Химические методы дегазации воды

2. Химические методы дегазации воды

В основе химических методов 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 легко окисляющиеся вещества, например, через стальные стружки, и обработку сульфитом натрия или оксидом серы(1У).

При использовании стальных стружек их обезжиривают и загружают в специальный фильтр. Содержание марганца в них не должно превышать 0,3%.

В процессе фильтрования железо, окисляясь, связывает кислород

4Fe + 30₂ = 2Fe₃0₃.

Оксид железа (III) и гидроксид железа (III), образовавшиеся в результате коррозии стружек, удаляют обратной промывкой. Продолжительность контакта воды со стружками зависит от температуры и уменьшается от 25 до 3 мин при увеличении температуры от 20 до 80 °С.

Чаще всего применяют обработку воды сульфитом натрия

2Na₂S0₃ + 0₂ = 2Na₂S0₄, или оксидом серы (IV)

S0₂ + H₂0=H₂S0₃,

Образующаяся сернистая кислота окисляется кислородом, содержащимся в воде, до серной кислоты:

2H₂S0₃+ 0₂ = 2H₂S0₄.

В качестве катализатора применяют соли меди(II) или кобальта (II) в виде 0,01%-ного раствора. Для удаления 1 мг кислорода расходуется 4 мг оксида серы(IV) или 7,9 мг сульфита натрия. Кроме того, для удаления кислорода воду обрабатывают также гидразином N₂H₄.

Гидразин является сильным обескислороживающим реагентом:

0₂ + N₂H₄ → N₂ + 2Н₂0.

Эта реакция протекает значительно быстрее, чем реакция окисления сульфита натрия. Катализаторами в данном случае являются металлическая медь, стекло и активированный уголь. Реакция обескислороживания воды гидразином каталитически ускоряется материалом стенок котла.

Гидразин применяют для обработки воды, идущей на питание прямоточных котлов, поскольку он не увеличивает количества сухого остатка питательной воды и не образует вредных летучих продуктов разложения. Недостатком метода обескислороживания воды гидразином является его высокая стоимость.

Процесс связывания кислорода восстановителями идет быстро при температуре 95 ... 100°С и заканчивается за 1 ... 2 мин, даже при минимальном против, стехиометрического избытке (5%) восстановителя.

Необходимую дозу сульфата 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 расход реагента на связывание 1 мг растворенного кислорода, мг.

Удаление растворенного кислорода без подогрева воды может быть достигнуто фильтрованием ее через электронно-обменные (ЭО) и электронно-ионообменные смолы (продукты конденсации пирогаллола, гидрохинона или пирокатехина с фенолом и формальдегидом). Восстановительная способность отечественных электрообменников следующая: ЭО-6 — 450; ЭО-7 — 600 ... 800; ЭО-8 — 5000 г-экв/м3. При использовании ЭО смол для обескислороживания воды высота слоя смолы в фильтре принимается равной 2 м, скорость фильтрования —20 м/ч. Регенерируются фильтры 1... 2%-ным раствором сульфита или тиосульфита натрия.

Электронно-обменные смолы представляют собой катиониты или аниониты с веденными в них железом или медью. Выпускаемая промышленностью электронно-ионообменная смола ЭИ-12 имеет обменную способность по кальцию 500 г-экв/м³ и поглотительную способность по кислороду 45 кг О₂/м³. Регенерируется смола ЭИ-12 так же, как и смолы ЭО.

На рис. 19.9 показана схема удаления кислорода ионообмен- ником, заряженным палладием, с использованием водорода в качестве катализатора. Остаточное содержание кислорода 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

Эффективное обескислороживание воды может быть достигнуто в электролизерах с растворимыми железными или алюминиевыми электродами. Обескислороживание происходит за счет катодной и анодной деполяризации, а также химического окисления железа или алюминия растворенным в воде кислородом. Для удаления из воды сероводорода химическими методами его окисляют кислородом воздуха или хлором, кроме того, может быть использовано взаимодействие сероводорода с гидрок- сидом железа(III). Для более полного удаления сероводорода кислородом воздуха при аэрации воду подкисляют серной или соляной кислотой до рН=5,5.

Дозу кислоты, мг/л, для снижения рН определяют по формуле

где Щ — щелочность исходной воды, мг-экв/л; е₁ — эквивалентная масса кислоты; С — концентрация серной или соляной кислоты в техническом продукте, %.

Очищенную воду необходимо стабилизировать подщелачиванием для устранения коррозионных свойств.

Сероводород окисляют хлором до свободной серы или до серной кислоты (в зависимости от дозы хлора). Малые дозы хлора (2,1 мг на 1 мг свободного сероводорода) окисляют сероводород до коллоидной серы:

H₂S + С1₂ = 2НС1 + S ,

которую затем необходимо удалять. В этом заключается недостаток метода. Большие дозы хлора (8,4 мг/мг) окисляют сероводород до серной кислоты:

H₂S + 4С1₂ + 4Н₂0 = H₂S0₄ + 8НС1.

Реакция протекает довольно медленно и имеет практическое значение лишь при окислении небольших количеств сероводорода. Ее используют для удаления остаточного сероводорода, например, после аэрирования.

Д. П. Козырев предложил метод удаления сероводорода гидроксидом железа(III) с последующей регенерацией образующегося 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, что свободный сероводород удаляется этим методом довольно полно: вода теряет запах сероводорода, и коррозионные свойства. Обработанная вода после 2.... 3 ч отстаивания считается пригодной для технических нужд. Воду для питьевых и хозяйственно-бытовых нужд после предварительной обработки известью (около 60 мг/л в пересчете на СаО) необходимо отфильтровать.

Этот метод не новый, в нем оригинально лишь получение гидроксида железа(III) электрическим растворением 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 .

Естественная регенерация протекает медленно. Для ускорения процесса прибегают к искусственной регенерации, которая достигается аэрированием или обработкой веществами, быстро переводящими сернистые соединения в гидроксиды (серная или соляная кислота). Для окисления сульфидных соединений применяют также перманганат калия:

4KMn0₄ + 3H₂S -> 2H₂S0₄ + 3Mn0+Mn0₂ + S + 3H₂0.

С. Н. Линевичем предложен метод удаления сероводород из воды озонированием. При расходе озона 0,5 мг на 1 мг удаляемого сероводорода образуется коллоидная сера:

3H₂S + O₂=3S +3Н₂О,

при расходе озона 1,87 мг на 1 мг сероводорода образуютс сульфаты:

3H₂S + 40₃ = 3H₂S0₄.

Для воды, содержащей 15...20 мг/л сероводорода, продолжительность озонирования составляет 20 мин, расчетный расход озона — 30 мг/л.

Сероводород окисляется оксидом хлора (1У). Оптимальным условиями окисления сульфидов до сульфатов являются: доза ClO₂ 3,5 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 безотходного глубокого удаления из воды сероводорода (рис. 19.10), исключающая выброс в атмосферу удаляемого газа, повышая тем самым решение вопроса надежности охраны окружающей среды. Удаление сероводорода из подземных вод фильтрованием через модифицированную загрузку заключается в адсорбции ионов сероводородных соединений на зернах фильтрующей загрузки. Модификация песчаной загрузки состоит в том, что ее последовательно обрабатывают водными растворами железного купороса и перманганата калия или сульфата натрия и перманганата калия, в результате чего на поверхности зерен кварцев" го песка при рН среды 6...9 образуется пленка, в составе которой гидроксид железа и диоксид марганца.

Модификация песчаной загрузки описывается следующим уравнением:

3FeS0₄ + KMn0₄ + 2Н₂0= Fe (0H)₃+Mn0₂ + Fe₂ (S0₄)₃+K0H.

Рис. 19.10. Технологическая схема глубокого удаления из воды сероводорода фильтрованием через модифицированную загрузку.

1 и 5 — подача исходной и отвод очищенной воды; 2 — контактный осветлитель; 3 — сброс растворов после модификации загрузки; 4— переудив; 6 — подача промывной воды от насоса 7; 8 — резервуар промывной воды с тонкослойными модулями 9; 10 — утилизация осадка; 11 и 14 — бак для приготовления раствора КМn0₄ и FeS0₄; 12 — насос-дозатор для подачи модифицирующих растворов по реагентопроводу 13

В основе процесса удаления сероводорода с помощью фильтрования через модифицированную загрузку лежит явление хе- мосорбции. При этом гидроксид железа и диоксид марганца вступают во взаимодействие с сероводородом и гидросульфидом, переводя их в сульфид железа и серу. Принятая схема очистки гарантирует остаточное содержание сероводорода в воде менее 0,05 мг/л, что удовлетворяет требованиям ГОСТ "Вода питьевая".

Кроме химических способов окисления сероводорода используют и биохимический метод. Известно, что большое участие в окислении сульфидных вод принимают серобактерии, которые встречаются в серных источниках, стоячих водах и вообще широко распространены в природе. Для массового развития серобактерий необходимы сероводород и кислород. По данным Г. Ю. Асса, серобактерии окисляют сероводород до серы, которая, в свою очередь, окисляется в серную кислоту:

2H_aS + 0₂=2H₂0+2S +529,2 Дж;

2S + 30₂+2Н₂0 = 2H₂S0₄ + 1234,8 Дж.

Для интенсивной деятельности серобактерий необходимо обеспечить нейтрализацию образующейся H2S04. Это условие выполнимо в том случае, если вода содержит достаточное количество карбонатов. Описанные выше явления легли в основу используемого на практике биохимического метода удаления сероводорода (рис. 19.11).

Рис. 19.11. Установка биохимического извлечения сероводорода и воды.

1 — трубчатый колодец с погружным 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.

Технология взрывобезопасного удаления метана и его гомологов из подземных вод, исключающая выброс в атмосферу удаляемых из воды газов, позволяющая утилизировать их и сохранять в чистоте окружающую среду, разработана на кафедр "Водоснабжение" МГСУ (Г. И. Николадзе, А. С. Сайфуллаев) Вакуум в дегазаторе создают с помощью эжектора, а для продувки воды используют азот или углекислоту (рис. 19.12). Рис. 19.12. Технологическая схема удаления метана из подземных вод вакуумным способом с предварительным насыщением исходной воды воздухом (б) или инертным газом (а):

дегазация вода ионообменник вауукмный

1 — подача исходной воды из скважины, 2 — вакуумный дегазатор, 3 — эжектор, 4 — промежуточная емкость с высокомннер1алнзованной водой, 5 — циркуляционный насос, 6 — бак для раствора 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 — отвод дегазированной воды

Литература

Алексеев Л. С., Гладков В. А. Улучшение качества мягких вод. М.,

Стройиздат, 1994 г.

Алферова Л. А., Нечаев А. П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М., 1984.

Аюкаев Р. И., Мельцер В. 3. Производство и применение фильтрующих

материалов для очистки воды. Л., 1985.

Вейцер Ю. М., Мииц Д. М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. М., 1984.

Егоров А. И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.

Журба М. Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.