Установки для предварительной очистки воды (предочистки) служат для удаления или снижения содержания в воде взвешенных и органических веществ, полного удаления свободной углекислоты, магния, бикарбонатного иона и кремниевой кислоты путем коагуляции, известкования, отстаивания и отфильтровывания выпавшего осадка.
Основными этапами обработки являются: приготовление растворов реагентов и дозирование их; смешение воды с реагентами; осветление-отстаивание выделившегося осадка; фильтрование отстоявшейся воды через зернистые фильтры.
Наиболее распространенной схемой предочистки при химической обработке воды для питания паровых котлов является схема с коагуляцией в осветлителях — фильтрование.
В схемах с одной коагуляцией без извести хорошие результаты дает применение флокулянта — полиакриламида, ускоряющего осаждение хлопьев коагулянта [А1(ОН)3]. Известкование в осветлителях (в необходимых случаях с коагуляцией) и фильтрование является основным, наиболее универсальным способом предочистки. Расход (доза) реагентов определяется экспериментально по ГОСТ 2676-44 и ГОСТ 2919—45 упрощенными методами или расчетом.
Осветление воды основано на осаждаемости грубодисперсных частиц под действием силы тяжести. Для ускорения процессов осаждения взвеси применяют ее коагулирование, для чего в воду добавляют химические вещества – коагулянты1. В результате образуются коллоидные2 хлопья, быстро осаждающиеся и увлекающие за собой частицы взвеси. В качестве коагулянтов используют используют сернокислый алюминий Al2(SO4)3, сернокислое Fe2(SO4)3 и хлорное FeCl3 железо или железный купорос FeSO4·7H2O. Коагулянт вступает в химическую реакцию с содержащимися в воде гидрокарбонатными солями кальция и магния.
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2;
Al3(SO4)3 + 3Mg(HCO3)2 = 3MgSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2.
При коагулировании с помощью Al2(SO4)3 происходящий гидролиз заканчивается образованием гидроксида алюминия 2Al(OH)3, который в виде хлопьев выпадает в осадок, и свободной углекислоты CO2.
Коагулирование взвешенных веществ происходит хорошо в мягких природных водах. При низкой щелочности воду подщелачивают гашеной известью Ca(OH)2.
Ориентировочная потребность в коагулянте (Al2(SO4)3 или Fe2(SO4)3 или FeCl3) может быть ориентировочно определена по следующей таблице.
Содержание взвешенных частиц, мг/л |
Доза безводного коагулянта, мг/л |
<50 |
20-30 |
50-100 |
25-35 |
100-200 |
30-45 |
200-400 |
40-60 |
400-600 |
45-70 |
600-800 |
55-80 |
800-1000 |
60-90 |
1000-1400 |
65-105 |
1400-1800 |
75-115 |
1800-2200 |
80-125 |
С повышением температуры ускоряются химические реакции и кристаллизация осадков, улучшается их осаждение. Колебания температуры ухудшают условия осаждения. При коагуляции температура должна быть не ниже 20 0С, при известковании оптимально 35-40 0С. Колебания температуры при осаждении шлама в осветлителе не должно превышать ±1 0С.
При наличии в воде магния известкование приводит к следующей реакции:
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 = 2CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2H2O.
Хлопья Mg(OH)2 выпадают в осадок медленнее, чем CaCO3.
При осветлении необходимо соблюдать следующие требования:
- постоянство качества воды по удаляемым примесям;
- постоянство концентрации (±5% от расчетной) растворов реагентов;
- постоянство дозировки реагентов с отклонениями от средней оптимальной не более чем на 2-3%;
- постоянство производительности осветлителей или плавное повышение ее не более чем на 5-10% в минуту во избежание выноса хлопьев;
- энергичное перемешивание воды с реагентами при скорости движения (входа воды) в зону смешения 0,5-1,5 м/сек;
- пребывание воды в зоне смешения 3-10 мин, в зашламленном (реакционном) объеме – 30-60 мин, в зоне осветления не менее 40-80 мин;
- содержание сухого вещества в зоне зашламления 5-10 г/л, а в продуваемом шламе – не менее 30 г/л.
Глубина умягчения зависит от наличия в обработанной воде осаждаемых ионов и осадительных реагентов. Так при наличии в обработанной воде избытка карбоната натрия Na2CO3 (0,5 ммоль/л) и при температуре до 60 0С остаточная жесткость содоизвестко-ванной воды равна 0,2-0,3 ммоль/л за счет протекания реакции
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4.
При отсутствии избытка Na2CO3 остаточная жесткость в 2 раза выше. При понижении температуры остаточная жесткость повышается.
Применение едкого натра (NaOH) взамен части извести и соды рекомендуется только в количествах, заменяющих соду и не повышающих остаточную щелочность воды, если это оправдано технически и экономически (NaOH в 3-4 раза дороже соды Na2CO3 и в 15 раз – извести 2Ca(OH)2).
Так, если при коагуляции имеем
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 3CaSO4 + 2Al(OH)3↓ + 6CO2↑,
а затем CaSO3 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4,
то при применении NaOH сразу имеем
Ca(HCO3)2 +2NaOH → CaCO3↓ + Na2CO3 + 2H2O;
Mg(HCO3)2 +4NaOH → Mg(OH)2↓ + 2Na2CO3 + 2H2O.
Попадание в осветлитель воздуха вследствие плохой работы воздухоотделителя (скорость опускания воды более 5 см/сек) приводит к взмучиванию и выносу осадка. Иногда возможно выделение в осветлителе мельчайших пузырьков воздуха и углекислоты, если вода пресыщена ими при данной температуре. Так, при нагреве вода, насыщенная воздухом при +10 0С, становится пересыщенной им в 1,5-2 раза при 35-40 0С. Выделяются мельчайшие газовые пузырьки, которые могут не успеть отделиться в воздухоотделителе. Они растворяются в воде в нижней части осветлителя под давлением столба жидкости и вновь выделяются в верхней его части. Поднимаясь, эти газовые пузырьки увлекают с собой хлопья осадка. Последние дробятся на дроссельной решетке и выносятся из осветлителя током теперь уже не осветленной воды.
1Коагулянт – вещество, вызывающее слипание и выпадение в осадок мелких частиц.
2Коллоидный раствор – высокодисперсное состояние вещества.