Строительство и архитектура. Водоснабжение и канализация

к.т.н. доц. Квартенко О.М.,

студенти Бугай С.М., Коробка В.С., Кульбачинській Р.І.

Національний університет водного господарства та природокористування, Рівне, Україна

Аналіз сучасних методів стабілізаційної обробки води в системах господарсько-питного та технічного водопостачання

Вода яка використовується в системах, як господарсько питного так і технічного водопостачання повинна мати певне співвідношення між вмістом бікарбонатних іонів і вільного діоксиду вуглецю:

(1)

Для підтримання води у стабільному стані, необхідна рівновага між рівноважною концентрацією та вільним діоксидом вуглецю.

Якщо кількість розчиненого діоксиду вуглецю перевищує рівноважну концентрацію, то надлишок здатний вступати в реакцію із твердим карбонатом кальція, із наступним його розчиненням:

(2)

При недостачі порівняно із рівноважною концентрацією, можливий розпад частин бікарбонатних іонів, що призводить до зсуву рівноваги за рівнянням (1) вправо [1]. Збільшення концентрацій карбонатних іонів, призводить до їх реакцій в природних водах з іонами кальцію:

(3)

Таким чином стабільною називають воду, яка не викликає корозію поверхні металу з якою вона контактує та не випадає на цих поверхнях в осад карбонату кальцію. Для підтримання води в стабільному стані необхідно регулювати декілька параметрів: рН, лужність, вміст катіонів .

Для оцінки впливу стабільності води на процеси корозії та інкрустації використовують наступні індекси:

- «індекс насичення» – індекс Ланжельє [2]:

(4)

де – це рН рівноважного розчину, насиченого карбонатом кальцію;

При на стінках трубопроводів починається відкладення карбонату кальцію. При відбувається розчинення захисної карбонатної плівки та корозія стінок трубопроводів. Стабільна вода повинна мати .

- індекс Різнера:

(5)

Таблиця 1

Характеристика води по індексу Різнера [4]

Величина індекса Різнера	Характеристика води по відношенню до металу
4–5	Інтенсивне карбонатне відкладення
5–6	Слабке карбонатне відкладення
6–7	Близька до рівноваги
7–7,5	Слабка корозія
7,5–8,5	Інтенсивна корозія
>8,5	Недопустима корозія

- індекс Сноінка-Джекінса.

Стабілізаційної обробки потребують: опріснені, пом’якшені, оборотні води, підземні слабокислі води із низьким лужним резервом, поверхневі м’які води.

Великий внесок у розвиток технологій стабілізаційної обробки внесли Апельцин И.Є., Алєксєєв Л.С., Гладков В.А., Єгоров А.І., Клячко В.А., Фрог Б.Н., Ланжельє, Ларсен, Різнер, Сноінка та інші [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].

Проаналізувавши роботи даних авторів можна зробити висновок, що основні методи стабілізаційної обробки води поділяються на:

Хімічні:

- реагентні з використанням вапна, соди, їдкого натра;

- реагентні з використанням соляної або сірчаної кислоти;

- реагентні з використанням інгібіторів на основі солей фосфатної кислоти (гексаметафосфата натрію; тринатрифосфата натрію; триполіфосфату натрію).

- використання комплексонів.

Фільтраційні:

- фільтраційні з використанням мармурової крихти, магномаси;

- фільтраційні з використанням слабо кислих катіонітів.

Фізичні:

- магнітна обробка;

- радіохвилева обробка;

- аераційна стабілізація.

Хімічні методи обробки засновані на введенні в воду незначних розрахункових доз реагентів, які зв’язують солі жорсткості і запобігають їх випадінню на поверхню трубопроводів; утворюють захисну антикорозійну плівку на поверхні трубопроводів.

Існує два класи стабілізуючих реагентів:

- реагенти, які зв’язують солі жорсткості у завислому шарі кристалічних утворень;

- реагенти, які стабілізують насичені розчини.

До реагентів першого класу слід віднести солі фосфорної кислоти: тринатрифосфат ; динатрафосфат ; гексаметофосфат ; триполіфосфат . В результаті реакцій утворюється завислий шар дрібнокристалічних фосфатів кальцію та магнію:

(6)

До реагентів другого класу відносяться кислоти та комплексони. Так при додаванні у воду кислоти відбувається відбувається перехід карбонатної твердості в некарбонатну:

(7)

Розчинність більша ніж розчинність , а розчинний діоксид вуглецю запобігає порушенню карбонатної рівноваги. Кислота повинна вводитися у стеохімічній кількості. При недостатній кількості кислоти буде спостерігатися випадіння осаду, а при надлишку – збільшення корозії обладнання [6].

До ряду комплексонів слід віднести – амінати, реагенти на основі похідних від органічної фосфорної кислоти. Їх особливістю є здатність при малих концентраціях уповільнювати утворення кристалів карбонатних солей твердості.

Всі перераховані вище методи переважно використовуються у оборотних системах технічного водопостачання.

Для систем господарсько-питного водопостачання з реагентних методів використовуються вапнування, содування, використання їдкого натру [1].

При введенні розрахункових доз лужних реагентів забезпечується нарощування на стінках трубопроводів захисної плівки карбонату кальцію, для чого створюється додатній індекс насичення води. Після формування захисної плівки, для її збереження, повинні вводиться дози реагентів, які можуть забезпечити індекс насичення близький до нуля. Для забезпечення цього процесу розроблена технологія до складу якої входить обладнання, що складається з розчинно–витратних баків з циркуляцією концентрованого розчину гашеного вапна – освітлювачі-рециркулятори обладнані тонкошаровими відстійниками – фільтри – насосне силове обладнання для рециркуляції, перекачування, дозування освітленого стабілізаційного розчину [7].

Фільтраційні методи з використанням мармурової крихти, дозволяють проводити стабілізаційну обробку води з від’ємним індексом насичення, шляхом зв’язування агресивної вуглекислоти в бікарбонати [7]. При фільтруванні води крізь мармурову крихту відбувається реакція:

(8)

При достатньо тривалому контакті води з мармуровою крихтою може встановитися рівноважний стан:

(9)

Одним із перспективних напрямків стабілізаційної обробки води є її іонообмінне пом’якшення [8]. При пропусканні води через слабо кислий катіоніт в кислій фазі відбувається не лише її часткове пом`якшення, але й повне вилучення гідрокарбонат іонів за рахунок часткового підкислення:

(10)

де – фрагмент катіоніту з функціональною групою.

Фізичні методи

Магнітна обробка полягає в пропусканні потоку води перпендикулярно крізь силові лінії постійного магнітного поля (ПМП), яке створюється постійними магнітами або електромагнітами. Під дією ПМП відбуваються поляризаційні процеси з диполями води та іонами солей, які призводять до формування центрів кристалізації та утворення кристалічної зависі солей жорсткості не на теплообмінних поверхнях, а в об`ємі розчину. В результаті замість твердого накипу у воді з`являється тонкодисперсний шлам, який легко видаляється з поверхні теплообмінників та трубопроводів.

Радіочастотна обробка

Вода піддається високочастотному випромінюванню, яке створюється спеціальним генератором. Передача енергії в воду відбувається за допомогою випромінювачів, які представляють собою декілька витків проводу намотаного на трубопровід.

При цьому методі солі жорсткості переводяться в нерозчинну кристалічну фазу, яка знаходиться у завислому стані у потоці води.

Ці обидва методи можуть бути застосовані при обробці води для питних цілей.

Таким чином стабілізаційна обробка є важливим методом корегування властивостей води і може застосовуватись в якості ефективного засобу регулювання роботи систем як господарсько-питного так і технічного водопостачання.

Література

1. Клячко В.А., Апельцин И.Э. "Очистка природных вод". Издательство по строительству.: М. 1971, с. 579.

2. Langeller W.F. "The analytical of anticorrosion water treatment". JAWWA, 1936, 28, 1500.

3. Larson T.E., Buswell A.M., "Calcium carbonate saturation index and alkalinity interpretation". JAWW, 1942, 34, №11.

4. Технические записки по проблемам воды. Пер. с англ. т.1 / К. Барак, Ж. Бебен, Ж. Бернар и др. Под редакцией Т.А. Карпохиной, И.Н. Чурбанова – М. Стройиздат, 1983 – 607 с.

5. Фрог Б.Н. "Эколого-химические аспекты процессов водоочистки на предприятиях лесопромышленного комплекса". Автореф. дисс. д-ра хим. наук: 03.00.16 / Б.Н. Фрог – М. – 2002.

6. Алексеев Л.С. "Совершенствование методов стабилизационной водообработки для регламентирования качества и расхода воды в агропромышленном комплексе". Дисс. д-ра технических наук. М.: 2006, с. 330.

7. Квартенко А.Н. "Характеристика подземных вод Северо-Западных областей Украины и технологические схемы их кондиционирования", "Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. Науково-технічний збірник. Випуск 16. – К. КНУБА. 2011 – с. 32-40.

8. І.М. Макаренко, О.В. Глушко, В.В. Рисухін, В.П. Малін "Застосування слабкого катіоніту DOWEX MAC-3 для стабілізаційної обробки води". Восточно-Европейский журнал передових технологий. з/б (57) 2012, с. 16-20.