Удаление из воды растворенной углекислоты

Растворенную углекислоту из воды можно удалять химическими методами или аэрацией.

Как было указано ранее, вода, равновесно насыщенная углекислотой, при контакте с воздухом и температуре 5°С содержит 2,77 мг/л углекислоты, а при температуре 20°С=1,69 мг/л углекислоты. Эти величины, следовательно, являются пределом, до которого при соответствующей температуре может быть снижено содержание СО₂ в воде аэрацией. В практике эти предельные значения достигаются не всегда. Остаточное содержание углекислоты после аэрации воды с температурой 5-8°С на вентиляторной градирне обычно составляет 3-4 мг/л, на контактной градирне - 5-6 мг/л, в брызгальном бассейне-30-35% начального ее содержания в воде.

Брызгальные бассейны (рис. 21) можно применять в тех случаях, когда не требуется глубокого удаления из воды углекислоты. Брызгальный бассейн представляет собой открытый резервуар глубиной 1,5-2 м, над поверхностью воды в котором на высоте 1-2 м на специальных козлах или столбиках расположены водораспределительные трубы с разбрызгивающими соплами.

Вода поступает в распределительные трубы под напором 4-6 м вод. ст. и разбрызгивается соплами в воздух над поверхностью воды в бассейне. Во время падения мелкие капли воды омываются воздухом, в результате чего углекислота десорбируется из воды.

 

 

Рисунок 21. Брызгальный бассейн

1- резервуар бассейна; 2- распределительные трубы; 3- сопла (брызгала); 4- подача воды в резервуар бассейна, минуя сопла (используется в холодное время года); 5- подача воды на охлаждение; 6- отвод охлажденной воды; 7- грязевая труба; 8- переливная труба; 9- приямок

 

Для диспергирования воды в воздухе служат различные сопла (рис. 22) - винтовые, тангенциальные, щелевые. Вода к соплам, устанавливаемым пучками по 3-5 шт., подводится трубопроводами с патрубками диаметром 50 мм. При напоре 5 м вод. ст. одно щелевое сопло П-16 диспергирует в воздухе 35 м³/ч, винтовое сопло- 15-17 м³/ч, тангенциальное сопло - около 10 м³/ч воды. Расстояние между соплами и число сопел в пучке подбирается таким образом, чтобы нагрузка на 1 м² площади брызгального бассейна была в пределах 1,2-1,5 м³/ч.

Рисунок 22. Разбрызгивающие сопла:

а- сопло с винтовым вкладышем конструкции МОТЭП; б- эвольвентное; в- щелевое П-16

 

Вентиляторные градирни (рис. 23) или дегазаторы представляют собой круглые или прямоугольные в плане резервуары с поддоном и дырчатым дном, поддерживающим насадку из колец Рашига или деревянных реек (так называемая хордовая насадка).

Подлежащая обработке вода с помощью распределительной системы разбрызгивается сверху по поверхности насадки и стекает по ней вниз в поддон. Воздух нагнетается вентилятором в нижнюю часть градирни под дырчатое дно и поднимается через слой насадки вверх, омывая воду, стекающую по насадке тонкой пленкой. Для предотвращения потерь воздуха вместе с прошедшей градирню водой выпуск ее из поддона осуществляется через гидравлический затвор.

Площадь поперечного сечения и диаметр дегазатора следует определять исходя из допускаемой плотности орошения насадки (т.е. расхода воды, приходящегося на единицу площади поперечного сечения дегазатора), которую рекомендуется принимать при глубоком удалении из воды свободной углекислоты или свободного сероводорода 60 (м³/м²•ч) при насадке из колец Рашига размером 25х25х3 мм (по ГОСТ 748-67) и 40 м³/(м²•ч) при деревянной хордовой насадке из реек размером 50Х13 мм. Для частичного удаления углекислоты при обезжелезивании воды нагрузка на вентиляторный дегазатор может быть увеличена до90 м₃/(м²•ч).

Рисунок 23. Схема вентиляторной градирни с насадкой

из колец Рашига

1-ввод обрабатываемой воды; 2-отвод воды, прошедшей дегазатор; 3-гидравлический затвор; 4-отвод воздуха; 5-люк; 6-вентилятор; 7 - распределительные патрубки

 

Необходимый расход воздуха составляет: при глубоком удалении из воды свободной углекислоты около 15-20 м³, а при частичном удалении из воды свободной углекислоты (в процессе обезжелезивания воды аэрацией) около 4-5 м3 на 1 м3 воды.

Необходимую поверхность насадки в дегазаторах определяют по уравнению (23). Величину G определяют по формуле

G=0,001q(Свх-Свых),                         (24)

где q- расход воды, поступающей на дегазатор, в м3/ч;

Свх- концентрация удаляемого газа в воде, поступающей на дегазатор, в г/м³;

Свых- заданное остаточное содержание удаляемого газа в воде в г/м³.

Величину Свх при обработке природных вод определяют по данным анализа или по номограмме, приведенной на рис. 1.4.

При удалении углекислоты в процессе Н-катионирования или ионитового обессоливания воды:

Свх = 44*Щк + Сисх,                         (25)

где Щ_к - общая щелочность воды в мг-экв/л;

С_исх- содержание углекислоты в исходной воде (перед Н-катионированием) в мг/л.

Необходимый напор, развиваемый вентилятором, следует подсчитывать исходя из суммы потерь напора в насадке, распре­делительной плите, а также на преодоление местных сопротивлений.

Потери напора в кольцах Рашига размером 25х25х3 мм на 1 м высоты слоя насадки можно принимать: при глубоком удалении из воды свободной углекислоты или сероводорода - 30 мм вод. ст., а при частичном удалении из воды свободной углекислоты (в цикле обезжелезивания воды) - 15 мм вод. ст. Потери напора в деревянной хордовой насадке на 1 м ее высоты можно принимать равными 10 мм вод. ст.

Потери напора в распределительной плите можно принимать 10 мм вод. ст., а суммарные потери напора на местные сопротив­ления - около 15-20 мм вод. ст.'

Насадку из колец Рашига следует размещать на промежуточном днище, которое в зависимости от производительности дегазатора можно выполнять либо в виде дырчатого круглого листа, либо в виде сварной решетки из уголковой стали или винипла­ста. Диаметр отверстий (или величину Прозоров) в решетке принимают равным 20 мм. Отверстия в круглом листе нужно размещать равномерно по всей его площади. Расстояние от дна дегазатора до низа промежуточного днища принимают 600 мм независимо от производительности и назначения дегазатора. Вода, подлежащая дегазации, распределяется по площади дегазатора с помощью распределительной плиты, расположен­ной над насадкой. Расстояние от верха насадки до низа распре­делительной плиты следует принимать равным 150 мм независимо от назначения и производительности дегазатора.

На распределительной плите находится 48 патрубков для подачи воды в дегазатор и 8 патрубков для выхода воздуха. Патрубки для распределения воды размещают равномерно по площади плиты, так, чтобы верхний их конец был выведен на 100 мм выше плиты. Патрубки для сбора воздуха с отражательными колпаками устанавливают равномерно по сторонам квадрата с возвышением над верхом плиты на 400 мм.

Расстояние от верха распределительной плиты до низа крыш­ки дегазатора можно принимать равным 500 мм.

Диаметр воздухоотводящей трубы или короба нужно подбирать по скорости движения воздуха в нем порядка 5-6 м/сек. Воздухоотводящая труба должна выходить наружу через стенку здания водоочистной установки.

Пенные дегазаторы (рис. 24) начали применять для удаления из воды углекислоты лишь совсем недавно. Вода в пенном дегазаторе движется в горизонтальном направлении по решеткам, перетекая через пороги с одной решетки на другую. Воздух подается вентилятором под нижнюю решетку и проходит последовательно снизу вверх через все решетки и движущуюся по ним воду, вспенивая ее.

 

Рисунок 24. Схема пенного дегазатора

1-исходная вода; 2-воздух; 3-пена; 4 - сток; 5-вода потребителю

 

Для предотвращения «проваливания» воды через отверстия или щели решетки интенсивность подачи воздуха принимается не менее 0,35 м³/(м²•ч). Диаметр отверстий решетки или расстояние между кромками щелей - не более 6 мм, а общая скважность ре­шетки - 5-15%.

При нагрузке по воде 15 м³/(м²•ч) одной решетки на ней удаляется 35-40% содержащейся в воде углекислоты, при нагрузке 9 м³/(м²•ч) - до 50%. Поэтому в пенных дегазаторах, работающих с нагрузками 15 и 9 м³/(м²•ч) приходится устанавливать решетки в количестве соответственно 5-7 и 3-4 шт. Гидравлическое сопротивление проходу воздуха одной решетки со 100-мм слоем вспененной воды при интенсивности продувки воздухом 0,35 м³/(м²•сек) составляет около 35 мм.вод.ст., что позволяет применять для подачи воздуха вентиляторы среднего давле­ния (150-200 мм вод. ст.).

 

 

Обескислороживание воды

Кислород из воды можно удалять:

а) химическими методами - введением в воду восстановителей, связывающих растворенный в воде кислород; фильтрованием воды через электроно-обменные смолы и другие нерастворимые в воде гранулирован­ные вещества, способные окисляться растворенным в воде кислородом;

б) физическими методами, основанными на уменьшении растворимости кислорода в воде при ее нагреве или снижении парциального давления кислорода у поверхности воды.

При введении в воду веществ, способных достаточно быстро окисляться растворенным кислородом, последний расходуется на их окисление, и концентрация его в воде снижается. При введении в воду избытка восстановителя содержание растворенного кислорода может быть снижено практически до нуля.

Чаще всего для химического обескислороживания воды применяются сульфит натрия, сернистый газ, тиосульфат натрия, гидразин.

При введении в воду сульфит натрия окисляется растворенным кислородом до сульфата натрия:

2Na₂S0₃ + О₂ = 2Na₂S0₄

При добавлении в воду сернистый газ вступает в реакцию с бикарбонатом кальция с образованием сернистокислого кальция, который затем растворенным в воде кислородом окисляется в сульфат кальция:

Если добавить в воду гидросульфит Na₂S0₄ или тиосульфат натрия Na₂S0₃, они окисляются растворенным в воде кислородом до сульфата натрия, при этом плотный остаток воды повышается на меньшую величину, чем при введении в воду сульфита натрия.

Реакция окисления сульфитов и тиосульфатов растворенным в воде кислородом при обычных температурах идет медленно и при температуре воды ниже 5°С и 10%-ном избытке восстановителя заканчивается лишь через 3-4 ч.

Скорость этого процесса может быть значительно увеличена подогревом воды и введением избытка восстановителя или катализатора.

Повышение температуры воды на 10° увеличивает почти в 2 раза скорость реакции. При введении сульфитов в воду, нагретую до температуры 95-100°С, процесс обескислороживанияводы заканчивается через 1-2 мин даже при минимальном против стехиометрического избытке (5%) сульфита. Увеличение дозы сульфита вдвое против стехиометрической увеличивает скорость процесса обескислороживания воды в 4 раза.

Хорошими катализаторами процесса обескислороживания воды сульфитом натрия, сернистым газом, гидросульфитом и тиосульфатом натрия явля­ются соли меди и кобальта, а также окислы марганца.

При обескислороживании воды сульфитом натрия или сернистым газом необходимую дозу реагента, мг/л можно подсчитывать по формуле:

а= 1,1b[0₂],                                                   (26)

где b- теоретический расход реагента на связывание 1 мг растворенного кислорода, принимаемый для безводного сульфита натрия 7,9, для кристаллического сульфита натрия'(Na₂SO₃-7H₂O) 16, для сернистого газа 4;

[О₂] - концентрация в воде растворенного кислорода в мг/л.

Медный купорос (2,5 мг/л в пересчете по безводному продукту) или сернокислый кобальт (0,003 мг/л в пересчете по безводному продукту) следует добавлять в воду вместе с введением в нее раствора сульфита натрия или сернистого газа или до введения их.

Последнее время для обескислороживания воды начали применять гидразин N₂H₄. При введении в воду гидразин окисляется растворенным в ней кислородом с образованием инертного газа (азота) и воды:

N₂H₄+ 0₂=2H₂O+N2.

На связывание 1 мг О₂ теоретически расходуется 1 мг гидразина, однако обычно его дозируют в полуторном избытке. На станции гидразин доставляют в виде 35%-ного водного раствора гидразингидрата (раствор более высокой концентрации огнеопасен). Дозируют гидразин в обрабатываемую воду в виде 0,5-1%-ного раствора, имеющего щелочную реакцию (рН>9). По сравнению с сульфитом натрия гидразин имеет следующие преимущества: он не увеличивает плотного остатка и его расход в 8 раз меньше по весу.

Реакция связывания гидразином растворенного в воде кислорода идет очень быстро при температуре воды 80-100° С. Поэтому гидразин особенно хорошо зарекомендовал себя при дообескислороживании воды, подвергнутой предварительно термической деаэрации.

Удаление растворенного кислорода может быть также достигнуто фильтрованием воды через электронообменные и электроноионообменные смолы, а также стальные стружки.

Электронообменные смолы (ЭО) представляют собой продукты поликонденсации таких восстановителей, как пирогаллола, гидрохинона, пирокатехина или гидразина с фенолом и формальдегидом. Электроноионообменные смолы (ЭЙ) наряду с окислительными и восстановительными обладают и ионообменными свойствами.

При использовании ЭО для обескислороживания воды их ре­генерация по исчерпании восстановительной способности произ­водится 1-2%-ным раствором тиосульфата или сульфита натрия. Восстановительная способность электронообменных смол, выпускаемых отечественной промышленностью, равна: ЭО-6- 450 мг-экв/л, ЭО-7-600-800 мг-экв/л, ЭО-11-5000 мг-экв/л. Последний представляет собой медную форму сульфокатионита, содержащего координационно связанный гидразин.

Электроноионообменные смолы представляют собой катиониты с введенным в них железом или медью. Электроноионообмен-ная смола ЭЙ-12 имеет обменную способность по кальцию 500 мг-экв/л.

Аниониты, образующие комплексные соединения с медью, после обработки раствором сульфита или аммиаката меди обладают высокой поглотительной способностью по отношению к кислороду (до 5 кг О₂ на 1 м³ объема анионита). Такой анионит регенерируют пропуском через него раствора гидросульфита натрия.

Аналогичным образом иониты, способные сорбировать кислород, могут быть приготовлены из обычных товарных катионитов. Для этого катионит в фильтре сначала обрабатывают раствором соли двухвалентного железа или меди. При этом ионы Fe²⁺ или Сu²⁺ сорбируются катионитом. При дальнейшей обработке катионита подщелоченным раствором сульфита или гидросульфита натрия на его зернах выпадают гидрозакиси железа или меди. При фильтровании через такой катионит воды гидрозакиси железа или меди поглощают из нее растворенный кислород, окисляясь до соответствующих гидроокисей. Обескислороживающая способность катионита восстанавливается воздействием на него раствора сульфита или гидросульфита натрия.

Обескислороживание горячей умягченной воды может быть достигнуто фильтрованием ее через слой стальных стружек. При этом растворенный в воде кислород расходуется на окисление гидрозакиси железа, образующейся на поверхности стружек.

Мелкую стружку из обычной нелегированной углеродистой стали очищают от грязи и обезжиривают промывкой горячим раствором щелочи и горячей водой, затем активируют в течение 15-30 мин. 2%-ным раствором серной или соляной кислоты, вновь промывают горячей водой и загружают в фильтр (1200кг на 1 м3 фильтрующего слоя).

Фильтрование через такую стружку обеспечивает практически полное удаление кислорода из горячей воды, если она предварительно умягчена и ее жесткость не превышает 0,05 мг-экв/л. При температуре 100°С должна быть обеспечена 1,5-2-мин, а при температуре 75° С - 4-5-мин продолжительность контакта воды со стружкой.

При обескислороживании этим методом холодной или неумягченной воды поверхность стружки быстро пассивируется и обескислороживание воды прекращается.

Во избежание загрязнения воды железом ее после сталестружечного фильтра желательно фильтровать через слой песка.

Электрохимический метод обескислороживания воды, разработанный А. И. Красилыциковым и Л. И. Волчковой, а также О. М. Фаянсом, сводится к пропуску всей или части обескислороживаемой воды через электролизер со стальными биполярными электродами.

В таком электролизере одновременно происходят три процесса:

1) анодное растворение железа на анодах и окисление образовавшейся затем гидрозакиси железа растворенным в воде кислородом в гидроокись

2) катодное восстановление кислорода на катоде;

3) окисление растворенным в воде кислородом водорода, выделившегося на катоде электролизера,

Последний процесс при отсутствии катализаторов идет медленно. Поэтому для его реализации желательно либо вводить катализатор (активный уголь, дробленый пиролюзит) непосредственно в рабочие камеры электролизера, либо пропускать воду с растворенным водородом через фильтр, загруженный гранулированным катализатором.

Для удаления хлопьевидной гидроокиси железа воду после электролизера следует пропускать через фильтры, загруженные песком или мраморной крошкой.

К физическим методам обескислороживания воды относят термическое и вакуумное ее деаэрирование. В обоих случаях удаление из воды кислорода достигается разбрызгиванием ее в условиях, при которых вода кипит. В термических дегазаторах вода разбрызгивается при температуре выше 100°С и давлении, большем атмосферного. В вакуумных деаэраторах поддерживают вакуум, при котором вода кипит при данной ее температуре.

Вакуумные дегазаторы (рис. 25) представляют собой стальные цилиндрические резервуары, заполненные насадкой из колец Рашига или из деревянных реек.

Для того чтобы вода из вакуумного дегазатора стекала в приемный бак, низ дегазатора должен быть расположен примерно на 10 м выше поверхности воды в приемном баке. Для уменьшения высоты расположения дегазатора целесообразно отсасывать из него обескислороженную воду насосом.

 

Рисунок 25. Схема вакуумного дегазатора

1 - подвод воды; 2 - распределительная тарелка; 3 - отсос парогазовой смеси; 4 - отвод дегазированной воды; 5 - насадка

 

Площадь поперечного сечения дегазатора принимают по плотности орошения насадки равной 50 м3/(м²•ч). Площадь поверхности насадки дегазатора F определяют по формуле (23).