Технологические показатели качества воды

Задание

1. Технологические показатели качества воды.

Решите задачу. Считая, что в воде содержаться, только соли и рассчитайте:

а) солесодержания и рН исходной воды;

б) массу осадка после термического умягчения воды;

в) количество реагентов, необходимых для умягчения воды методом осаждения (расчет вести на 100% - ные растворы умягчающих реагентов);

г) солесодержания и рН воды после Na-катионирования;

д) солесодержания и рН воды после Н-катионирования;

е) солесодержания и рН воды после Н-катионирования и ОН-анионирования.

Технологические показатели качества воды

В зависимости от характера использования воды различными потребителями определяются и показатели, необходимые для качественной и количественной характеристики воды. Важнейшими показателями качества воды для использования ее в теплоэнергетике являются:

1) концентрация грубодисперсных веществ (ГДП);

2) концентрация истинно растворенных примесей (ионный состав);

3) концентрация коррозионно-активных газов;

4) концентрация ионов водорода;

5) технологические показатели, в которые входят сухой и прокаленный остаток, окисляемость, жесткость, щелочность, кремнесодержание, удельная электропроводимость и т. д.

Концентрация грубодисперсных веществ в воде может быть достаточно точно определена фильтрованием воды через бумажный фильтр с последующим его высушиванием при температуре 378-383 К до постоянной массы. Однако на практике предпочитают использовать методы определения грубодисперсных веществ по прозрачности и мутности воды.

Прозрачность воды определяют при повышенных концентрациях ГДП в воде при помощи стеклянной трубки, залитой водой, на дне которой расположен шрифт или крест с шириной линий 1 мм. Высота столба воды, при которой определяется хорошая видимость шрифта или креста, является количественной оценкой прозрачности воды. При малых концентрациях ГДП (<3 мг/кг) используют нефелометрический метод, основанный на сравнении мутности анализируемой воды с соответствующим эталоном. Концентрация ГДП может быть также определена по разности значений плотного и сухого остатков, полученных при упаривании 1 кг соответственно не фильтрованной и фильтрованной воды.

Сухой остаток позволяет косвенно судить о солесодержании воды, т. е. о сумме всех анионов и катионов в воде, за исключением ионов Н⁺ и ОН^-. Однако при образовании сухого остатка несколько изменяется ионный состав примесей за счет разложения бикарбонатов. В сухой остаток входит также часть органических и коллоидных примесей. Прокаливание сухого остатка при 1073 К приводит к сгоранию органических примесей и распаду карбонатов. Поэтому разность значений плотного и сухого остатков позволяет лишь ориентировочно оценить концентрацию.

Органических примесей в воде. На практике предпочитают определять концентрацию органических примесей в воде косвенным методом, используя сильные окислители (например, КМпО₄). Поэтому концентрацию органических примесей называют окисляемостью воды и выражают через расход окислителя, необходимого в стандартных условиях для окисления органических примесей, содержащихся в 1 кг воды.

Концентрации отдельных ионов в воде, мг/кг (или мг-экв/кг), определяют методами химического анализа. Правильность проведения анализа должна подтверждаться выполнением закона электронейтральности мг-экв/кг. Возможная ошибка при этом не должна превышать 1%:

Если ошибка превышает 1%, то следует проверить качество анализа отдельных ионов или повторить весь анализ.

Суммарная концентрация всех катионов и анионов в воде составляет солесодержание воды, при этом не учитываются анионы кремниевой кислоты из-за неопределенности сведений об их концентрации в ионной форме, полуторные оксиды и ионы Н⁺ и ОН^-. В случае крепких растворов ионы Н ⁺и ОН^- следует учитывать при подсчете солесодержания.

Жесткость воды является одним из важнейших показателей, определяющих пути использования воды в теплоэнергетике. Общей жесткостью воды Ж_о называется суммарная концентрация ионов кальция и магния, выражаемая в мг-экв/кг, а при малых значениях - в мкг-экв/кг. По определяющему катиону общая жесткость воды подразделяется на кальциевую Ж_Са и магниевую Ж_Mg. Часть общей жесткости, эквивалентная концентрации бикарбонат ионов и карбонат ионов в воде, называется карбонатной жесткостью Ж_к, а остальная часть, эквивалентная содержащимся в воде другим анионам (С1^-,SO₄ и др.), называется некарбонатной жесткостью Ж_ик:

Общей щелочностью воды Щ_о, мг-экв/кг, называется суммарная концентрация всех анионов слабых кислот и ионов гидроксила за вычетом концентрации ионов водорода:

Характер анионов слабых кислот, обусловливающих общую щелочность, позволяет подразделять ее на гидратную щелочность (равную концентрации ионов ОН^-), бикарбонатную (НСОз), карбонатную (СОз), силикатную (HSiO₄, SiO₃) и фосфатную (Н₂РО₄, НРО₄, РО₄).

Обычно в природных водах бикарбонатная щелочность, существенно преобладает над другими видами щелочности, поэтому ее значение без большой погрешности выражает общую щелочность воды. Поправка на концентрацию ионов Н⁺ при определении щелочности вводится при присутствии в воде слабых кислот в свободном состоянии, так как при их диссоциации образуются в эквивалентных количествах анионы слабых кислот и анионы Н ⁺.

Удельная электропроводимость воды, См/см, характеризуется электрической проводимостью слоя воды, находящегося между двумя противоположными гранями куба с ребром, равным 10^-2 м. Она косвенно связана с суммарной концентрацией примесей в истинно-растворенном состоянии (солесодержанием). В чистой воде, не содержащей примесей, перенос зарядов осуществляется лишь ионами Н⁺ и ОН^-. Удельная электропроводимость такой воды при 293К составляет 0,04 мкСм/см. В растворах связь между электропроводимостью и концентрацией ионных примесей зависит от множества факторов, в том числе от температуры, вида ионов, степени диссоциации, что существенно затрудняет измерения. Более определенная связь существует в растворах при постоянной температуре и степени диссоциации. катионирование умягчение вода солесодержание

Концентрация растворенных газов в воде зависит от множества факторов: природы газа, температуры воды, степени минерализации воды, парциального давления газа над водой, рН воды и т. п. Это во многих случаях существенно затрудняет их аналитическое определение в технологических процессах и требует специальных методов анализа. Концентрация СО₂в природной воде существенно зависит от степени углекислотного равновесия и составляет примерно 0,5 мг/кг (10⁵ моль/кг) при 293 К. Концентрация О₂ в значительной степени зависит от содержания в воде органических веществ и температуры. При увеличении температуры от 273 до 308 К концентрация кислорода в чистой воде уменьшается от 14,6 до 6,5 мг/кг.

Окисляемость в некоторой мере характеризует загрязненность воды органическими веществами. Она обычно выражается количеством миллиграммов кислорода, потребных для окисления в определенных условиях органических веществ, содержащихся в 1 кг исследуемой воды, и обозначается мг/кг О₂. Окисляемость не отвечает (не идентична) содержанию в воде органических веществ, так как при условиях ее определения не происходит полного разрушения (окисления) всех органических веществ. Окисляемость может быть выражена также количеством мг/кг КМпО₄, израсходованного на окисление органических веществ.

Под кремнесодержанием понимается концентрация кремниевой кислоты (кремнекислоты, H₂SiO₃) в пересчете на двуокись кремния (SiO₂), находящуюся в исходной воде. Присутствие SiO₂ в питательной воде котельных агрегатов, особенно давлением 4,0 МПа и выше, при некоторых условиях приводит, как показывает опыт, к ряду затруднений в эксплуатации: образуются силикатные накипи, обладающие низкой теплопроводностью; возникает занос проточной части турбин аналогичными соединениями. Поэтому технология обработки исходной воды нередко включает и процесс ее частичного или полного обескремнивания. В настоящее время обескремнивание исходной воды производится с использованием ионитов.

Концентрация SiО₂ в природных водах изменяется в широких пределах (от 5-10 до 90 мг/л). Она уменьшается с увеличением солесодержания (минерализации) воды. Маломинерализованные воды северных районов СНГ, как правило, содержат высокие концентрации кремнекислоты.

В исходных природных водах кремнекислота находится как в ионном (HSiO₃), так и в коллоидном состоянии. Это обстоятельство усложняет задачу обескремнивания и химического контроля водного режима котельных агрегатов, так как при ионообменных процессах и химическом контроле в реакцию вступает только ионодисперсная форма кремнекислоты, что следует иметь в виду.

Решение задачи

Дано:

Ж₀=1,5 ммоль-экв/л

Ж_нк=0,8 ммоль-экв/л

V=25 м³=25000 л

а) Солесодержания и рН исходной воды.

Солесодержания - суммарная концентрация растворенных в воде солей.

Ж_кVM_э=0,7*25*81=1417 г

ЖнкVMэ=0,8*25*55,5= 1110 г

Соль образована сильным основанием и сильной кислотой. Её раствор в воде имеет нейтральную реакцию среды рН=7.

Соль образованная сильным основанием и слабой кислотой при растворении в воде подвергается гидролизу

Константа равновесия этого процесса, помноженная на молярную концентрацию воды, называется константой гидролиза соли. Её можно вычислить по формуле:

где К_в=10^-14 - ионное произведение воды; - константа диссоциации по 1-ой ступени.

Уравнения диссоциации соли бикарбаната кальция

Исходная концентрация ионов :

2m/(MV)=2*1417/(162*25000)= 6,998*10^-4моль/л

Определим степень гидролиза соли

основная реакция среды

б) Масса осадка после термического умягчения воды

При термическом умягчении воды происходит снижение карбонатной жесткости в соответствии с реакцией

Массу образовавшегося карбоната кальция можно определить по закону эквивалентов:

Молярная масса

Тогда

Определим, сколько растворяется в 25000 л воды

произведение растворимости.

моль/л

Предельная масса растворенного в 25000 л воды :

Таким образом, в осадок при термическом умягчении воды выпадает:

Остаточная жесткость воды равна некарбонатной жесткости т.е.

ммоль-экв/л

в) Количество реагентов, необходимых для умягчения воды методом осаждения (расчет вести на 100% - ные растворы умягчающих реагентов)

Умягчения воды методом осаждения - это обработка воды химическими реагентами содой и известью. В результате образуются трудно растворимые вещества и выводимые в дальнейшем фильтром.

) При добавления в воду извести снижается карбонатная жесткость воды.

2) При добавления в воду соды снижается некарбонатная жесткость воды

Массу использованных реагентов можно определить по закону эквивалентов:

Молярные массы эквивалентов реагентов

Определим массы реагентов для умягчения воды.

г) Солесодержания и рН воды после Na-катионирования

При Na - катионировании исходная вода пропускается через слой Na - катионита. При этом ионы Са⁺ из природной воды обмениваются на ионы Na⁺ из катионита:

Обмен происходит по закону эквивалентов т.е.

или

Молярные массы эквивалентов солей жесткости и солей натрия:

Тогда солесодержание Na - катионированной воды будет определяться содержанием в воде солей Na⁺

д) Солесодержания и рН воды после Н-катионирования

При Н - катионировании природная вода пропускается через слой Н - катионита. При этом katⁿ⁺ из обрабатываемой воды обмениваются на ионы Н⁺ из катионита.

После полного Н - катионирования в обработанной воде практически не остается растворенных солей, т.е. солесодержание и жесткость становится близко к нулю: и . Однако обработанная вода в результате образовавшегося избытка ионов Н⁺ становиться более коррезионно-агресивной, так как уменьшается рН - среды