Источники энергии

Вода как глобальный источник энергии

Характеристика природных вод

Различают поверхностные и подземные (грунтовые) воды. Наибольшее практическое значение для промышленности имеют воды поверхностных источников, которыми являются реки, озера, искусственные водоемы (водохранилища, пруды) и моря. Качество речной воды зависит от характера питания реки, которое может включать в себя: поверхностный сток, горноснеговые и ледниковые воды, сток с болот, дождевые и снеговые стоки с поверхности почвы, грунтовое питание водами подземных источников, сточные воды промышленных предприятий и населенных пунктов. Для большинства рек химический состав воды сильно зависит от гидрометеорологических условий и времени года, так как поверхностный сток, возникающий за счет атмосферных осадков, в отдельные периоды года является основным.

Состав подземных вод в значительно меньшей степени, чем поверхностных, зависит от гидрометеорологических условий. Подземные воды отличаются почти полным отсутствием взвешенных веществ и повышенным содержанием свободной углекислоты.

Вода стоячих открытых водоемов - водохранилищ и озер - имеет разнообразный состав. Это зависит от многих условий: климата (влажный или сухой), величины притока в водоем речной воды и ее качества, величины стока воды из водоема, количества испаряющейся из него воды.

Общее количество воды на земле оценивается в 2 млрд км3 Около 3/5 этого количества сосредоточено в морях и океанах. Из пресных вод земной поверхности около 25 млн км3 составляют ледяные массы континентов (Антарктики, Гренландии и др.). Реки и почвенные воды вместе составляют около 0,25 млн км3 и столько же приходится на долю озер. Атмосфера содержит около 0,13 млн км3 воды в виде пара.

В результате испарения громадные количества воды постоянно переходят в атмосферу. В этом процессе участвует и растительный мир земли. По всему земному шару ежегодно испаряется примерно 0,38 млн км3 воды и выпадает такое количество осадков, которое соответствует покрывающему весь земной шар слою воды толщиной 74 см.

Основные показатели качества воды

Щелочность. Щелочностью называется общее содержание в ней веществ, обусловливающих при диссоциации или в результате гидролиза повышенную концентрацию ионов ОН-. В природных водах щелочность обусловливается присутствием в них ионов НСО3-, SiO3, HSiO3-, а также присутствием солей некоторых слабых органических кислот, называемых гуматами. В умягченных и котловых водах, кроме перечисленных веществ, щелочность обусловливается также ионами РО43- и ОН-.

Жесткость. Жесткостью воды называется суммарное содержание в воде катионов кальция и магния, выраженное количеством миллиграмм-эквивалентов в 1 л (мг/экв/л), микрограмм-эквивалентов в 1 л (мкг-экв/л) и грамм-эквивалентов в 1 м3 (г-экв 1м3).

Мягкие воды (химически обработанная, питательная, конденсат и т.п.) обладают лишь остаточной жесткостью.

Высокая жесткость воды приносит в быту ряд неудобств. Известно, например, что мыло в жесткой воде сворачивается и не дает обильной пены, обычной при употреблении сравнительно мягких вод.

Сухой остаток. Сухим остатком воды называется суммарное количество нелетучих веществ, присутствующих в воде в коллоидном и молекулярно-дисперсном состоянии, выраженное в мг/л или г/м3.

Сухой остаток определяют путем осторожного выпаривания профильтрованной пробы воды и последующего высушивания сухих веществ при 110-1200С. Количество этих веществ, определенное взвешиванием и пересчитанное на 1 л воды, и дает сухой остаток. Следовательно, в понятие сухого остатка не входят растворенные в воде газы, а также летучие и взвешенные вещества.

Окисляемость. Окисляемость в некоторой мере характеризует загрязненность воды органическими веществами. Она обычно выражается количеством миллиграммов кислорода, потребных для окисления в определенных условиях органических веществ, содержащихся в 1 л исследуемой воды. Окисляемость не отвечает (неидентичная) содержанию в воде органических веществ, так как при условиях ее определения не происходит полного разрушения (окисления) всех органических веществ.

Прозрачность. Прозрачность косвенно характеризует количество содержащихся в воде взвешенных веществ. Она выражается в сантиметрах высоты столба воды, налитой в специальный стеклянный цилиндр, сквозь который (столб) еще возможно чтение печатного шрифта (прозрачность по шрифту) или наблюдение крестообразно расположенных черных полосок толщиной в 1 мм на белом матовом кружке на дне цилиндра (прозрачность по кресту).

Качество природных вод

Содержащиеся в природных водах вещества можно разделить на следующие три группы: грубодисперсные (взвешенные) вещества, коллоиды и молекулярно-дисперсные вещества.

Если в каком-либо веществе (среде) распределено другое вещество в виде мелких частичек, то такая система называется дисперсной. Совокупность распределенных частичек называется дисперсной фазой, а вещество, в котором они распределены, -дисперсионной средой. Так, имеющийся в воде осадок будет являться дисперсной фазой, а вода - дисперсионной средой.

Если с течением времени не наблюдается разделения дисперсной фазы и дисперсионной среды, система считается устойчивой. Устойчивость дисперсной системы в значительной мере зависит от размера частичек дисперсной фазы. Если они очень велики по сравнению с молекулами воды, то система будет неустойчивой и распределенное вещество выпадет в осадок или всплывет на поверхность в зависимости от величины его удельного веса. Такие неустойчивые системы называются взвесями. Взвеси разделяются на суспензии и эмульсии. В первом случае дисперсной фазой является твердое вещество (например, порошок мела, взболтанный с водой), во втором - жидкость (капельки масла в воде).

Использование воды, загрязненной взвешенными веществами, затрудняет осуществление процессов ее химической обработки. Поэтому первой технологической операцией обработки такой воды является ее освобождение от грубодисперсных загрязнений. При анализе природных вод эти загрязнения обычно характеризуются весовым количеством, содержащимся в единице объема воды (мг/л, г/л), без указания их химического состава.

В коллоидном состоянии присутствуют в воде вещества как органического, так и минерального происхождения. Среди первых следует отметить вещества, известные под названием гуминовых, которыми особенно богаты воды болотного происхождения. Они окрашивают воду в желтый или коричневый цвет, а также вызывают помутнение воды, связанное с рассеиванием света. Загрязнению воды органическими веществами способствуют процессы отмирания и распада различных водных организмов, а также сброс в водоемы промышленных неочищенных сточных вод. Из неорганических веществ в коллоидном состоянии часто присутствуют в воде соединения железа, кремния и алюминия. Коллоидные загрязнения затрудняют работу паровых котлов, повышая склонность котловой воды к вспениванию и уносу ее паром. Поэтому они по возможности удаляются из воды при ее обработке.

К группе молекулярно-дисперсных веществ относятся растворенные в воде соли и газы (Са(НСО3)2 Mg(НСО3)2, СаС12, МgС12, СаS04, МgSO4, Nа2SO4, NаС1).

Технологические методы обработки воды

Деаэрацией (дегазацией) воды называется производственный процесс, имеющий целью удаление из нее растворенных агрессивных газов - кислорода и углекислоты. Удаление из воды одного кислорода называется обескислороживанием воды. Деаэрация воды осуществляется термическим способом, обескислороживание - химическим и десорбционным способом.

Термическая дегазация воды основана на уменьшении по закону Генри растворимости в воде газов с повышением температуры. Дегазация воды осуществляется в аппаратах, называемых деаэраторами (дегазаторами).

Осветление воды. Осветлением называют процесс удаления из воды грубодисперсных и коллоидных примесей, являющихся причиной мутности воды. Удаление грубодисперсных загрязнений (собственно осветление) может быть осуществлено осаждением и фильтрованием.

При осаждении частички твердых веществ под действием силы тяжести оседают на дно резервуара, в котором осветляемая вода находится в состоянии покоя или медленного движения по горизонтали или снизу вверх. Следовательно, осаждением можно удалить только тонущие в воде частички. Осаждение требует длительного времени, больших объемов резервуаров и не может обеспечить полного удаления грубодисперсных примесей.

Фильтрованием называют процесс осветления воды путем пропуска ее через пористое вещество, на поверхности и в порах которого она оставляет грубодисперсные примеси. Аппарат, в котором производится фильтрование, называется фильтром, а пористое вещество, содержащееся в нем, - фильтрующей средой, или фильтрующим материалом. Фильтры, служащие для целей осветления воды, называются осветлительными фильтрами. Интенсивность работы фильтра характеризуется скоростью фильтрования воды v, выражаемой в м/ч.

Коагуляция воды. Коагуляцией называется процесс укрупнения (слипания, свертывания) коллоидных частиц, завершающийся выпадением вещества в осадок, удаляемый осаждением или фильтрованием. Процесс, противоположный коагуляции, т.е. переход твердого вещества (например, осадка) в коллоидное состояние, называется пептизацией. В технологии водоприготовления под коагуляцией понимают обработку воды специальными реагентами с целью удаления из нее коллоидных и грубодисперсных примесей.

Применяют две принципиально отличные схемы коагуляционных установок: коагуляция в отстойнике и коагуляция на осветлительных фильтрах (прямоточная схема).

Умягчением воды называется удаление из нее катионов кальция и магния. Умягчение воды методом осаждения накипеобразователей основано на связывании катионов кальция и магния ионами С032- и ОН- с образованием труднорастворимых соединений СаСО3 и Мg(ОН)2, выпадающих в осадок и удаляемых из воды. Ионы С032- и ОН- вводятся в обрабатываемую воду с различными реагентами-осадителями, в качестве которых применяют негашеную (СаО) или гашеную (Са(ОН)2) (пушонка) известь, едкий натр (каустическая сода) NаОН, углекислый натрий (кальцинированная сода) Nа2СО3. В зависимости от этого различают следующие способы обработки воды:

Способ обработки .............. Применяемые реагенты

Известковый ................  Только известь

Содоизвестковый . ............ Nа2СО3+СаО

Едконатровый ................ NаОН

Содоедконатровый ............. Nа2СО3+NаОН

Известковоедконатровый .......СаО+NаОН

Атомные электрические станции