Методы очистки воды
Общие сведения
Проблема очистки воды обусловлена отсутствием в природе абсолютно чистой воды. Основной объем водных ресурсов планеты сосредоточен в Мировом океане, на долю которого приходится около 97 процентов всей воды, представляющей собой концентрированные растворы различных солей. Около 2 процентов воды находится в ледниках, 0,625 процента составляют подземные воды, и лишь 0,3 процента от общего объема гидросферы приходится на доступные пресные воды рек и озер, которые человечество может использовать в своей жизнедеятельности. В процессе глобального круговорота вода непрерывно взаимодействует с почвой, минералами и атмосферой, растворяя огромное количество органических и неорганических веществ. Ввиду постоянного загрязнения гидросферы как естественным, так и антропогенным путем, вода нуждается в глубокой и многоступенчатой очистке перед ее использованием в бытовых и промышленных целях.
Классификация
Примеси, содержащиеся в природных водах, классифицируются по нескольким фундаментальным признакам, основным из которых является размер частиц. Взвешенные частицы имеют макроскопические размеры и образуют мутные взвеси, которые легко визуализируются. Коллоидные примеси представлены частицами размером от 1 до 200 нанометров, образующими устойчивые коллоидные растворы. Истинно растворенные примеси находятся в воде в виде отдельных молекул или диссоциированы до ионов, образуя гомогенные системы.
По химическому составу примеси делятся на органические и неорганические. Органические вещества часто присутствуют в виде коллоидов или истинных растворов и могут обладать высокой токсичностью даже в следовых количествах. Неорганические примеси преимущественно представлены ионами щелочных и щелочноземельных металлов (натрия, калия, кальция, магния), хлоридами, а также растворенными газами — кислородом, азотом и углекислым газом.
Вода классифицируется по ряду физико-химических показателей. Жёсткость воды определяется суммарным содержанием ионов кальция и магния, выраженным в молях на литр. Выделяют карбонатную жёсткость (обусловленную присутствием гидрокарбонатов кальция и магния) и некарбонатную жёсткость. Щёлочность воды характеризуется суммарной концентрацией гидроксид-ионов и анионов слабых кислот (прежде всего, угольной кислоты). Окисляемость воды отражает количество примесей, способных взаимодействовать с сильными окислителями (определяется по расходу перманганата калия, пересчитанному на кислород). Солесодержание характеризует общую массу растворенных солей.
Способы получения
Способы получения химически чистой воды зависят от природы удаляемых примесей. Крупные взвешенные частицы удаляются методами простого фильтрования и коагуляции. Для удаления растворенного кислорода, вызывающего интенсивную коррозию, применяются методы физической деаэрации и химического восстановления. Деаэрация осуществляется путем снижения давления над жидкостью или продувания воды водяным паром, что приводит к вытеснению кислорода. Для более глубокого удаления кислорода вводятся химические реагенты. Традиционно используется сульфит натрия, который окисляется растворенным кислородом до сульфата натрия. Однако данный метод повышает солесодержание воды, поэтому в современной промышленности чаще применяется гидразин. Взаимодействие гидразина с кислородом приводит к образованию безвредного газообразного азота и воды, не оставляя солевого остатка, однако требует строгих мер безопасности ввиду высокой токсичности реагента.
Умягчение воды, то есть удаление ионов кальция и магния, осуществляется реагентными методами, в частности известкованием. При добавлении в воду гидроксида кальция (извести) повышается pH среды, что приводит к сдвигу углекислотного равновесия. Гидрокарбонаты переходят в карбонаты, и ионы кальция выпадают в осадок в виде нерастворимого карбоната кальция, а ионы магния — в виде гидроксида магния. Для устранения некарбонатной жёсткости дополнительно вводят растворимые карбонаты, например, карбонат натрия.
Для глубокой очистки воды от всех растворенных ионов применяются методы ионного обмена. Процесс основан на использовании ионитов — синтетических полимерных смол, состоящих из нерастворимой матрицы с закрепленными на ней активными функциональными группами. При натрий-катионировании вода пропускается через фильтр, заряженный ионами натрия. Ионы кальция и магния из воды связываются с матрицей, а в раствор переходят ионы натрия. Регенерация истощенного катионита проводится концентрированным раствором хлорида натрия. При водород-катионировании (H-катионировании) все катионы металлов замещаются на ионы водорода (протоны), а регенерация осуществляется растворами кислот.
Наивысшая степень химического обессоливания достигается последовательным пропусканием воды через катионитовые (в H-форме) и анионитовые (в OH-форме) фильтры. В результате все катионы примесей заменяются на ионы водорода, а все анионы — на гидроксид-ионы. Встречаясь в растворе, протоны и гидроксид-ионы образуют молекулы чистой воды. Альтернативным высокотехнологичным способом получения чистой воды является электродиализ. В многокамерных установках с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами под действием электрического поля ионы целенаправленно перемещаются к соответствующим электродам: катионы — к катоду, анионы — к аноду. В результате в средних камерах остается глубоко очищенная вода, а примеси концентрируются в катодном и анодном пространствах.
Свойства
Свойства природных и очищенных вод кардинально различаются. Природные воды характеризуются значительным разбросом солесодержания: в речной воде растворено около 0,5 грамма солей на литр, в воде внутренних морей (Каспийского, Черного) — от 3 до 18 граммов на литр, а в водах Мирового океана солесодержание достигает 35 граммов на литр, основу которых составляет хлорид натрия.
Фундаментальным свойством водных растворов является углекислотное равновесие. Присутствующий в воде углекислый газ образует слабую угольную кислоту, которая находится в динамическом равновесии с карбонат- и гидрокарбонат-ионами. Снижение pH приводит к накоплению свободной угольной кислоты, что делает воду агрессивной и повышает ее коррозионную активность по отношению к металлам и конструкционным материалам. Повышение pH (щелочности) сдвигает равновесие в сторону образования карбонат-ионов, способствуя их выпадению в осадок. Умеренная щелочность способствует пассивации металлических поверхностей, предотвращая коррозию, однако при экстремально высоких температурах избыточная щелочность сама становится фактором интенсивного коррозионного разрушения.
Свойства воды, прошедшей очистку, зависят от примененного метода. После натрий-катионирования вода становится мягкой, но сохраняет высокое солесодержание, так как ионы жёсткости эквивалентно заменяются ионами натрия. После H-катионирования вода приобретает кислую реакцию среды из-за высвобождения ионов водорода, часть из которых, однако, нейтрализуется присутствующими в воде гидрокарбонатами с выделением углекислого газа. Вода, прошедшая полное химическое обессоливание или электродиализ, приближается по своим свойствам к дистиллированной, характеризуясь практически полным отсутствием электропроводности и растворенных примесей.
Применение
Методы глубокой очистки воды имеют критическое значение для тепловой и атомной энергетики. Использование неочищенной воды в парогенераторах и котлах недопустимо, так как растворенные соли неминуемо оседают на внутренних поверхностях оборудования, образуя плотную накипь, которая резко снижает теплопередачу и может привести к аварийному разрушению установок. Особую опасность представляют анионы кремниевых кислот, которые способны испаряться вместе с водяным паром и осаждаться на лопатках паровых турбин. Это нарушает аэродинамику турбины, вызывает дисбаланс ротора и колоссально снижает коэффициент полезного действия электростанции. Для предотвращения этих явлений на электростанциях применяются мощнейшие установки химического обессоливания и деаэрации.
В химической промышленности химически чистая (обессоленная) вода является важнейшим растворителем и реагентом. Присутствие неконтролируемых примесей в воде может привести к нежелательным побочным реакциям, дезактивации катализаторов и необратимой порче целевых химических продуктов.
Методы ионного обмена и электродиализа также находят широчайшее применение в сфере охраны окружающей среды и гальванотехники для очистки промышленных сточных вод. Использование ионитов позволяет эффективно извлекать из стоков высокотоксичные ионы тяжелых металлов (цинка, железа, меди и других), возвращая очищенную воду в замкнутый производственный цикл и предотвращая загрязнение природных водоемов.
См. также
Методы получения материалов высокой чистоты Методы получения полимеров