Знекремнення води - Журнал АКВА-ТЕРМ - опалення, водопостачання, водопідготовка
При тривалому нагріванні води на поверхні різних матеріалів утворюється накип, що є результатом хімічних реакцій за участю розчинних домішок, які переходять у нерозчинний стан. До складу накипу входять карбонати кальцію і магнію, а також сульфати та хлориди цих катіонів. Крім того, у накипі присутні продукти корозії заліза та міді, а також силікати кальцію та магнію.
Основне джерело надходження сполук кремнію до природної води – розчинні продукти різних мінералів, особливо алюмосилікатів. При дії на них води з домішкою двоокису вуглецю відбувається вимивання кремнієвої кислоти.
Крім кислого гідролізу натуральних силікатів, джерелом надходження до природних вод сполук кремнію є розкладання біомаси наземних та водних рослинних організмів. Крім цього, підвищення вмісту даного виду домішок відбувається внаслідок забруднення навколишнього середовища відходами підприємств, що виробляють керамічні, цементні та скляні вироби, силікатні фарби, в'яжучі матеріали та кремнійорганічні каучуки.
Незважаючи на низький ступінь дисоціації, кремнієва кислота утворює солі з кальцієм, магнієм, залізом та алюмінієм – силікати. Варто зазначити, що дво- і тризаміщені силікати кальцію після затвердіння перетворюються на дуже міцний матеріал – присутність подібних компонентів у накипі призводить до збільшення її міцності та труднощі видалення.
Кремнієва кислота в колоїдному стані здатна до мимовільного утворення полімерних сполук:
HO-(-Si-O-)n-OH або HO-(-Si-O-)n-OH,
Перебуваючи у воді в колоїдному стані, кремнію сполуки можуть осідати на твердих поверхнях. На нагрітих поверхнях процес осідання тагелеутворення йде швидше. З часом гель ущільнюється і захоплює з водної фази механічні домішки та деякі розчинені речовини. При цьому сполуки кремнію відіграють роль компонента, що цементує. Накип, утворений у присутності сполук кремнію, має підвищену міцність, що ускладнює її видалення.
Крім того, сполуки кремнію у воді можуть брати участь у хімічній взаємодії. Так, кремнієва кислота може взаємодіяти з катіонами заліза, що знаходяться в ступені окислення +3, і бути абсолютно інертною по відношенню до іонів заліза зі ступенем окислення +2. Внаслідок такої хімічної взаємодії з'являються стійкі колоїдні утворення, які не видаляються ні фільтруванням, ні відстоюванням. Схильність крем'яної кислоти до такої хімічної взаємодії значно ускладнює очищення води від домішок заліза. Це з тим, що поширені методи видалення домішок заліза при водопідготовці полягають у окисленні домішок заліза за реакцією:
Зазвичай, без домішок кремнію, сполуки заліза переходять в осад і легко видаляються, а за їх наявності така стадія очищення значно втрачає свою ефективність.
Домішки сполук кремнію негативно впливають на фільтруючі середовища, що є каталізатором окислення сполук заліза. Одні з найпоширеніших видів каталізаторів для окислення домішок заліза – «зелені» або «чорні» піски, діючим початком яких є двоокис марганцю, нанесена на сипучий фільтраційний матеріал.
Однак присутність кремнієвої кислоти у певних концентраціях блокує активні центри такого каталізатора, а внаслідок цього – знижує вихід продуктів окислення. Взаємодія аніону кремнієвої кислоти з плівкоюкаталізатора (двоокис марганцю) призводить до утворення колоїдної речовини, що легко змивається з носія потоком води. Через війну відбувається руйнація каталізатора.
Зазвичай видалення домішок сполуки кремнію не виділяють при водопідготовці в окрему стадію, а проводять спільно з видаленням інших домішок, наприклад, з процесом пом'якшення та подальшим осадженням утвореного осаду. Тому й реактиви, які використовуються для цієї мети, подібні.
Аналогічні хімічні процеси протікають при обробці води обпаленим доломітом – CaMg(CO3)2. Після прожарювання цей мінерал перетворюється на суміш оксидів кальцію і магнію, які, взаємодіючи з водою, перетворюються на відповідні гідроксиди, що реагують з кислотним залишком кремнієвої кислоти. При використанні даного реагенту в холодній воді вдається досягти залишкового вмісту домішок сполук кремнію близько 2 мг/л, а при обробці води з температурою трохи нижче 100 °C концентрація цих домішок становить приблизно 0,2 мг/л.
У ряді випадків видалення сполук кремнію проводиться на стадії освітлення та знебарвлення. Такі процедури на очисних спорудах здійснюються при коагуляції зважених та колоїдних сполук. Досить часто цих цілей використовують сполуки алюмінію чи солі заліза (3). Хлоп'яподібна маса гідрооксиду алюмінію або гідроксиду заліза, що утворюється, захоплює частинки домішок, що знаходяться в колоїдному стані або розчиненому вигляді. Так, при очищенні води від сполук кремнію за допомогою коагуляції ефективна витрата солей заліза (3) становить близько 2 мг на міліграм кремнієвої кислоти, що видаляється. При використанні сполук алюмінію найпоширенішими реагентами є алюміній натрію та сульфат алюмінію. Причому найефективніший осадник – алюмінатнатрію, який вводиться в воду, що очищається, в концентрації 10-15 мг/л.
Крім перерахованих вище коагулянтів застосовуються й інші, наприклад, «Гідро-Ікс». В основному він містить крохмаль та поліальгінат натрію. Крохмаль у цій композиції грає роль коагулянту, викликаючи осадження широкого кола домішок. Інший компонент цього препарату – поліальгінат натрію, що є натрієвою сілью альгінових кислот.
Власне альгінові кислоти погано розчиняються у воді, але їх натрієві солі легко розчиняються та утворюють в'язкі розчини, які є флокулянтами. Дія коагулянту зводиться до часткового укрупнення частинок, а флокулянт прискорює процеси утворення пластівців та осадження.
Видалення сполук кремнію може здійснюватися за допомогою іонного обміну. Необхідно відзначити, що при цьому способі відбувається найбільш повне видалення цього виду домішок. Так, іонний обмін дозволяє досягти залишкового вмісту домішок у межах 0,02–0,05 мг/л.
Як показали практичні спостереження, найбільш ефективний спосіб видалення домішок пов'язаний із застосуванням іонітів змішаної дії, які є сумішшю катіоніту в Н-формі і ОН-аніоніту.
Багато марок іонообмінних смол не можуть застосовуватися при температурі води, що очищається, понад 30 °С. Ця вимога пов'язана з технічними можливостями багатьох іонообмінних матеріалів. Втім, це завдання може бути вирішена за допомогою охолодження води, з якої необхідно видалити кремнію сполуки. Звичайно, таке обмеження не може бути перешкодою для використання іонного обміну під час видалення домішок кремнію. Однак через складність процесу це технічне рішення застосовують рідко.
Видалення з води сполуки кремнію може здійснюватися також за допомогою мембранногометоду, який має, однак, істотний недолік. Як показали дослідження знесолення води з високою мінералізацією, на поверхні мембрани відбувається полімеризація сполук кремнію, перехід їх у колоїдний стан. Це призводить до забивання пір мембрани і, зрештою, знижує швидкість фільтрації.