• Ешқандай Нәтиже Табылған Жоқ

ЌАЗАЌСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫЅ БІЛІМ ЖЈНЕ

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Share "ЌАЗАЌСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫЅ БІЛІМ ЖЈНЕ"

Copied!
86
0
0

Толық мәтін

(1)

Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі

«Алматы энергетика және байланыс университеті»

коммерциялық емес акционерлік қоғамы

А. М. Достияров, Ж. А. Каленова

СУДЫ ДАЙЫНДАУДЫҢ ФИЗИКА-ХИМИЯЛЫҚ ӘДІСТЕМЕЛЕРІ

Оқу құралы

Алматы АЭжБУ

2019

(2)

ӘОЖ 621.31(075.8) КБЖ 31. я 73

Д64

Пікір берушілер:

физика-математика ғылымдарының кандидаты, АТУ доценті Әділбеков М.Ә.

химия ғылымдарының кандидаты, Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің физикалық химия, катализ және мұнай химиясы

кафедрасының доценті А.С.Тусупбекова,

техника ғылымдарының кандидаты, АЭжБУ

жылу энергетикалық қондырғылар кафедрасының доценті М.Е. Туманов

Алматы энергетика және байланыс университетінің Ғылыми кеңесі басуға ұсынды АЭжБУ 2019 ж. ведомостік әдебиеттер басылымдарын шығарудың

тақырыптық жоспары бойынша басылады, реті 60

Достияров А. М., Каленова Ж. А.

Д 64 Су дайыңдаудың физика-химиялық әдістемелері: Оқу құралы /А.М.

Достияров, Ж. А. Каленова. – Алматы: АЭжБУ, 2019. – 85 б.: кесте – 5, сурет – 25, әдеб. көрсеткіші –12 атау.

ISBN 978-601-7889-97-5

Оқу құралы «Жылуэнергетика» мамандығы бойынша білім алатын студенттерге арналған.

ӘОЖ 628.31(075.8) КБЖ 31.5 я73

ISBN 978-601-7889-97-5 ©АЭжБУ, 2019 Достияров А.М., Каленова Ж. А. 2019

(3)

Кіріспе

Техникалық пайдалану ережелеріне сәйкес электр стансалары мен желілерінің су дайындау қондырғыларын пайдалану режимі мен су- химиялық режимі электр стансалардың және жылулық тораптар ѳндірістері қондырғыларының ішкі беттерінде қақтардың түзілуін болдырмай, коррозия процесіне ұшыратпай істеу қажет.

Қазіргі жылу электр стансаларының қондырғылары жоғары жылулық жүктемелерде істейді. Бұл өз кезегінде қызу беттерінде түзілетін қақ қалыңдығына қатаң шектер қояды. Мұндай қақтар электр стансаларының циклдарында жылутасығыш ретінде қолданылатын судың құрамындағы қоспалардан түзіледі. Сондықтан ЖЭС сулы жылутасығыштардың жоғары сапасын қамтамасыз ету негізгі міндет болып табылады. Мұнымең қатар жоғары сапалы сулы жылутасығышты пайдалану таза буды алуда, қазандар, шығырлар және шық-қоректік трактінің конструктивті материалдарының жемірлену процестерін баяулатуда үлкен рөл атқарады.

Суды тазарту - бұл су құбыры торабына табиғи көзден келіп тусетін судың сапасын нормалармен бекітілген керсеткіштерге дейін жеткізу мақсатындағы технологиялық процестердің кешені. Әртүрлі әдістерді қолдану кезінде суды ѳңдеу әдісін таңдау, технологиялық процестің жалпы сүлбесін құрастыру бастапқы судың сапасы мен құрамына, электр стансасының типіне, оның параметрлеріне, қолданылатын негізгі қондырғыларына (бу қазандарына, шығырларына), жылуландыру жүйесі мен ыстық сумен қамтамасыз ету жүйелеріне байланысты болады.

Оқу құралында физика-химиялык өңдеудегі қолданылатын алдын-ала тазарту әдістерінің (коагуляциялау, ізбестеу, сүзу), ион алмасу, газсыздандыру, термиялық тұсыздандыру, мембраналық әдістер (кері осмос, электродиализ, ультрасүзу) негіздері қарастырылады.

(4)

1 Табиғи сулардың сипаттамасы

1.1 Табиғи су қоспасының сипаттамасы

Майдалық деңгейі бойынша табиғи су қоспаларын келесі түрлерге бөлуге болады:

- ішінара майдалы;

- сіңірулі майдалы;

- нағыз еріген.

Ішінара майдалы қоспалар (ІМҚ) түйіршіктері 1000 нм-ден асатын агломераттар болып табылады. Олар сумен бірге әртекті жүйе құрайды.

Массалары салыстырмалы үлкен бөлшектер ауырлық күші аумағында өздерін айқындата түседі, яғни ішінара майдалы заттар жүйесі суда аз тұну тұрақтылығына ие болады. Ішінара майдалы бөлшектер су массасында механикалық жолмен таралады және диффузияға ұшырамайды.

с

б

,

мұндағы б - бөлшек тығыздығы, с - су тығыздығы, мәніне байланысты олар келесіге бөлінеді:

а) тұнатын ();

б) қалыпты ();

в) қалқымалы ().

Ішінара майдалы қоспа - сұйық зат болса, онда ІМҚ-су жүйесі эмульсия құруы мүмкін, ал қатты дене болса онда суспензия түзеді. Майдалы спектрдің төменгі деңгейінде (100 нм-ге жақын) ішінара қоспалар судан нашар бөлінетінін және онда көп мерзімге дейін сақталатынын айта кеткен жөн. Бұл себепті су лайлы көрінеді. Суда осындай қоспаның болуына байланысты «қалыпты заттар» тіркесі қолданылады. Ішінара қоспалар әдетте балшықты заттардан, құмнан және органикалық заттардан тұрады.

Сіңірулі майдалы қоспалар (СМҚ) да, ішінара майдалы қоспалар сияқты, сумен әртекті жүйені құрайды. Сіңірулі бөлшектер өте кішкентай өлшемдерге (1-100 нм) ие болғандықтан, диффузияға ұшырайды (броундық қозғалысқа қатысады) және дамыған меншікті бетке ие болады. Сөйтіп, диаметрі 10 нм (~108 м) сіңірулі бөлшектердің меншіктік беті 1011 м2 тең болады. Олардың әрқайсысының меншікті беті сәйкес массалы, диаметрі 10 м ішінара майдалы бөлшектің бетінен 105 есе артық.

Сіңірулі қоспалар табиғи суда жоғары шөгу (судың көлемі бойынша қоспаның біркелкі таралуы) және агрегаттық тұрақтылыққа ие болады.

Соңғысын – майдалы құрамның ұзақ мерзімге дейін өзгермей сақталу деп түсіну керек.

Сіңірулі бөлшектер биологиялық микроскопта тіпті ең жоғары үлкейту кезінде де көрінбейді. Табиғи суда сіңірулі күйде әдетте кремний қышқылының түрлі формалары, алюминий мен темірдің қосылыстары және де әртүрлі органикалық заттар болады.

(5)

Нағыз еріген қоспалар суда бөлек иондар, молекулалар немесе бірнеше молекуладан тұратын кешен түрінде болады. Бұл қоспалардың бөлшектерінің өлшемдері 1 нм-ден кем болады. Осындай қоспалардың таралу беті болмағандықтан олар сумен бірге біртекті жүйе кұрайды.

Химиялық сипаттамасы бойынша қоспалар:

а) газды;

б) минералды;

в) органикалық болып бөлінеді.

Суда газды қоспаларды атмосферамен әрекеттесу нәтижесінде еріген газдар (О2, СО2, N2) және биохимиялық процестер нәтижесінде пайда болатын газдар ( H2S, SO2, NH3) құрайды.

Минералды қоспаларға еріген минералды тұздар жатады.

Органикалық заттар суда көбінесе гумустық заттармен көрсетіледі.

Бұдан басқа суда белоктар, майлар, эфир майлары және т.б. болуы мүмкін.

Әсіресе гумустық заттарға шалшық және шымтезек сулары бай. Дәл осы заттар суға қоңыр және сары рең береді. Жалпы гумустық заттарды шартты түрде гуминдік қышқылына, сіңірулі фульвоқышқылға және нағыз еріген фульвоқышқылға бөледі. Гуминдік қышқылдардың Na+, K+ - мен қосылыстары жақсы ериді, ал Ca2+, Mg2+ - мен нашар ериді және суда коллойд түзуі мүмкін. Фульвоқышқылдар Na+, K+, NH4, Fe2+- мен жақсы еритін қосылыстар және Al3+, Fe3+- мен нашар еритін қосылыстар түзеді.

Бұдан басқа, табиғи су қоймаларына әртүрлі қалдықтар түсірілетіндіктен онда басқа органикалық заттар (мұнай өнімдері, фенолдар, сырттай белсенді заттар, иісті қосылыстар және т.б.) кездесуі мүмкін.

Қоспалардың иондық құрамы суда сәйкес катион мен аниондар болумен сипатталады (1 кесте).

Na+ және K+ иондары судың тұрақты қоспалар қатарына жатады, себебі олар нашар еритін тұздар түзбейді және гидролизге ұшырамайды, яғни сумен әрекеттеспейді. Әдетте K+ иондар концентрациясы Na+ иондар концентрациясының 10-нен төмен болады. Сондықтан анализдеу кезінде оларды жеке анықтамайды, ал оның орнына бұл топ иондарының құрамын Na+ иондарының концентрациясы арқылы көрсетеді.

1 кесте - Табиғи судағы маңызды иондар

Топ Катиондар аниондар Концентрация,

мг/кг 1 Na+, K+, Mg2+, Ca2+ HCO3

-, Сl-, SO4

2- Бірліктен ондық мыңдарға дейін.

2 NH+4, Fe2 +, Mn2+ HSiO3

-, F-, NO3 -

СО3 2-

Ондық бөлшектен бірлікке дейін.

3 Cu2+, Zn2+, Ni2+, Al3+ HS-, I-, NO2-, H2PO-4

Ондық бөлшектен кем.

(6)

Тәжірибелік жолмен табылған рН нағыз мәні тепе-теңдік рН мәніне сәйкес келуі мүмкін (рНнақты≈ рНтт). Тәжірибелік жолмен табылған рНнақты пен рНтт арасындағы айырмашылық судың тұрақтылық индексі деп аталады:

Uc=pHнақты-pHтт . (1) Uc болса – онда су тұрақты, Uс болса - онда су жегі болады, ал Uс0 болса – онда су тұрақсыз және тұнба түзуі мүмкін.

Бұдан басқа тәжірибеде су тұрақтылығын кальций карбонатымен 1-2 мин әрекеттесу арқылы анықтауға болады. рН мәнін әрекеттесуге дейін (рН1) және кейін (рН2) өлшейді. Егер рН1/рН21 болса, онда су тұрақты, рН1/рН21 болса, онда су тұрақсыз, ал рН1/рН21- жегі.

Бірақ тепе - теңдік күйі ұзақ мерзім ішінде орналатынын айта кету жөн.

Сондықтан сипатталған жүйе СаСО3 бойынша асыра қаныққан күйде болуы мүмкін.

1.2 Су сапасының көрсеткіштері

Тұтынушының суды пайдалану сипатына қарай судың сапалық және мөлшерлік сипаттамалары анықталады. Жылуэнергетикада пайдалану үшін судың маңызды сипаттамалары келесі:

- ішінара майдалы заттар (ІМҚ) концентрациясы;

- нағыз еріген қоспалар концентрациясы (ионды құрам);

- тотықтану - белсенді газдар концентрациясы;

- сутегі иондар концентрациясы;

- технологиялық көрсеткіштер, оларға құрғақ және шыныққан қалдық, тотығушылық, кермектік, сілтілік, кремний құрамы, меншікті электрөткізгіштік және т.б. жатады.

Ішінара майдалы заттар концентрациясы қағаз сүзгі көмегімен анықталады. Суды қағаз сүзгі арқылы өткізіп, сүзгіні 378-383 К температурада тұрақты массаға дейін кептіреді. Бірақ іс жүзінде ішінар амайдалы заттарды көбінесе судың лайлығы мен мөлдірлігі арқылы анықтайды.

Судың мөлдірлігін ішінара майдалы қоспалардың жоғары концентрациясы кезінде шыны түтік көмегімен анықтайды. Оның түбінде шрифт немесе сызығының ені 1 мм крест орналасады, түтікке су толтырылады.

Шрифт немесе крест анық көрінетін биіктік судың мөлдірлігінің мөлшерлік өлшемі болады. ІМҚ төмен концентрациясы ( 3 мг/кг) кезінде нефелометрлік әдіс қолданылады. Ол зерттелетін судың мөлдірлігін нұсқамен салыстыруға негізделгіен. ІМҚ концентрациясы таза және сүзгіленбеген суларды буландыру арқылы да анықталады. 1 кг суды буландырып құрғақ қалдықты салыстырады.

Құрғақ қалдық судың тұз құрамы туралы жанама мәлімет береді, яғни судағы барлық аниондар мен катиондар сомасын көрсетеді, Н+ пен ОН- иондарынан басқа. Бірақ құрғақ қалдық қалыптасқанда бикарбонаттар

(7)

шөгілуі арқасында қоспалардың иондық құрамы біршама өзгереді. Бұған қоса құрғақ қалдыққа тағы органикалық және сіңірулі қоспалардың бір бөлігі кіреді. Құрғақ қалдықты 1073К температурасында қыздырғанда органикалық қоспалар жанып кетеді, ал карбонаттар ыдырайды. Сондықтан құрғақ қалдықтың көрсеткіштері судағы органикалық қоспалардың концентрациясын нақты анықтауға мүмкіндік бермейді. Іс жүзінде органикалық қоспалар концентрациясын жанама әдіспен анықтайды. Онда күшті тотықтырғыштарды (мысалы КМnO4) қолданады. Сондықтан органикалық қоспалар концентрациясын судың тотығушылығы деп атайды. Ол қалыпты жағдайда 1 кг судағы органикалық заттарды тотығуға кеткен тотықтырғыш мөлшерімен көрсетіледі.

Судағы бөлек иондар концентрациясы (мг/кг немесе мг-экв/кг) химиялық анализ тәсілдерімен анықталады. Анализдің дұрыстығы электрбейтараптық заңымен  мг-экв/кг дәлелденіп тексеріледі.

Салыстырмалы қателік 1-тен аспауы тиіс.

Егер қателік 1-тен асса, онда бөлек иондар анализін тексеру керек немесе бүкіл анализді қайталау керек.

Барлық катиондар мен аниондардың концентрацияларының қосындысы судың тұз құрамын құрайды. Кремний қышқылының аниондары (олардың ионды түрдегі концентрациясы туралы мәліметтердің белгісіздігінен), жартылай оксидтер және Н+ пен ОН-иондары ескерілмейді. Бірақ берік ерітінділерді талдағанда Н+ пен ОН- иондары тұз құрамын есептеуде ескеріледі.

Судың кермектігі жылуэнергетикада суды пайдалану жолын анықтайтын маңызды көрсеткіштердің бірі. Судың жалпы кермектігі Ж0 деп кальций мен магний иондарының концентрацияларының қосындысы аталады (мг-экв/кг, ал аз мөлшерде мкг-экв/кг көрсетіледі). Анықтаушы катион бойынша су кермектігі кальцийлік ЖСа және магнийлікке ЖМg бөлінеді.

Жалпы кермектіктің бір бөлігі, бикарбонат пен карбонат иондарының концентрациясына шамалас кермектік, карбонатты ЖК кермектік деп аталады.

Ал қалған басқа аниондарға (Cl-, SO2- т.б.) шамалас кермектік карбонаттық емес ЖНК кермектік деп аталады.

ЖCa ← Жо → ЖMg . (2) Судың жалпы сілтілігі Щ0 (мг-экв/кг) деп сутегі иондарының концентрациясын ескермегенде барлық әлсіз қышқылдарының аниондары мен гидроксил иондарының қосындысын айтады.

(3)

(8)

Әлсіз қышқылдар аниондарының сипаты сілтілікті - гидраттық (ОН-), бикарбонаттық (HCO3

-), карбонаттық (CO3

-), силикаттық (HSiO3

-, SiO3

2-) және фосфаттық (H2PO4-

, HPO42-

, PO43-) деп бөлуге мүмкіндік береді.

Алайда табиғи суларда бикарбонаттық сілтілік басқалардан әлдеқайда басым болады. Сондықтан оның мәні үлкен қателіксіз судың жалпы сілтілігін көрсетеді. Суда еркін күйдегі әлсіз қышқылдар болған кезде Н+ концентрациясын ескеріп есептеу жасайды. Себебі олардың диссоциациясы кезінде Н+ аниондары және әлсіз қышқылдар аниондары түзіледі.

Судың меншікті электрөткізгіштігі, См/см, қабырғасының биіктігі 10-

2 м шаршының қарама – қарсы беттерінің арасында орналасқан су қабатының электр өткізгіштігімен сипатталады. Меншікті электрөткізгіштік нағыз еріген күйдегі қоспалардың концентрациясымен (тұз құрамымен) жанама байланысты. Құрамында қоспасы жоқ, таза суда зарядтарды тек Н+ пен ОН- иондары тасиды. Осындай судың 293 К температурадағы электр өткізгіштігі 0,04 мкСм/см тең. Ерітінділерде электрөткізгіштік пен иондық қоспалар концентрациясы арасындағы байланыс көп факторларға тәуелді, оларға:

температура, иондар түрі, диссоциация дәрежесі. Бұл өлшеуді едәуір қиындата түседі. Температурасы мен диссоциация дәрежесі тұрақты ерітінділерде байланыс нақты болады.

Судағы еріген газдар концентрациясы көп факторларға тәуелді: газ табиғатына, су температурасына, судың минералдану дәрежесіне, судан жоғары газдың парциал қысымына, су рН және т.б. Бұл олардың технологиялық процестеріндегі есептеуді қиындатады және анализдің арнайы тәсілдерін талап етеді. Табиғи сулардағы CO2 концентрациясы көмірқышқылды тепе – теңдікке тәуелді болады, және шамамен 293 К-де 0,5 мг/кг (10-5 моль/кг) құрайды. Ал О2 конценрациясы көп жағдайда температура мен судағы органикалық заттар құрамына тәуелді болады. Температураның 273 К-нен 308 К-ге дейін жоғарлауы кезінде таза судағы оттегі концентрациясы 14,6-дан 6,5 мг/кг дейін төмендейді.

1.3 Табиғи сулардың классификациясы

Тұз құрамы бойынша табиғи сулар тұщы (1 г/кг), орта тұзды (1-25 г/кг) және тұзды (25 г/кг) болып бөлінеді.

Өз ретінде тұщы суларды аз минералданған (0,2 г/кг), орта минералданған (0,2-0,5 г/кг) және жоғары минералданған (0,5-1,0 г/кг) деп бөлуге болады.

Жалпы кермектік мәні бойынша, мг-экв/кг, сулар келесіге бөлінеді:

Ж01,5- төмен кермекті су; Ж01,5-3 - орта кермекті су; Ж03-6 - жоғары кермекті су; Ж06-12 өте жоғары кермекті су; Ж012 аса жоғары кермекті су.

Классификацияны сәйкес аниондар құрамы бойынша да жүргізуге болады. Барлық табиғи сулар басым анион сипаты бойынша үш класқа бөлінеді: гидрокарбонатты (HCO3

- анионы басым сулар), сульфатты (SO4 2-

анионы басым сулар) және хлоридті (Cl- анионы басым сулар). Өз ретінде

(9)

әрбір клас басым катион бойынша: кальцийлік, магнийлік, натрийлік топтар болып бөлінеді. Органикалық заттармен ластану деңгейі бойынша табиғи суларды 4 топқа бөлуге болады, олар белгілі тотығушылықпен сипатталады, мг О2/кг: 5 төмен - аз, 5-10 - орташа, 10-20 - жоғары, 20 - күшті.

1.4 Суды алдын - ала тазарту Жалпы мәліметтер.

Классификацияны келесі көрсеткіштер бойынша өткізеді:

- тазарту кезінде қолданылатын тәсілдердің физико- химиялық мәні, алынатын қоспа сипаты мен оның тазарту кезіндегі күйінің өзгеруі ескерілмейді;

- қоспаларға әсер ететін күштердің сипаты, жоғарыдағыдай қоспаның сипаты мен өзгеруі ескерілмейді;

- алынуға тиісті қоспалардың сипаты, олардың тазарту кезіндегі күйінің өзгеруі ескрілмейді;

- қоспаның тазарту кезіндегі күйінің өзгеруі.

Қазіргі кезде тазарту әдісін таңдағанда әлеуметтік және экологиялық факторларына ең алдымен назар аудару қажет, әрине сәйкес үнемділік пен сенімділікті ескере отырып. Әсіресе соңғы фактор энергетикада өте маңызды болап табылады. Себебі онда ұзақ уақыт бойы тоқтаусыз жұмыс істейтін қондырғылар қажет.

Табиғи судағы қоспалардың көп түрлілігі себебінен, қазанды қоректендіруге арналған қосымша суды тазарту су дайындау қондырғысында (СДҚ) бірнеше сатымен жүргізіледі. Бастапқы кезеңде судан ішінара майдалы және сіңірулі заттар алынады, және осы судың бикарбонатты сілтілігі төмендетіледі.

Суды тазартудың бастапқы кезеңі алдын-ала тазарту деп аталады.

Алдын-ала тазарту келесі тазарту кезеңдерінің техникалық, экономикалық көрсеткіштерін жақсарту үшін жүргізіледі, және егер алдын-ала тазарту болмаса тазартудың келесі сатыларында көптеген тәсілдерді қолдану қиынға соғуы мүмкін. Осылай суда органикалық заттардың болуы аниониттердің технологиялық қасиеттерінің өзгеруіне, олардың қартаюына себеп болады, сәйкесінше жұмыс істеу мерзімінің күрт азаюына (4-8 есе) әкеледі. Сондықтан судың алдын-ала тазартуына үлкен мән беріледі. Суда темір иондары 50 мкг/кг жоғары концентрацияда болса, бұл суды электродиализбен тазартқанда жарғақтың улануына себеп болады. Судың ішінара майдалы және сіңірулі қоспалардан қанағатсыз тазарту деңгейі салдарынан қыздыру беттерінде қақ түзіледі және бу сапасы төмендейді. Сондықтан қазіргі кезде қоректік және қосымша суды дайындау сұлбаларында суды алдын-ала тазартуға көп көңіл бөледі.

Алдын-ала тазарту негізінде тұндыру тәсілімен жүргізіледі. Онда қоспалар судан тұнба түрінде бөлінеді. Бұл тәсілдер реагенттік деп те аталады, себебі суға арнайы реагенттер қосылады.

(10)

Алдын-ала тазарту кезіндегі тұндыру процестеріне түйірлену, әктендіру және магнезийлік кремнийсіздендіру жатады. Әдетте бұл процестер біріктіріліп және бір қондырғыда - түссіздендіргіште өткізіледі. Бұл суды тазарту процесінің технологиялық әсерін жақсартады және қаржылық шығындарды азайтады. Алғашқы тазарту түссіздендіргіште өткізіледі, ал тұнбадан соңғы тазарту сүзгілеу процесі көмегімен іске асады. Сүзгілеу де алдын-ала тазартуға жатады, бірақ реагентсіз тәсіл болып табылады.

1.5 Судың сіңірулі қоспаларын түйірлеу

Суды ауыр ішінара майдалы қоспалардан тазарту үшін кәдімгі тұндыру тәсілі жеткілікті болса, суды сіңірулі-майдалы заттардан тазарту түйірлену процесін талап етеді. Түйірлену деп сіңірулі бөлшектердің жабысуының физико-химиялық процесін және ішінара майдалы макрофазаның (флокуланың) құрылуын атайды. Кейін флокулалар судан бөлінеді.

Сіңірулі бөлшектердің өлшемдері өте аз болғандықтан олар броундық қозғалысқа қатысады. Олардың диффузия жылдамдығы жоғары (10-1-10-3 см/с) болады, бұл бөлшектердің концентрациясына көлем боынша бірклкі таралуға мүмкіндік береді. Сіңірулі жүиелер бөлшектерінің меншікті бетінің жақсы дамуы арқасында көп бос энергия мөлшеріне ие болады. Термодинамикалық тұрғыдан осындай жүйе бос энергиясы минималды күйге ұмтылуы тиіс. Яғни, беттің азаюына, сәйкесінше бөлшектер ірілеуі тиісті. Бірақ тәжірибе жүзінде сіңірулі жүйелер жоғары агрегаттық тұрақтылыққа ие болады. Бұл тұрақтылық бөлшектердің кішкентай өлшемдерінде жоғары шөгу тұрақтылығына ықпал етеді (судың барлық көлемі бойынша қоспа концентрациясының тұрақтылығы). Себебі шөгуге себепші гравитациялық күш диффузиямен басылады. Сіңірулі жүйенің агрегаттық тұрақтылығы иондардың қос электр қабатының болуымен және фазалар айырмасы шекарасында потенциалдың секірмесімен түсіндіріледі.

Қос электр қабаты бөлшек бетінде ортаның әртүрлі диэлектрлік қасиетінен, молекулалық күштер әсерінен, заттың молекулаларының жартылай диссоциациясынан пайда болады. Бөлшек бетінде орналасқан иондар потенциал түзегіш деп аталады. Бөлшектің заряды пайда болғандықтан оның айналасында қарама-қарсы зарядты иондар жиналады.

Оларды кері иондар деп атайды. Кері иондардың концентрациясы беттің жанында ең жоғары болады (тығыз иондық қабат) және бөлшек бетінен алыстаған сайын азаяды (сыртқы диффузиялық қабат). Бұл бір мезгілде тартылыс күшінің (электрлік және молекулалық) және диффузиялық күштің әсерімен түсіндіріледі. Диффузиялық күштер су көлемінде иондар концентрациясын таратуға тырысады.

Теориялық көзқарас жағынан иондардың диффузиялық қабаты бүкіл су көлеміне таралады. Ал тәжірбие жүзінде оның қалыңдығын дебаев ұзындығымен Х анықтайды. Осылай, иондардың бір түрі бөлшек бетінде

(11)

жиналып, екіншісі кері иондарды құрады деп санағанда симметриялы - валентті электролит үшін :

 

C F z

RT

2

2 2 , (4) мұндағы Ғ - Фарадей тұрақтысы, 96487 Кл/моль тең;

R - универсал газ тұрақтысы, 8,3143 Дж/(моль·К) тең;

z - иондардың заряды;

- ортының диэлектрлік өтімділігі, Ф/м;

C - иондардың ерітіндідегі концентрациясы, моль/л.

а - ζ нөлден жоғары потенциал; б - изоэлектрлік күйі; ζ - потенциал нөлге тең; 1 - потенциал түзегіш иондар; 2 - кері иондар; А - адсорбциялық

қабат; В - диффузиялық қабат.

1 сурет - Мицелла құрылысы

Х шамасының мәні тұрақсыз және формуладан көрінетіндей ол ерітінді концентрациясына, иондар зарядына, температураға тәуелді. Мысалы, бейтарап су 298К (CH+

=COH-

=10-7 г-ион/л) 9,6 нм, ал 0,1 бір валентті электролиттің молярлық ерітіндіде Х0,96 нм.

Сөйтіп бөлшек айналасында қос электр қабаты түзіледі, оған потенциал түзегіш иондар және кері иондар кіреді (1 сурет ). Қалыпты күйде бөлшектің қос қабатпен комплексі (мицелла)- электрбейтарап.

Қозғалыс кезінде бөлшек тек өзіне беттескен су қабатын тартады, ал диффузиялық қабаттың сыртқы бөлігіне әсер етпейді. Бұл электркинетикалық потенциалдың немесе - потенциалдың пайда болуына әкеледі. - потенциал мәні бөлшекке тартылатын кері иондар мөлшеріне байланысты, олар көбейгесін - потенциал азаяды. Диффузиялық қабатта кері иондардың концентрациясының көбеюі олардың тығыз қабатта көбеюіне әкеледі.

(12)

Сәйкесінше - потенциал төмендейді. Бұған қоса диффузиялық қабатта кері иондардың концентрациясының көбеюі бөлшектің зарядының өзгеруіне әкелуі мүмкін. - потенциал нөлге тең болатын кері иондар концентрацияның бар болуы да түінікті.

Табиғи сулардағы сіңірулі бөлшектер (құм, балшықты заттар, гуминдік қшқылдар) негізінде беттік молекулалардың диссоциациясы арқылы заряд алады. Бұл заттар амфотерлі болғандықтан, олардың диссоциация дәрежесі ерітіндінің рН мәніне тәуелді. Олар диссоциацияланбайтын рН мәні изоэлектрлік деп аталады. Изоэлектрлі рН мәнінде - потенциал нөлге тең.

Табиғи судың рН деңгейі 6,5-8,5 болғандықтан сіңірулі қоспалар кері - потенциал мәніне ие болады. Мөйтіп табиғи суда сіңірулі бөлшектердің басым бөлігі бірдей теріс зарядқа ие болады. Мұнымен қатар балшық пен гумустық заттардың бөлшектері иондарды адсорбциялай алады. Соңғысы олардың агрегацияға қарсы тұрақтылығын азайтады. Тұрақтылықты көп төмендететін иондар ол Al3+ пен Fe3+ үшвалентті иондар.Қос электрлік қабат түзетін иондар бөлшек айналасында су молекулаларының ұсталуына және гидраттық қабаттың түзілуіне ықпал етеді. Гидраттық қабат бөлшектердің бір- бірімен соқтығысуын болдырмайды.

Майдалы жүйелердің агрегаттық тұрақтылығы бөлшектер арасында әсер ететін күштерге тәуелді. Зарядтары бірдей бөлшектерге бір мезгілде молекулалық тартылыс күші (Ван-дер-Ваальс күші) және электростатикалық тебіліс күші әсер етеді.

Орталарының арасындағы қашықтық R, радиустары г екі сфералы бөлшектің молекулалық тартылу күші былай сипатталады:

2 2 22 2 24 2

2 ln 4

2

. 8 R

r R R

r r R А r к

F

тарт , (5) мұндағы А - Гамакер константасы, шамамен 10-6 Вт тең. Бөлшектер тым жақындасқанда бұл мән қарапайым болып өзгереді:

. 12H0

Ar к

F

тарт , (6) мұндағы H0R2r - бөлшектердің шеткі нүктелері арасындағы қашықтық.

H0< r болғанда, бұл бөлшектердің тебіліс күші Дерягин- Ландау теңдеуімен анықталады:





r

H r

к

F

тарт. 20 1 exp 0

. (7)

(13)

2 суретте бөлшектер ара-қашықтығына байланысты тартылыс пен тебіліс күштерінің өзгеруі көрсетілген. Тартылу мен тебілу күштерінің өзгеру заңдылықтары әртүрлі болғандықтан нәтижелік қисықта екі энергетикалық минимум болады (потенциалдық шұңқыр). Оларға жеткенде бөлшектер бір- бірімен қосылуы мүмкін. Оң жақ минимумы бөлшектер арасындағы байланысы әлсіз болатын «алыс» түйірленуді қамтамасыз етеді. Сол жақ потенциалдық шұңқырда («жақын» түйірлену) берік байланыс байқалады.

Бірақ бұл үшін жақындасатын бөлшектерде энергетикалық бөгетті өту үшін жеткілікті энергия болу керек. Бөлшектердің әрі қарай жақындасуына олардың беттеріндегі гидраттық қабаттар бөгет жасайды.

\

1— тебілу энергиясы; 2 — тартылу энергиясы; 3 — нәтижелік қисық.

2 сурет – Бөлшектер арасындағы әрекеттесудің потенциалдық қисықтары

Табиғи судағы сіңірулі бөлшектерде энергетикалық бөгеттен өту үшін энергиясы аз , ал оң жақ потенциалдық шұңқырдағы энергия оларды кешенде ұстау үшін жеткіліксіз болады. Бұл олардың жоғары агрегаттық тұрақтылығын түсіндіреді. Бөлшектердің жабысу қасиетін арттыру үшін - потенциал мәнін төмендету арқылы тебілу күшін азайту керек. Тәжірибемен дәлелденген, егер - потенциал мәнін 0,03В дейін төмендеткенде бөлшектердің жабысу процесі басталады, яғни түйірлену процесі. Бұл үшін суға күшті электролит енгізген жеткілікті. Оның диссоциациясы қос қабаттағы кері иондар санын арттырып, - потенциал мәнін төмендетуге жағдай жасайды.

Бірақ бұл процесс өте төмен рН мәндерінде ғана іске асады. Бұл іс жүзінде құрылғыны тотығудан қорғау және тұз құрамының жоғарлауымен байланысты қиыншылықтарға әкеледі және судың тұз құрамын арттырады.

Сондықтан қосымша суды дайындауда коллойдтердің өзара түйірленуіне негізделген процес қолданылады. Бұл үшін суға оң зарядталған сіңірулі қоспа түзетін реагенттер қосылады. Бұл сіңірулі жүйенің тұрақтылығын бұзады және бөлшектердің ірілеуіне әкеледі.

(14)

Коагулянт деп аталатын реагент ретінде күкіртқышқылды тұздарды Al2(SO4)3 және FeSO4 пайдаланады. Бұл тұздар суда түгелдей диссоциацияланады:

Al2(SO4)3 →2Al3 + + 3SO42-; (8) FeSO4→Fe2 ++SO42-. (9) Әлсіз негіздердің катиондары Al3+ пен Fe2+ гидролизге жеңіл ұшырайды.

Сөйтіп Al3+ иондарының гидролизі келесі реакция бойынша өтеді:

А13+2О→А1(ОН)2++; (10) А1(ОН)2+ + Н2О→А1(ОН)2++; (11) А1(ОН)2+2О→А1(ОН)3 + Н+. (12) Ал Fe2+ иондарының гидролизі:

Fe2+ +H2O→Fe(OH)++H +; (13) Fe(OH)++H2O→Fe(OH)2 + H +. (14) Сілтілік ортада (рН>8) және оттегінің жеткілікті мөлшерінде реакция келесі болады:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O→4Fe(OH)3. (15) Бұл реакциядан көрінгендей гидролиз тек Н+ иондарын шектеумен ғана мүмкін. Табиғи суда бұл иондарды байланыстыру келесі реакциямен жүреді:

Н++НСОз- →Н2СО→СО2 + Н2О. (16) Сондықтан, суда бикарбонат - иондарының болуытерең гидролиз өтуінің шарты болып табылады. Н+ концентрациясын реттеу үшін NaOH қосылуы мүмкін. Сөйтіп, гидролиз реакциясынан көрінгендей ол судың рН деңгейіне тәуелді. рН7,5 тек Al(ОН)3 түзіледі, рН төмен мәнінде Al(ОН)2+

және Al(ОН) түзіледі. Олар сульфат- иондармен қосылып нашар еритін қосылыс түзеді: Al2(OH)4SO4 –pH 7-ге жақын, Al(OH)SO4-pH 5,5-ке жақын.

Бұл қосылыстар рН5,5-7,5 аралығында - потенциалдың мәні аз сіңірулі қоспа түзеді. рН5,5 алюминий гидрототығы толық ериді, ал рН 8 AlO2

иондары түзіледі.

Сөйтіп түйірленуді Al2(SO4)3 иондарымен өткізгенде рН 5,5 – 7,5 аралығында ұстау керек.

Түйірлену процесінің екі сатысы бар: айқын және жабық. Жабық сатысында сіңірулі ерітінді түзіледі және микротүйірлер пайда болады. Бұл сатыда судың негізгі тазартылуы іске асады. Ал айқын сатысында ірі түйірлер

(15)

(флокулалар) 1-3 мм түзіледі. Олар қосымша жоғары сорбциялық қасиетіне ие болғандықтан суда қоспаларды алуы мүмкін.

Табиғи суларды тазартудың түйірлену процесіне бір уақытта майдалық дәрежесі әртүрлі және табиғаты әртүрлі қоспалар қатысады. Осындай процесс гетероадакоагуляция деп аталады. Оның ерекшелігі, процестің бөлшек зарядна тәуелділігі. Осындай бөлшектер тек бір-бірімен ғана емес, - потенциалы жоғары бөлшектермен жабыса алады, оларды түйірлену процесіне тартады.

Түйірлену кезіндегі макрофазаның құрылуы ерекше. Түйірлендіргіш гидроксид ішінара майдалы бөлшектер бетінде сорбцияланады және

«желімдегіш көпірлер» түзеді. Олар бөлшектер мен кешендерді бір- бірімен байланыстырады. Пайда болатын макрофаза берік емес құрылымға ие болады.

Себебі бөлшектедің арасындағы кеңістіктер сумен толтырыған болады. Оның тығыздығы (1,001 - 1,1 т/м3) судың тығыздығына жақын және механикалық беріктігі төмен болаы. Қалыптасқан флокулалар өлшемдері 1 - 3 мм тең. Кейін бұл флокулалар түссіздендіру процесі кезінде судан алынады.

Қазіргі кезде коагулянт мөлшерін нақты білуге мүмкіндік жоқ.

Сондықтан оның дозасы эксперименттік жолмен алынады. РН мәні де экспериментті алынады. Коагулянт дозасы қоспа құрамына байланысты.

Майдалы заттар концентрациясы жоғары, ал сіңірулі қоспа концентрациясы төмен болғанда коагулянт дозасы максимал болу қажет, және керісінше.

Бастапқы суда сіңірулі және ішінара майдалы заттардың мөлшері 100 мг/кг асқанда коагуляция түссіздендіргіште өтеді, ал төмен болғанда сүзгіде жүргізген ыңғайлы. Бұл жағдайда тура ағынды немесе әрекеттітүйірлену өтеді.

Әрекетті түйірленуде түйірлерді алу сүзгі қабатында жүреді. Әрекетті түйірлену ерекше жағдай болып табылады, онда ұсақ бөлшектер қабаттың ірі бөлшектерінің бетінде ұсталынып қалады. Оның жылдамдығы жоғары болады және судың ұсақ түйірлер толығымен алынады.

1 — ІМҚ бөлшегі; 2 — гидрототықтың бөлшектері; 3 — органикалық заттар; 4 — «желімді» көпірлер; 5 — «ұсталған» су.

3 сурет - Түйірлену кезінде пайда болатын түйірлер құрылымы

(16)

Түйірлену процесін белсендіру үшін өңделетін суға жиі арнайы заттарды - флокулянттарды қосады. Флокуляция процесі мәні – процес кезінде сіңірулі бөлшектер тек тікелей ғана емес, локулянт молекулалары арқылы да агрегацияланады. Флокулянт ретінде органикалық немесе органикалық емес жоғарымолекулалық қосылыстар: кремний қышқылы, полиакриламид және т.б. пайдаланады. Осылай полиакриламид молекуласы қышқылдық жәненегізгі түрі бойынша диссоциацияланады (рН мәніне тәуелді).

Изоэлектрлік күйде полиакриламидтің диссоциация дәрежесі екі түрі бойынша бірдей болады. Бірақ полиакриламид молекуласында бір мезгілде теріс және оң зарядталған иондық топ болғанымен де жалпы қарағанда ол бейтарап. Флокуляция түйірлену процесін ауыстырмайды, тек тереңдетіп, белсендіретінін айта кеткен жөн.

Түйірлену процесі кезінде судың бткарбонатты сілтілігі төмендейді.

Бірақ бұған эквивалентті түрде суға коагулянт енгізгенде бірдей SO42- иондары өтеді. Осы кезде Ca2+ және Mg2+ иондарының концентрациясы өзгермейді де, судың тек карбонатты кермектігі карбонатты емеске ауысады.

Коагуляция процесіне температура үлкен ықпал етеді. Температура жоғарлаған сайын гидролиздің тереңдігі мен жылдамдығы артады, қатты фазаның түзілу және бөліну жылдамдығы артады, бұл қоспалардың түйірлену процесін едәуір тереңдете түседі. Суды күкіртқышқылды алюминиймен түйірлендіру үшін 303-308 К температурасы ең қолайлы деп есептеледі.

2 кесте - Су қоспасының құрамына байланысты коагулянттың шамамен алынатын мөлшері

Судың тотығуы,

мг О2

ІМҚ

концентрациясы, мг/л

«крест»

бойынша мөлдірлік, см

Сусыз коагулянт дозасы, мг-экв/л

5—8 50 дейін 45 0,3—0,5

50—100 30 0,4—0,6

8—12 100—200 20 0,6->-0,8

200—400 15 0,7—1,0

12—15 400—600 10 0,8—1,25

600—800 8 0,95—1,4

15—20 800—1000 7 1,05—1,6

20—25 1000—1400 6 1,15—1,85

25—30 1400—1800 5 1,3—2,0

>30 1800—2200 3 1,4—2,2

(17)

Технологиялық процесті іске асыру кезінде түйірлендіру кинетикасы үлкен рөл атқарады. Тәжірибе көрсеткендей, процестің қолайлы өту жағдайы үшін алдында (10 мин) судың коагулянтпен тез араласуы керек, ал сосын жайлы процес гидродинамикалық күйге өтуі керек.

Түйірлену процесінің жылдамдығы уақыт бірлігінде жабысатын бөлшек санымен анықталады. Жылдам және баяу түйірленуді айырады. Жылдам түйірлену кезінде әрбір соқтығысу жабысуға әкеледі, ал баяуда керісінше - әрбір соқтығысу жабысумен аяқталмайды.

М. Смолуховский теориясы бойынша жылжымайтын суда жылдам түйірлену жылдамдығы екінші ретті реакция теңдеуімен сипатталады:

dn/dτ = k(no-n)2, (17)

мұндағы n0 - бөлшек саны (процесс басында);

n - пайда болған агрегат саны;

k - түйірлену константасы.

Судың ағынының күйі түйірлер құрылуына үлкен әсер етеді, ал олардың беріксіздігі салдарынан кейде олардың ыдырауына да әкелуі мүмкін.

Сондықтан түйірлер құрылатын аймақта су жылдамдығы 1-1,5 мм/с аспау керек.

Егер де күкіртқышқылды алюминиймен түйірлендіру процесіне суға енгізілетін сульфаттар түйірлену процесіне оң ықпал етеді және тұнбамен бірге жартылай алынады, ал күкіртқышқылды темірмен түйірлегенде олардың барлығы келесі тазарту сатысына өтеді. Оларды судан алу көп қиындық туғызады. Сондықтан өңделетін суға бұл металдардың иондарын енгізу дұрыс, ал тұзсыздандыру процесін қиындататын аниондарды енгізбеу тиіс.

Бұған тек электртүйірлену процесі арқылы ғана қол жеткізуге болады.

Электртүйірлену әдісі судан электр тогы өткенде металды анодты ерітуге негізделген.

Осында суды сіңірулі заттардан тазарту бірқатар бір мезгілде өтетін процестерде іске асады: метал иондарының ерітіндіге өтуімен электродтарды электрохимиялық ерітуде, электродтардағы тотықтырғыш – қалпына келтіру реакцияларында, түйірленудің өзінде, электрофорезде (бөлшектердің сыртқы электр өрісі әсерінен қозғалысы).

Электртүйірлену процесінің негізінде тұрақты ток әсерінде металдарды анодты еріту жатыр. Кейін металл катиондары гидролизге ұшырап су қоспасының түйірлену процесіне қатысады.

Ерітіндіге батырылған және сырттан келетін электр потенциалының әсеріндегі металдарды электрохимиялық еріту процесі көп факторларға тәуелді, бірақ негізінде анод пен катодта өтіп жатқан процестерімен анықталады.

Анодта металл тотығып, иондары ерітіндіге өтеді:

(18)

А1 - Зе → А13+; (18) Fe -2e → Fe2 +. (19) Металл иондарының ерітіндіге үздіксіз өтуі тек катодтан электрондарды алу шарты орындалғанда ғана мүмкін. Бұл қалпына келтіру реакциясы өткенде мүмкін.

Қышқыл ортада (рН7) электрондар катодтан келесі реакция бойынша өтеді:

2H3O++2e→2H2+2OН-. (20) Бейтарап және сілтілік ерітіндіерде электрондар тікелей су молекулаларымен ассимиляцияланады, нәтижесінде сутегі мен гидрокүшті иондар түзіледі:

2О + 2е→Н2 + 2ОН-. (21) Суда оттегі болғанда реакция былай өтеді:

2О + О2 + 4е→4ОН-. (22) Оттегі тағы да Fe2+ иондарының Fe3+ -ке өтуіне қатысады, және жеткілікті потенциалда анодта бөлінеді (оксид қабықшасын түзеді). Электрод поляризацияланғаннан оның еру жылдамдығы күрт азаяды.

ОН-иондары металл иондарымен Al(ОН)3 немесе Ғе(ОН)2

гидрототықтарын түзеді:

4Fe(OH)2 + O2 + H2O→4Fe(OH)3. (23) Сөйтіп суға SO42- аниондарын қоспай ақ металл гидрототығын алуға болады. Бұдан басқа электрокоагуляция әдісі коагулянтті және оны дайындаумен байланысты қондырғылар мен аспаптарды қолдануды керек етпейді.

(19)

1 - тұрқы; 2 - металл пластиналары; 3 - судың кіруі;

4 - судың шығуы.

4 сурет – Пластиналы электртүйірлегіш

Теория жүзінде 1 г-экв металды ерітуге қажетті электр қуаты 26,8 А құрайды. Бірақ іс жүзінде электр қуат мөлшері әрқашан да теориялықтан көп болады. Себебі пластиналарда поляризация эффектілері өтеді және суды қыздыруға энергия жұмсалады. Сондықтан бұл эффектіні азайту үшін белгілі бір уақыттан соң (әдетте 15 мин. сайын) берілетін кернеудің полюстерін ауыстырады. Электртүйірлендіруді өткізу кезінде су рН Н+ иондарының зарядсыздануы арқасында 0,5-10 артады. Бұл суды реагенттермен сілтілеу қажеттілігін жояды.

Өндірісте қолданылатын электрокоагуляция аппараттарының барлығында метал пластиналары қолданылады. Бұл өлшемдері арттырып, құнын көтереді. Барлық пластиналы аппараттардың құрылысы тегеурінсіз түрге жатады.

Судың көп шығындары кезінде осында қондырғымен жұмыс істеу ыңғайсыз. Оларды СДҚ (ВПУ) сұлбасына орнату қиын. Екінші ыңғайсыз жағы ол пластиналардың 50 еруіне дейін ғана жұмыс істеу мүмкіндігі.

Әйтпесе қысқа тұйықталу болуы мүмкін.

Электродтарды қуат көзіне қосудың екі әдісі бар: монополярлы, онда анод - бір полюске, ал катодтар- екінші полюске қосылады, және биполярлы- қуат тек шеткі электродтарға беріледі.

Биполярлы қосу кезінде аппаратқа үлкен кернеу қажет етеді, бірақ контакт саны аз болады. Сонда аппарат өлшемдері азаяды және кабельдер қимасы да азаяды. Бұл электрокоагулятордың пайдалануын, орнатуын жеңілдетіп, бағасын азайтады.

Ақпарат көздері

СӘЙКЕС КЕЛЕТІН ҚҰЖАТТАР

Қазақстанда STEAM білім беру бойынша ұсыныстар мен жоспарларды келесідей қорытындылау- ға болады: – Қазақстанның ғылым және жоғары білім министрлігімен жоғары оқу орны бірігіп STEAM

К преимуществам АВС метода можно отнести следующее: 1 ABC исключает проблему, возникающую при пользовании методами калькуляции затрат по «объему», где производственные накладные