избавляется отанионов сильных кислот (S042~,Cl~, N02~).Последегазации воды для удаления из нее оксида углерода (IV) ее пропускают черезфильтры с сильноосновным анионитом, где удаляется слабая кремниевая кислота.Для получения воды с общим содержанием соли менее 1 мг/л, в том числе с общимсодержанием кремниевой кислоты менее 0,03 мг/л, применяют трехступенчатые схемыионирования. К недостаткам этого метода следует отнести его сравнительновысокую стоимость,
/>
Рис. 22.3. Схемаобескремнивания воды фторидным методом.
1 — бак с растворомфторида натрия; 2 — насос-дозатор; 3, 10 — подача исходной и отвод обессоленнойи декремнизированной воды; 4 — водород-катионитовыйфильтр;5— эжектор; 6, 7 — бак с растворомщелочи исернойкислоты;8— ОН-анионитовый фильтр; 9 — дегазатор
что объясняется большимрасходом едкого натра на регенерацию и быстрым уменьшением в процессеэксплуатации кремне- емкости высокоосновных анионитов. Это вынуждает заменятьих через каждые 1,5… 2 года.
Фторидный методобескремнивания воды (рис. 22.3) специальными реагентамидает возможность использовать слабоосновные аниониты. Этот метод состоит в том,что дозируемые в обрабатываемую воду плавиковая кислота или фторид натрияпереводят кремниевую кислоту в сильную кремнефтористоводородную, котораядостаточно полно поглощается слабоосновными анионитами:
/>
Электрохимическое декремнизированиеводы
Обескремнивание водыпри электролизе растворимым алюминиевым анодом основано наспособности образующегося в процессе электролиза гидроксида алюминиясорбировать соединения кремния. Как показали исследования П. П. Строкача,наиболее эффективно данный процесс протекает при неглубоком обескремниванииводы, т. е. при снижении концентрации Si02на60… 80%. В этом случае при расходе алюминия 2…… 3 г/м3 и потребленииэлектроэнергии 0,01 ...0,02 кВт*ч/м3 концентрация Si02уменьшаетсяв 2 раза.
Это открывает реальныеперспективы использования данного метода при подготовке воды для глубокогообескремнивания и обессоливания ионообменными и сорбционными методами.
При небольших расходахобрабатываемой воды метод может использоваться и для глубокого обескремнивания,однако, в этом случае требуется повышенный расход алюминия и электроэнергии.Например, для полного обескремнивания воды, содержащей 40 мг/л Si02приплотности тока 2 мА/см2, расход алюминия составляет 50 г/м3, а расходэлектроэнергии — 0,6 кВт*ч/м3.
На процессобескремнивания воды электрохимическим методом влияют рН воды, ее солевойсостав, плотность тока и другие факторы. Наиболее эффективно водаобескремнивается при рН=6,5… 9,0, плотности тока 1… 2 мА/см2 и вгидрокарбо- натнохлоридных средах с небольшим содержанием сульфатов (рис. 22.4)и (рис. 22.5). .
/>
Рис. 22.4. Зависимостьэффекта обескремнивания воды (1) от величины рН (2)при плотности тока- 2 мА/см2 и дозе алюминия 20 мг/л
/>
Рис. 22.5. Влияниеплотности тока и расхода алюминия на эффект обескремнивания воды:
1— плотность тока 10; 2 — 2;3— 0,5 мА/см2
ЛИТЕРАТУРА
Алексеев Л. С., Гладков В. А. Улучшениекачества мягких вод. М., Стройиздат, 1994 г.
Алферова Л. А., Нечаев А. П. Замкнутыесистемы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М.,1984.
Аюкаев Р. И., Мельцер В. 3. Производствои применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л., 1985.
Вейцер Ю. М., Мииц Д. М.Высокомоллекуляриые флокулянты в процессах очистки воды. М., 1984.
Егоров А. И. Гидравлика напорныхтрубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.
Журба М. Г. Очистки воды на зернистыхфильтрах. Львов, 1980.