қазақстан республикасының ғылым және білім

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ ҒЫЛЫМ ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТРЛІГІ

«Алматы энергетика және байланыс университеті»

Коммерциялық емес акционерлік қоғамы

А.А.Тұманова

СУДЫ ДАЙЫНДАУДЫҢ ФИЗИКА-ХИМИЯЛЫҚ ӘДІСТЕРІ Оқу құралы

Алматы 2010

УДК 621.182.12: 621.311.2 (075.8) ББК 31.32. Я 73

К 15 Суды дайындаудың физика-химиялық әдістері:

Оқу құралы /А.А.Тұманова; АЭжБУ. Алматы, 2010. – 80 бет.

ISBN 978 – 601 – 7098 – 06 - 3

Жылу электр стансалары мен өнеркәсіптік өндірістерде жылутасығыш ретінде қолданылатын судың өңдеуінде қолданылатын алдын-ала тазарту (коагуляциялау, ізбестеу, сүзу), ион алмасу, мембраналық (кері осмос, электродиализ, ультрасүзу), суды газсыздандыру, термиялық тұзсыздандыру әдістерінің негіздері қарастырылады.

5В071700 – «Жылуэнергетика» мамандығы бойынша барлық оқу түрінің бакалаврларына арналған оқу құралы.

Без. 31, кесте.1, әдеб. көрсеткіші. - 7 атау.

ББК 31.32. Я 73

ПІКІРБЕРУШІ: ҚазҰУ, техн.ғыл.докторы, проф. М.К.Наурызбаев.

АЭжБУ, хим.ғыл.канд., доц. К.С.Идрисова.

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігінің 2010 жылғы баспа жоспары бойынша басылады.

ISBN 978 – 601 – 7098 – 06 - 3

© «Алматы энергетика және байланыс университетінің» КЕАҚ, 2011 ж.

Кіріспе

Техникалық пайдалану ережелеріне сәйкес электр стансалары мен желілерінің су дайындау қондырғыларын пайдалану режимі мен су-химиялық режимі электр стансалардың және жылулық тораптар өндірістері 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 және АЭС сулы жылутасығыштардың жоғары сапасын қамтамасыз ету негізгі міндет болып табылады. Мұнымен 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 түсетін судың сапасын нормалармен бекітілген көрсеткіштерге дейін жеткізу мақсатындағы технологиялық процестердің кешені. Әр түрлі әдістерді қолдану кезінде суды өңдеу 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.

Ұсынылып отырған оқу құралында суды физика-химиялық өңдеудегі қолданылатын алдын-ала тазарту әдістерінің (коагуляциялау, ізбестеу, сүзу), ион алмасу, газсыздандыру, термиялық тұзсыздандыру, мембраналық әдістер (кері осмос, электродиализ, ультрасүзу) негіздері қарастырылды.

1 Суды жылуэнергетикада пайдалану

Сумен қамдау көздерінен алынатын су жылуэлектр стансаларында келесі мақсаттарда пайдаланылады:

1) технологиялық шикі зат ретінде буландырғыштарда, бу түрлендіргіштерде, бу өндіргіштерінде, қазандықтарда, қайнайтын типті ядролы реакторларда буды алуда;

2) бу шығырларында және басқа жылуалмастырғыш аппараттарында пайдаланылған буды шықтауда;

3) ЖЭС пен АЭС-дың әртүрлі агрегаттарын салқындатуда;

4) ыстық сумен қамтамасыз ету жүйелері мен жылу тораптарында, АЭС- дың I-ші долбарында жылутасығыш ретінде.

Электр және жылу энергиясын өңдіруде су сапасына қойылатын талаптарды қамтамасыз ету үшін судың арнайы физика-химиялық өңдеуін жүргізу қажет. Табиғи суды тазартумен қатар электр стансаларында ағынды суларды қайта пайдалану мәселелерін де шешу қажет.

Суды технологиялық өңдеу процесінің жалпы сұлбасын құрастыру бастапқы судың құрамына, электр стансасының типі мен параметрлеріне, қолданылатын негізгі жабдықтарға, жылу және ыстық сумен қамтамасыз ету жүйесіне тәуелді.

Су дайындаудың мақсаты – талаптарына сәйкес келетін өңдеу әдістерін таңдап, қазандықтарда өтетін ішкі процестерді ұйымдастыру нәтижесінде электр стансаларының үнемді және берік су режимін құрастыру.

Су дайындаудың негізгі міндеттері:

1) бу түзуші және буды аса қыздыратын құбырлардың ішкі бетінде темір оксидтері мен кальций қосылыстарының, ал бу шығырларының ағынды бөлімінде – мыс, темір қосылыстарының, кремний қышқылы мен натрий шөгінділерінің түзілуін болдырмау;

2) ЖЭСдің негізгі және қосалқы жабдықтарының конструкциялық металдары су және бумен контактілегенде, сонымен қатар резервте болған кезде, оларды жемірленуден қорғау;

Тек қана электр энергиясын өндіретін жылуэлектр стансалары шық электр стансалары (ШЭС) деп аталады.

Шығырларда өңделген бу жылумен қамтамасыз ету жүйесінде қолданылса, мұндай ЖЭС жылуэлектрорталығы (ЖЭО) деп аталады.

ШЭС және ЖЭО айналымдарында пайдаланылатын судың түрлері:

а) Бастапқы табиғи су (Дбаст) – сумен қамдау көздерінен алынған және су дайындау қондырғысына технологиялық шикі зат ретінде жіберілетін, сонымен қатар электр энергиясын алуда басқа мақсаттармен де қолданылатын су.

б) Қосылатын су (Дқос) – электр стансасының су-бу айналымындағы бу мен шықтың шығынын толықтыру үшін қолданылатын су. Бу өндіргіштерінде қоректі суға қосылатын су ретінде химиялық өңделген суды немесе дистиллятты (буландырғыштардың екіншілік бу шығы) қолдануға болады.

в) Қоректік (газсыздандырылған) су (Дқор) – буланып кеткен қазан суының шығынын толықтыру үшін бу өндіргіштеріне сорғылар арқылы жіберілетін су. Оның құрамы: шығырлардың шығы, жаңғыртулық және жылуландыру қыздырғыштардың шығы, сыртқы тұтынушылардан қайтатын шық және қосылатын сулардың қоспасы.

г) Шығыр шығы (Дш.ш.) – құрамында аз ғана мөлшерде еріген заттары бар қоректік судың ең бағалы құрастырғышы. ЖЭС-та оның шығынын азайтудың барлық жағдайын жасау қажет.

д) Сыртқы тұтынушылардан будың қайтатын шығы (Дқайт) – бөгде қоспаларынан алдын-ала тазартылған қоректік судың құрама бөлігі ретінде қолданылады.

е) Қазандық суы (Дқаз) – бу өндіргіштерінде буланатын су (бу түрлендіргіштер мен буландырғыштарда буланатын суды концентрат деп атайды).

ж) Үрлеу арқылы тазартылған су немесе үрленген шоғырма (Дүр) – ЖЭС циклына үзбей келіп түсетін қоспалардың концентрациясын берілген деңгейде тұрақты ұстап туру үшін бу өндіргіштерден, буландырғыштардан және бу түрлендірушілерден шығарылатын су.

з) Салқындататын (айналып келетін су) (Дсал) – істеп шыққан буды шықтау үшін бу шығырларының шықтағыштарында қолданылатын су.

и) Қосылатын қорекі суы (Д_қ.қ.) – айналып келулік жүйелік судың шығынын толықтыру үшін жылуландыру жүйесіне жіберілетін су.

ЖЭС пен АЭС-ті пайдалану кезінде станса ішілік бу мен шықтың шығындары пайда болуы мүмкін:

а) қазандықтарда – үзілмейтін және үзілетін үрлеу кезінде, сақтандырғыш қалпақтарды ашқанда, күл мен қождан тазартқанда, қыздырудың сыртқы бетін су немесе бумен жуған кезде, шашыратқыштарда сұйық отынды шашыратқанда;

б) шығырлы өндіргіштерде бу-ауа эжекторлар мен лабиринтті нығыздаулар арқылы;

в) сынама алу нүктелерінде;

г) күбілерде, сорғыштарда, құбырларда ыстық судың деңгейі асып төгілгенде, буланғанда, майлықтан өткенде.

Станса ішілік бу мен шық шығындары ЖЭС-тың жалпы бу өндірулігінен – 2-3%, ал АЭС-да – 0,5-10% құрайды. Бұл шығындарды қосылатын қорекі суын қосып толықтырады. Өндірістік ЖЭО-да бу мен шықтың сыртқы шығындары да болады. Сондықтан мұнда қосылатын судың мөлшері өндірілетін будың 10-50% шамасына барады.

1.1 Табиғи сулар қоспаларының жіктелуі

Табиғи суларды әр түрлі нышандары бойынша жіктейді.

1) Судың тұздылығы бойынша: тұщы < 1 мг/кг, аз тұздалған 1-10 мг/кг, тұздалған > 10 мг/кг.

2) Су қоспаларының дисперстілік дәрежесі (немесе бөлшектердің ұсақтану дәрежесі) бойынша жіктелуі кестеде келтірілген.

Кесте 1 – Су қоспаларының дисперстілік дәрежесі бойынша жіктелуі

№ Дисперстілік дәрежесі Қоспалары

1. < 1 нм Шын еріген (иондар,

молекулалар)

2. 1- 100 нм Коллоидты дисперсті

3. > 100 нм Жүзгін (дөрекі) дисперсті Табиғи сулардың лайлылығын қамтамасыздандыратын және механикалық қоспаларға жататын жүзгін дисперсті заттарға құм, топырақ, т.б.

минералды және органикалық заттар жатады. Коллоидты дисперсті заттар бөлшектерінің мөлшері бойынша жүзгін дисперсті мен шын ерітілгендердің арасында болады. Олар қағаз сүзгісінен оңай өтсе, малдың және өсімдіктердің мембраналарынан өте алмайды. Табиғи суларда коллоидты-дисперті заттарға кремний, алюминий, темір қосылыстары, өсімдіктер мен малдың ыдырауы нәтижесінде түзілетін органикалық заттар жатады. Шын еріген (молекулалық және ион-дисперсті) заттарға суда еріген тұздар, қышқылдар, сілтілер және газдар жатады.

3) Химиялық құрамы бойынша табиғи сулар қоспалары минералдық және органикалыққа бөлінеді.

Минералдық қоспаларға еріген газдар (N2, O2, СО2), биохимиялық процестердің нәтижесінде түзілетін газдар (NH3, CH4, H2S), ағын суларымен әкелінетін газдар, катиодар мен аниондар (Na⁺, K⁺, Са²⁺, Mg²⁺, NH₄^, Fe²⁺, Fe³⁺, Мn²⁺, НСО3-, Сl^-, SO42-, SiO32-, NO3-) түрінде болатын тұздар, қышқылдар, негіздер жатады.

Топырақтар мен шымтезекті батпақтардан жуылып ашық суаттарға түсетін органикалық заттарды гумус заттарына жатқызады. Беттік суаттарда органикалық заттардың сандық және сапалық мөлшерінің артуына жеткілікті тазаланбаған тұрмыстық, өндірістік және ауыл шаруашылық науалары әсер етеді.

1.2 Су сапасының көрсеткіштері

Жылуэнергетикада қолданылатын су сапасына келесі көрсеткіштер жатады:

1) Жүзгін дисперсті заттар концентрациясы.

2) Шын ерітілген қоспалар концентрациясы.

3) Коррозиялық белсенді газдар концентрациясы.

4) Сутек иондарының концентрациясы (рН).

5) Технологиялық көрсеткіштер: құрғақ және қызартылған қалдық, тотығушылық, кермектілік, сілтілік, кремний мөлшері, меншікті электр өткізгіштік.

Жүзгін дисперсті заттар концентрациясын суды қағаз сүзгісі арқылы сүзіп, 378-383 К-де тұрақты массасына дейін құрғатып, өлшеп анықтауға болады. Іс жүзінде бұл көрсеткішті судың мөлдірлігі және лайлылығы арқылы анықтайды.

Жүзгін дисперсті заттардың көтеріңкі концентрацияларында мөлдірлікті түбінде сызықтарының қалыңдығы 1 мм болатын шрифт немесе крест орнатылған шыны бағанасындағы бақыланатын затты байқауға болатын су бағанының биіктігімен анықтайды. Жүзгін дисперсті заттардың азырақ концентрацияларында (<3 мг/кг) нефелометрлік әдісті қолданады. Бұл әдіс талданатын судың лайлылығын эталонмен салыстыруға негізделген.

Мұнымен қатар жүзгін дисперсті заттар концентрациясын қызартылған және құрғақ қалдықтардың айырымынан анықтайды (яғни сүзілмеген және сүзілген судың 1 кг буландырып).

Судағы органикалық қоспалардың мөлшерін судың тотығушылығымен бағалайды. Тотығушылық - 1 кг судағы органикалық қоспаларды тотықтыру үшін күшті тотықтырғыш (әдетте КМnО4) шығынының мөлшері.

Шын ерітілген қоспалар концентрациясын (мг/кг, мг-экв/кг) химиялық талдау әдістерімен анықтайды. Талдаудың дұрыс өткізілуі электрбейтараптылық заңына негізделген, яғни судағы катиондар концентрацияларының қосындысы аниондар концентрацияларының қосындысына тең болуы:

ΣKt = ΣАn, [мг-экв/кг].

Талдау қателігі ≤ 1 % болуы қажет. Катиондар мен аниондардың қосынды концентрациясы судағы тұз мөлшерін құрайды (сутек және гидроксид-иондар концентрациясын ескермей).

Судың кермектілігі жылу электр стансаларында пайдаланылатын судың негізгі көрсеткіштерінің бірі болып табылады. Іс жүзінде табиғи суларда кальций және магний иондарының концентрациясы басқаларға қарағанда жоғары болғандықтан кермектілік деп судағы кальций және магний иондарының эквиваленттерінің молярлы концентрацияларының (нормальдіктерінің) қосындысын айтады. ИСО 6107-1-8:1996 стандарты бойынша кермектілік деп судың сабынмен көбік түзуге қабілеттілігін айтады.

Лезде бақылау кезінде кермектілік катионитті сүзгілерден кейінгі суларда, коагуляция мен ізбестеуді жүргізгенде мөлдірлеткіш суында және будың өндірістік тұтынушыларының конденсатында анықталады.

Жалпы кермектілікті кальций және магний иондарының қосынды

концентрациясы түрінде анықтайды:

Кж = Cэкв(Са²⁺) + Сэкв(Mg²⁺), [мг-экв/кг; мкг-экв/кг]. (1) Кальций кермектілігі кальций иондарының концентрациясына байланысты:

КСа2+ = Cэкв(Са²⁺).

Магний кермектілігі магний иондарының концентрациясына байланысты:

КMg2+ = Сэкв(Mg²⁺).

Судың құрамындағы қосылыстардың табиғаты бойынша карбонатты Кк

(уақытша) және карбонатсыз Ккс (тұрақты) кермектіліктерді ажыратады.

Карбонатты кермектілік гидрокарбонат- және карбонат-иондарына эквивалентті кальций және магний иондарының концентрациясына тәуелді (Ca(HCO3)2, MgCO3). Егер Кж > Сж болса, онда Кк = Сж, ал кері жағдайда

К_к = Кж.

Карбонатсыз кермектілік деп күшті қышқылдар аниондарымен (хлоридтер, сульфаттар, нитраттар) байланысқан кальций және магний иондарының мөлшерін айтады (CaSO4, MgCl2, Ca(NO3)2):

Ккс = Кж – Кк. (2) Кермектіліктің мөлшеріне байланысты табиғи сулар былай жіктеледі:

кіші кермекті су (Ккс < 1,5 мг-экв/кг), орташа кермекті су (Ккс = 1,5-3,0 мг- экв/кг), көтеріңкі кермекті су (Ккс = 3,0-6,0 мг-экв/кг), жоғары кермекті су (Ккс

= 6,0-12,0 мг-экв/кг) және аса жоғары кермекті су (Ккс > 12,0 мг-экв/кг).

Судың сілтілігі деп судағы әлсіз қышқылдар аниондары мен гидроксил иондарының қосынды концентрациясынан сутек-иондарының концентрациясын алып тастағандағы шаманы айтады.

Суда еріген затқа байланысты сілтіліктің бірнеше түрін ажыратады:

гидраттық Сг (ОН^- иондарының әсерінен), бикарбонаттық Сб (НСО3-), карбонаттық Ск (СО32-), фосфаттық Сфосф(HPO42-, PO43-), силикаттық Ссил

(HSiO3-, SiO32-), гуматтық Сгум(гумин және фульвоқышқыл тұздары) және т.б.

Беттік және жер асты табиғи суларының сілтілігі әдетте олардың құрамындағы бикарбонаттардың және гуматтардың, яғни әлсіз қышқыл тұздарының болуымен түсіндіріледі. Na-катиондаумен жұмсартылған судың сілтілігі де бикарбонаттар және гуматтармен түсіндіріледі, ал ізбестеу әдісімен жұмсартылған судың немесе ізбестеу суының сілтілігі гуматтармен бірге

гидраттар және карбонаттардың болуына байланысты; қазандық сулардың сілтілігі олардың құрамындағы күйдіргіш сілтілердің, соданың, фосфаттардың және силикаттардың, сонымен қатар гуматтардың болуына байланысты.

Меншікті электр өткізгіштік деп ұзындығы 1 см және қимасының ауданы 1 см² зерттелетін су бағанасының кедергісін айтады. Су фазасының меншікті кедергісі еріген заттар табиғатына, концентрациясы мен температурасына тәуелді.

Меншікті электр өткізгіштік – меншікті электрлік кедергіге кері шама болып табылады:

χ = 1/ρ, (3) мұнда ρ – судың меншікті электрлік кедергісі.

Ағын суларының электр өткізгіштігі олардың құрамына ғана емес, сонымен қатар температурасына да тәуелді болады. Бұл тәуелділік дәлірек түрде 2 дәрежедегі полином түрінде өрнектеледі:

χ = χ0 (1 + αt + βt²), (4) мұнда α мен β – еріген заттар табиғаты мен концентрациясына тәуелді коэффициенттер.

Электр өткізгіштігін өлшеуге негізделген суды талдау әдісі кондуктометрия деп аталады.

1.3 Жылутасығыш ластануының көздері Жылутасығыш ластануының көздері:

1) бу мен шықтың ішкі және сыртқы шығындарын өтеу үшін қосылатын судың қосындылары;

2) жүйелік немесе салқындатылған судың бу шықтағышына сормасы;

3) ЖЭО-ға будың сыртқы тұтынушыларынан қайтатын ластанған шықтың қосындылары;

4) су тәртібін түзету үшін бу-су трактіне әдейі енгізілетін қосындылар (фосфаттар, гидразин, аммиак және т.б.);

5) конструкциялық материалдардың жемірлену өнімдері.

АЭС-да сонымен қатар ядролы отынның бөліну өнімдері түріндегі қосындылар болады. Су мен будың қосынды ластануына айтылып кеткен көздердің әсері жұмыс шарттары мен негізгі жылуэнергетикалық қондырғылардың типіне байланысты.

Шығыр шықтағыштарындағы салқындатылған судың сормасы вакуумда болатын бу қысымына қарағанда су жағының шығы жоғарырақ қысымда болуы себепші болады. Судың сормасы әдетте шықтанатын будың 0,005- 0,003% мөлшеріне барады. Егер мұнда жемірлену процесі жүріп жатса, 0,01- 0,02%-ға дейін жоғарылайды.

Жемірлену өнімдері суға коллоидті және жүзгін дисперсті түрлерінде өтеді.

Тектегіш контурларының суында әдетте хром, марганец, темір, кобальт, йод және т.б. элементтердің радионуклидтары кездеседі.

ЖЭС-да суды әртүрлі әдістермен өңдейді. Бұл әдістерді физикалыққа (реагентсіз) және химиялыққа (реагенттерді қолданатын) бөледі.

Реагентсіз әдістер суды өңдеу процесінің бөлек этаптары ретінде немесе өзіндік әдістер ретінде қолданылады. Химиялық әдістер арқылы жұмсартылған және терең тұзсыздандырылған суды алады.

Физикалық әдіс суды қыздыру арқылы сапалы дистиллятты алуға мүмкіндік береді, бірақ мұнда химиялық өңделуі өткізілген жұмсартылған су қолданылады.

Бу-шығыр қондырғыларының долбарын сумен толтыру үшін және шығындарды толқтыру үшін тек қана терең тұзсыздандырылған су қолданылады. Мұндай суды физикалық және химиялық әдістермен алуға болады.

Су дайындау қондырғыларын пайдалану кезінде өңделетін судың 5-20%

шығынының мөлшерінде ақаба сулар пайда болады. Оларды су қоймасына ағызу үшін құрамындағы қоспаларды шекті мүмкін шоғырына дейін тазарту қажет.

2 Суды алдын-ала тазарту

Суды тазартудың ең бастапқы этапы – алдын-ала тазарту – су дайындау қондырғыларында (СДҚ) жүргізіледі. Бұл этапта судан жүзгін және коллоидті заттары бөлініп, бикарбонатты сілтілігі төмендейді. Алдын-ала тазарту көбінесе тұндыру әдістерімен жүргізіледі, яғни қоспалар судан тұнба түрінде бөлініп шығады. Тұндыру әдістеріне коагуляция, ізбестеу және магнезиалды кремнийсыздандыру жатады. Бұл процестер мөлдірлеткіштерде химиялық реагенттерді қосу арқылы жүзеге асады. Мөлдірлеткіште судың біріншілік тазартылуы, ал тұнбадан суды ең соңғы тазартуда сүзу әдісі (реагентсіз) қолданылады.

2.1 Суды коагуляциялау

Коллоидты қоспалар - қатты фаза мен су арасында бөлу беті бар көптеген молекулалардан тұратын агломераттар. Сүзу материалы көлеміндегі кеуек мөлшері мен коллоидты бөлшектер мөлшері қатынасына байланысты коллоидты бөлшектер сүзгіш материалдарында (құм, сүзу қағазы) ұсталып қалмайды.

Табиғи сулардағы коллоидты жүйелердің агрегативті (яғни коллоидты бөлшектер мөлшерінің) тұрақтылығы болады. Коллоидты бөлшектердің кіші мөлшерлеріндегі агрегативті тұрақтылығы седиментациялық тұрақтылыққа (яғни ерітіндінің бүкіл көлемінде коллоидты бөлшектер концентрациясының

тұрақтылығына) әкеледі.

Суды байланыстыру қабілеттілігіне байланысты коллоидты заттар гидрофобты және гидрофильдіге бөлінеді. Үлкен электрлік заряды бар гидрофобты коллоидтар – топырақ, құм бөлшектері, метал (алюминий, темір) оксидтерінің зольдері – судың молекулаларын нашар байланыстырады. Гидрофильды коллоидтар судың түсін қамтамасыз етеді.

Бұлар суаттарға ағын суларымен түседі, су молекулаларының үлкен мөлшерін байланыстыра алады, электрлік зарядының мәні шамалы болады.

Агрегативті тұрақтылығынан айырылғанда коллоидты бөлшектер бір біріне жабысады. Молекула аралық тартылыс күштерінің әсерінен коллоидты бөлшектердің жабысуынан жүзгін макрофазасы (флокулалары) түзіліп, судан бөлінуінің физика-химиялық процесін коагуляция деп атайды.

Суды дайындауда коллоидты бөлшектердің өзара коагуляціиясына негізделген процесс қолданылады. Ол үшін суға оң зарядталған бөлшектері бар коллоидты ерітінді түзетін коагулянттар деп аталатын реагенттерді қосады. Бұл реагенттер коллоидті жүйенің тұрақтылығын бұзып, бөлшектердің іріленуіне әкеледі.

Коагуляцияның негізгі тағайындалуы – судан органикалық қоспаларды бөліп алу. Мұнымен қатар, коагуляция кезінде жүзгін дисперсті қоспаларының концентрациясы, судың түстілігі төмендейді және суды реагенттік әдіспен жұмсарту кезінде кальций карбонаты мен магний гидроксидін тұндыру шарттары жақсартылады. Коагуляция процесінің сапасын бастапқы және өңделген судың түстілігі, мөлдірлігі, тотығушылығынан бақылайды.

Коллоидты жүйенің агрегативті тұрақтылығы коллоидты бөлшек пен су арасындағы бөлу бетінде қос электрлік қабаттың түзілуі мен потенциалдың секіруімен түсіндіріледі.

Артық энергиясы бар коллоидты бөлшектің бетінде потенциал түзуші иондар орналасады (1 – сурет).

1 сурет – Қозғалмайтын коллоидты бөлшектің құрылымы

Потенциал түзуші және қарама-қарсы иондар коллоидты бөлшектің айналасында қос электрлік қабатты түзеді. Коллоидты бөлшектің шекарасында қос электрлік қабаттың потенциалы (₀), ал қос электрлік қабаттың диффузиялық бөлімінің шекарасында _ потенциалы түзіледі.

Коллоидты бөлшек қозғалмаған кезде бөлшектің қос электрлік қабатпен комплексі электрбейтарапты болады. Дисперсті фазаның бөлшегі қос электрлі қабатпен бірге мицелланы түзеді. Мицелланың ішкі бөлігін негізгі заттың агрегаты құрайды. Оның бетінде потенциал анықтаушы иондар орналасады.

Агрегат потенциал анықтаушы иондармен бірге мицелланың ядросын түзеді.

Ядро қос электрлі қабаттың тығыз бөлігінің қарама қарсы иондарымен грануланы түзеді. Диффузиялық қабаттың қарама қарсы иондарымен қоршалған зарядталған гранула электр бейтарапты мицелла болады.

Коллоидті бөлшектің сұйықтықтағы броун қозғалысы кезінде жылжу беті бойында қос электрлі қабат түзіледі. Бөлшек диффузиялық қабат иондарының бір бөлігін ұстап қалады, ал диффузиялық қабаттың қалған иондары ерітіндіде қалады (2 – сурет). Жылжу бетінде қозғалыстағы коллоидты бөлшек пен оны қоршаған орта арасында потенциалдар айырымы пайда болады. Осы жылжу бетіндегі потенциал электрокинетикалық потенциал немесе  (дзета)-потенциал деп аталады.

2 сурет – Қозғалыстағы коллоидті бөлшектің құрылымы

Табиғи судағы коллоидты бөлшектер үшін  -потенциал жуықтағанда - 70 мВ құрайды.  -потенциалдың мәні диффузиялық қабатпен ерітіндідегі қарама қарсы иондардың концентрациясына тәуелді. Коллоидты бөлшектің бетінде таңдамалы адсорбциялануға қабілеттілігі бар көп валентті қарама қарсы иондардың жеткілікті мөлшерін коллоидты жүйеге қосқанда  - потенциалдың мәні нөлге ұмтылады да, одан кейін бөлшектің қайта зарядталуы мүмкін, яғни заряд таңбасы қарама қарсыға ауысады.

Жылу беті

Коллоидты мицеллалар суда бөлшектерді ыдыстың түбіне түсіун мәжбур ететін ауырлық күш әсерінен, сонымен қатар броун қозғалысынан пайда болатын диффузиялық күштердің әсерінен болады. Диффузиялық күштердің әсерінен бөлшектер сұйықтың бүкіл көлемі бойынша біркелкі таралуға ұмтылады.

U

3 сурет – Коллоидты бөлшектердің арасында әрекеттесудің сомарлы энергиясы

Коллоидты бөлшектер әрекеттесуінің сомарлы энергиясы U электростатикалық тебіліс энергиясы мен молекула аралық тартылыс энергиясынан тұрады (3 – сурет). Коллоиды бөлшектер арасында әрекеттесудің сомарлы энергиясының олардың арасындағы ара қашықтығынан (х) тәуелділік қисығында екі энергетикалық минимум (1, 3) және бір максимум (2) (потенциалдық барьер) бар.

Коллоидты бөлшектер арасында кіші және үлкен ара қашықтықтарда тартылыс энергиясы басым болады (1, 2 күйі). Бұл энергия коагуляцияны, яғни коллоидты бөлшектердің жабысуын қамтамасыз етеді. Қос электрлі қабаттың қалыңдығына сәйкес болатын коллоидты бөлшектер арасында орташа қашықтықтарда тебіліс энергиясы басым болады (3-ші күйі). Бұл энергия бөлшектердің жабысуын болдырмайды. Адсорбциялық қабаттың потенциалы

> –20 мВ болған кезде біртекті коллоидты жүйенің агрегативті тұрақтылығын қамтамасыз ететін потенциалдық барьер пайда болады. Табиғи сулардың коллоидты жүйелерінің  = –70 мВ. _ >  болғандықтан, табиғи сулардың коллоидты жүйелері жоғары потенциялық барьермен және үлкен агрегативтік тұрақтылықпен сипатталады.

Коллоидты жүйеге электролитті қосу арқылы коагуляцияны қамтамасыз етуге болады (электролиттік коагуляция). Процес кезінде қос электрлі қабат қысылады да  -потенциалдың абсолюттік мәні төмендейді.

Адсорбциялық қабаттағы қарама қарсы иондардың сомарлы заряді потенциал түзуші иондардың зарядына тең болғанда,  -потенциал нөлге теңеседі де коагуляция өте қарқынды өтеді.  =0 болған жағдайда коллоидты жүйенің күйі изоэлектрлік күйі деп аталады. Бұл изоэлектрлік күйге сәйкес келетін рН мәні изоэлектрлік нүктенің рН деп аталады (рНиз).

Табиғи суларды электролитті қосу арқылы коагуляциялау (тұзсыздандыру) судағы тұз мөлшерінің жоғарлауына әкеледі. Бұл өз кезегінде судан иондалған қоспаларды толық не жарым-жартылай бөліп алудың келесі сатысында суды тазарту процесінің техника-экономикалық көрсеткіштерін төмендетеді.

Қосылатын суды тазарту кезінде әртекті дисперсті жүйелердің өзара коагуляциясын – гетерокоагуляцияны қолданады. Ол үшін тазартылатын суға коагулянт, яғни жасанды коллоидты ерітіндіні түзуге қабілеттілігі бар минералды тұздың ерітіндісі қосылады. Табиғи сулардың коллоидты бөлшектері әдетте теріс зарядты болғандықтан, минералды тұзды бұл тұздың түзген жасанды коллоидты ерітінді бөлшектері оң зарядталған болатындай етіп таңдайды. Өңделетін табиғи суға коагулянтты қосқан кезде табиғи судың теріс зарядталған коллоидты бөлшектері коагулянттың оң зарядталған коллоидты бөлшектерімен бейтарапталып, бір біріне жабысып тұнбаға түсетін үлпектерге дейін іріленеді.

Табиғи сулар коллоидты бөлшектерінде қарама-қарсы иондар ретінде көбінесе натрий немесе калий катиондары болады. Бұл катиондар судағы катиондарға алмасады. Коллоидты бөлшектің бір валентті қарама қарсы иондары суда болатын екі валентті кальций және магний иондарына алмасқанда коллоидты жүйелердің агрегативті тұрақтылығы төмендейді. Бұл тұрақтылық үш валентті катиондардың әсерінен одан бетер төмендейді.

Сондықтан қалқымаларды үш валентті металдар тұздарымен коагуляциялау ең үлкен әсер береді.

Табиғи суды органикалық қоспалардан тазартқанда коагулянт ретінде алюминий сульфатын (глинозем) Al2(SO4)3·18H2O, темір сульфатын (темір купоросын) FeSO4·7H20, алюминий оксихлоридін Аlm(ОН)nСl3(m-n) қолданады.

Коагуляция және ізбестеу процестерін қосарлана жүргізгенде коагулянт ретінде темір сульфатын қолданады.

Өңделетін суға алюминий сульфатын қосқан кезде Аl2(SO4)3

диссоциациялануы жүреді:

Al2(SO4)3  2Аl³⁺ + 3SO42-.

Алюминий иондары суды ластайтын коллоидты бөлшектердің адсорбциялық қабатындағы қарама-қарсы иондарымен алмасу реакциясына түседі. Коллоидты бөлшектердің алмасу қабілеттілігі біткенде коагуляция процесі аяқталады.

Диссоциация және ион алмасу процестерімен қатар аз еритін алюминий гидроксидінің түзілуіне әкелетін суға қосылган алюминий сульфатының артық мөлшерінің гидролизі өтеді:

Al³⁺ + Н2О  Al(OH)²⁺ + H⁺ 1-шi сатысы, Al(OH)²⁺ + Н2О  Al(OH)2+ + H⁺ 2-шi сатысы, Al(OH)2+ + Н2О  Al(OH)3 + H⁺ 3-шi сатысы.

Нәтижесінде гетерокоагуляция процесіне әкелетін нашар еритін алюминий гидроксиді Аl(ОН)3 қосылысының коллоиды түзіледі.

Жалпы түрінде:

Аl³⁺ + 3Н2О  Al(OH)3↓ + 3Н⁺. (5) Гидролиз процесі өтуінің тереңдігі судың рН-на байланысты.

рН > 7,5 ортада тек Al(OH)3 түзіледі,

рН < 7,5 Al(OH)3, Al(OH)2+, Al(OH)²⁺ түзіледі.

Al(OH)2+ және Al(OH)²⁺-иондары сульфат-иондарымен қосылып, алюминийдің орта тұздарының нашар еритін қосылыстарын түзеді:

рН ≈ 7 ортада – Al2(OH)4SO4, рН = 5,5 – AlOHSO4.

Бұл қосылыстар рН= 5,5 – 7,5 аралығында ζ-потенциалы кіші мәніндегі коллоидті ерітіндіні түзеді.

Сонымен, суды Al2(SO4)3 тұзымен коагуляциялағанда ортаның рН= 5,5 – 7,5 болу керек. Al(OH)3 қосылысының рНиэ = 7,6 – 8,2 құрайды.

рН < 4,5 мәнінде алюминий сульфатының гидролизі аз ғана жүреді, алюминий гидроксиді түзілмейді, ал суға енгізілген алюминий ерітіндіде Аl³⁺

катиондары түрінде қалады.

SO42- иондарының әсерінен бірінші кезеңде түзілетін А1³⁺ иондарының электролиттік коагуляциясы жүреді.

Алюминий сульфаты гидролизінде бөлінетін сутегі иондары судың рН төмендетуіне байланысты рНиз мәнін ығыстырып коагуляция процесін нашарлатады. Бір мезгілде сутегі иондарының артық мөлшері алюминий сульфаты гидролизін тоқтатады. Осы себептен сутегі иондарын реакциядан шығарып тұру қажет. Табиғи суларды тазартқанда сутегі иондар судың бикарбонат-иондарымен (НСО3-) әрекеттесіп шығарылады.

Егер судағы бикарбонат-иондарының мөлшері жеткіліксіз болса, гидролиз кезінде бөлінетін сутегі иондарын (Н⁺) байланыстыру үшін суға ізбес, сода немесе натрий гидроксидін қосады.

Табиғи сумен коагулянттың қарама қарсы зарядталған коллоидты бөлшектерінің әрекеттесуі гетерокоагуляцияға әкеледі. Электролиттік коагуляция мен гетерокоагуляция нәтижесінде микроүлпектер түзіліп,су коллоидты қоспалардан тазартылады. Ары қарай микроүлпектер бір біріне жабысып, жүзгін дисперсті қоспаларды іліп алады да диаметрі 0,5-3,0 мм, тығыздығы 1,001-1,1 г/см³ үлпектер (флокулалар) түріндегі коагуляциялық құрылымды түзеді. Микроүлпектерден түзілген флокулалар ауырлық күш әсерінен тұнбаға түсіп судан бөлінеді.

Коагуляция процесін ізбестеумен қатар жүргізгенде коагулянт ретінде темір сульфатын (FeSO4)қолданады:

Fe²⁺ + Н2О  FeOH⁺ + H⁺ 1-шi сатысы,

FeOH⁺ + Н2О  Fe(OH)2 + H⁺ 2-шi сатысы. (6)

Суда еріген кезде темір сульфаты диссоциацияланып, екі валентті темір иондарын түзеді. Диссоциациядан кейін темір катиондары өңделетін судағы коллоидты бөлшектердің қарама қарсы иондарының бір бөлігіне алмасады да темір сульфатының гидролизі жүреді.

Екі валентті темірдің гидролизі өте баяу рН < 8 мәнінде өтеді және Fe(OH)2 үлпектері рН > 9 мәнінде ғана түзіледі. Табиғи суда еріген оттегі жеткілікті мөлшерде болғандықтан Fe(II) Fe(III)-ке дейін тотығады.

Fe(III) гидролизі мен темір гидроксиді коллоидтарының түзілуі рН > 3,5 ортада жүреді. Ерігіштік көбейтіндісі мәнін қолданып, коагуляцияны FeSO4

реагентімен жүргізу Fe(OH)3 коллоидты үлпектерінің түзілуін қамтамасыз ету қажет. Іс жүзінде су тазартуда Fe(II) суда еріген оттегімен Fe(III)-ке дейін тек рН > 8 болғанда тотығады:

4Fe(OH)2 + О2 + 2Н2О → 4Fe(OH)3. (7) Коагуляцияны FeSO4 реагентімен рН > 8 ортада жүргізу үшін суды сілтілендіру қажет.Осы себептен FeSO4 реагентін көбінесе судың рН мәні жоғары болған жағдайда қолданады, мысалы суды реагенттермен жұмсартқанда (ізбес және сода немесе ізбеспен).

Al³⁺ және Fe²⁺-иондарының толық гидролизі суда сутегі иондары болмағанда ғана жүреді. От үшін табиғи судың құрамындағы Н⁺-иондарын байланыстыру келесі сұлбамен жүреді:

Н⁺ + НСО3-  Н2СО3  СО2 + Н2О, (8) яғни суда бикарбонат-иондар болу қажет.

Суды органикалық қоспалардан тазартқанда коагулянт ретінде алюминийдің бейорганикалық полимерлі қосылыстарын да қолданады, оның ішінде алюминий полиоксихлориді Аlm(ОН)nСl3(m-n) (ОХА). Алюминий сульфатымен салыстырғанда ОХА-ның мынадай артықшылықтары бар: судың рН мен сілтілігін аз ғана төмендететіндіктен оны алдын-ала сілтілендірмей сілтілігі төмен болатын суды тазартуда қолдануға болады; рН-тың кең аумағында (6 – 9, кейде 5 – 10) эффективті; ірі үлпектердің түзілу уақытын азайтады және олардың тұну жылдамдығын жоғарлатады; ОХА реагентімен өңделген суда хлорид-иондар мөлшері 2 – 8 есе төмен болады (Al2(SO4)3

дозалағанда сульфаттар мөлшеріне қарағанда).

Коагуляцияда үлпек түзілуіне мүмкіндік тұғызатын қосымша заттар ретінде флокулянттар деп аталатын жоғары молекулалық заттарды қолданады. Флокулянттарға суда еритін, бір күрделі жоғары молекулалық поливалентті ион және теріс зарядталған көптеген аз валентті жай иондарға диссоциацияланатын полиакриламид полиэлектролитін жатқызады (ПАА).

ПАА - амфотерлі полиэлектролит: жоғары молекулалы ионының заряды ерітіндінің рН-на тәуелді. ПАА молекулалары ұзындығы 1 мкм, қалыңдығы (3 – 7) · 10^-4 мкм болатын созылған жіптерге ұқсайды.

Үлпек түзілуінің себебі – гидрофобты коллоидты бөлшектердің ПАА молекулаларын сорбциялау. Ұзартылған ПАА молекулалары тізбегінің бөлек үзбелері коллоидты бөлшектермен сорбцияланады да ПАА молекуласы домалақтанып оралады. Түзілетін үлпек тәрізді агрегаттар үлкен жылдамдықпен тұнады.

Коагуляция процесі жүруінің негізгі шарты - коагулянт дозасын дұрыс таңдау. Коагулянттың оптималды дозасы, яғни тазартылатын судағы органикалық қоспалар концентрациясының төмендеуі мен мөлдірленуі жеткілікті тез және толық жүретін минималды дозасы су қоспаларының физика-химиялық қасиеттеріне, температураға және коагуляцияны жүргізу шартына тәуелді болады.

Іс жүзінде коагулянттың оптималды дозасын сыналатын коагуляциялау арқылы анықтайды. Оның әдістемесі келесі: бірнеше конустық шыны колбаларына талданатын судың сынамаларын енгізіп, 40°С-ге дейін қыздырады. Әрбір колбада қышқыл немесе сілті ерітіндісін қосу арқылы рН- тың белгілі мәнін орнатады. Колбаларға концентрациясы белгілі коагулянт ерітіндісінің белгілі көлемін қосады, колбалардың ішіндегісін араластырады да 30 мин қояды. Уақыт өткеннен кейін колбалардағы ерітінділерді қағаз фильтрінен сүзіп, фильтратта тотығушылығын анықтайды. Тотығушылық – органикалық қоспалардың концентрациясын сипаттайтын көрсеткіш.

Алынған нәтижелерден тотығушылықтың максималды төмендеуі жүретін рН-тың оптималды мәнін анықтайды.

Коагуляцияланған судың сапасына бастапқы судың құрамы мен коагуляцияны өткізудің оптималды шарттарын сақтауы әсер етеді.

Коагуляцияланған суда органикалық қоспалар мен қалқыған заттар мөлшері төмендейді; сілтілігі төмендейді, көмір қышқылы, сульфат-иондар (коагулянт ретінде алюминий немесе темір сульфаты қолданылса), хлорид-иондар (коагулянт ретінде ОХА қолданылса) концентрациялары жоғарылайды.

Коагуляция процесі дұрыс өткізілген судың көрсеткіштері келесі болады:

- Қалдық перманганаттық тотығушылығы бастапқы мәннің 30-40%

құрайды.

- Кремний мөлшері 60-90%-ға төмендейді.

- Еріген көмір қышқылының концентрациясы коагулянт дозасына жоғарылайды.

- Коагулянт ретінде алюминий немесе темір сульфаты қолданылса сульфат-иондар концентрациясы коагулянт дозасына жоғарылайды.

- Коагулянт ретінде ОХА қолданылса хлорид-иондар концентрациясы коагулянт дозасына жоғарылайды.

- Сілтілігі коагулянт дозасына төмендейді.

- Жалпы кермектілігі өзгермейді, бірақ карбонатты кермектілігі коагулянт дозасына төмендейді (онда карбонатсыз кермектілігі жоғарылайды).

- Қалқыған заттар мөлшері 1-2 мг/дм³ құрайды.

- Судың шрифт бойынша мөлдірлігі >30 см құрайды.

2.2 Суды ізбестеу әдісімен тазарту

Ізбестеудің негізгі тағайындалуы – бастапқы судың сілтілігін төмендету. Мұнымен қатар судың жалпы кермектілігі, тұз және кремний мөлшері, темір қосылыстарының концентрациясы төмендеп, судан жүзгін дисперсті заттар кетіріледі, судың рН > 9,0 мәнге дейін жоғарлап, түзілетін карбонат-иондары нашар еритін СаСО3 қосылысы құрамында тұнады. Ол үшін өңделетін суға су дайындау қондырғысында CaO мен Н2О әрекеттесуінен түзілетін «ізбес сүті» түрінде Са(ОН)2 ізбесін қосады. Нәтижесінде өңделетін суда Са²⁺ және ОН^- -иондарының концентрациясы жоғарылайды:

Са(ОН)2 → Са²⁺ + 2ОН^-.

Бұл рН-тың жоғарылауымен қатар көмір қышқыл тепе-теңдігінің ығысуы жүреді.

Жалпы түрінде ізбестеу процесі келесі сатылардан тұрады:

1) ОН^-- иондарының көмір қышқылының гидратталған молекулаларымен әрекеттесуі:

СО2 + 2ОН^- → НСО3- + ОН^- → СО32- + 2Н2О; (9) 2) судың сілтілігін қамтамасыз ететін бикарбонат-иондарының ОН^— иондарымен әрекеттесуі:

HCO3- + ОН^- → СО32- + Н2О; (10) 3) бастапқы судағы және ізбеспен енгізілген Са²⁺-иондарымен СО32—

иондарының концентрациясының көбейтіндісі кальций карбонатының ерігіштік көбейтіндісінен (ЕК) жоғары болған жағдайда СаСО3 қатты фазасының түзілуі (кристалдануы):

Са²⁺ + СО32- → СаСО3(қ).

Бос көмір қышқылы мен бикарбонат-иондарды карбонат-иондарына ауыстыруда қолданылатын ізбестің қажеттіден артық мөлшерін дозалағанда суда гидроксид-иондарының артық мөлшері пайда болып, оның концентрациясы Mg(OH)2 қосылысының ерігіштік көбейтіндісі (ЕК) мәнінен жоғары болуы мүмкін. Бұл жағдайда судың магнийлік кермектілігі төмендейді:

Mg²⁺ + 2ОН^- → Mg(OH)2.

Тепе-теңдік күйінде есептелген ізбесті дозалау кезінде көмір қышқылдық компоненттері мен кермектілік тұздары компоненттері концентрацияларының

сапалы өзгеруі 4 – суретте көрсетілген. Мұнда ізбестті рН ≈ 8,3-ке дейін дозалау кальций концентрациясы мен сілтіліктің (мг-экв/кг) жоғарлауының алдында көмір қышқылын бикарбонат-иондарға ауыстырады.

ОН^--иондарының концентрациясын ары қарай жоғарлату НСО3- - иондарын карбонат-иондарға ауыстырады. Бастапқы судың құрамына тәуелді рН-тың кейбір мәнінде кальций карбонаты ЕК мәніне жетеді.

Бұл жағдайда СаСО3 кристалдануы басталып (б зонасы), көмір қышқыл тепе-теңдігі концентрацияларының өзгеруімен қатар (яғни НСО3--иондары концентрациясының төмендеуі мен СО32- және ОН^--иондары концентрацияларының артуы) Са²⁺-иондары концентрациясы мен сілтіліктің төмендеуі басталады.

Ізбесті ары қарай дозалау магний гидроксидінің ЕК мәніне жететіндей және оның кристалдануы басталатындай гидроксид-иондар концентрациясының жоғарылауына әкеледі (с зонасы). Бұл мезгілде ерітінді құрамына байланысты рН-тың кейбір мәнінде магний концентрациясының төмендеуімен қатар кальций концентрациясының артуы басталып (кальцийлік кермектілік магнийлікке ауысады), ары қарай өңделетін судың жалпы кермектілігі мен сілтілігі де артады (d зонасы).

4 сурет – Ізбестті дозалағанда концентрацияның өзгеруі

4 – суреттен сілтілік пен кермектіліктің максималды төмендеуіне сәйкес келетін ізбестелген судың рН-ң оптималды мәндерінің аймағы 10,0 – 10,5 интервалында болатыны және бастапқы судың құрамына ғана емес, сонымен қатар ізбестеудің міндеттеріне (қалдық сілтіліктің мәні минималды, жалпы