WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Одна из наиболее успешных попыток обойти ряд таких трудностей привела к разработке процесса многостадийной флеш-дистилляции, который схематически изображен на рис. 4. В камеру А поступает подогретая морская вода, которая называется рассолом. Рассол прокачивают под давлением через витки теплообменника в камеру В, затем в камеру С и, наконец, в камеру D, причем в каждой камере его температура становится все выше. Теплота поступает к рассолу от водяного пара, конденсирующегося на витках теплообменника каждой камеры. Сконденсировавшийся пар, являющийся пресной водой, собирают и откачивают из установки. В камере Е разогретый рассол нагревают еще сильнее паром, который пропускают через витки теплообменника; пар, используемый в этой камере, приносит с собой большую часть полной энергии, вводимой в систему. Из камеры Е горячий рассол поступает в камеру D, где поддерживается пониженное давление. Поскольку давление в этой камере понижено, часть рассола испаряется и после конденсации превращается в пресную воду. Для испарения воды требуется энергия. Когда вода испаряется с поверхности нашего тела, происходит охлаждение этой поверхности. Точно так же остающийся после испарения некоторой части воды рассол тоже охлаждается. Затем он поступает в камеру С, где давление еще ниже, чем в камере D. Здесь происходит испарение еще некоторого количества воды, а оставшийся рассол еще больше охлаждается. На каждой последующей стадии рассол становится все более концентрированным и все более охлаждается. На последней стадии часть рассола, который содержит теперь приблизительно 7% солей по весу, смешивается с вновь поступающей морской водой. Другая часть рассола сбрасывается в море, чтобы предотвратить слишком большое повышение концентрации солей.

На рис. 5 показана большая промышленная установка по опреснению морской воды методом многостадийной флеш-дистилляции. Такая установка способна вырабатывать ежедневно около 9 миллионов литров пресной воды. Эффективность работы установки многостадийной флешдистилляции ограничена главным образом возникновением накипи в системе циркуляции горячего рассола. Главными причинами образования накипи являются карбонат кальция и гидроксид магния. Чтобы воспрепятствовать их образованию и тем самым сделать возможной эксплуатацию системы при более высоких температурах, применяются различные добавки. Однако при высоких температурах возникает проблема, связанная с осаждением сульфата кальция.

Рис. 5. Установка для опреснения воды методом многостадийной флешдистилляции. Такая установка может ежедневно вырабатывать приблизительно 9 миллионов литров пресной воды (компания «Аква-Кем» в г. Милуоки, США). Рисунок из книги Т. Брауна “Химия в центре наук”, М, Мир, 1983.

Основная часть затрат при осуществлении любого варианта процесса дистилляции связана с большими потребностями в тепловой энергии. Для типичной установки многостадийной флеш-дистилляции стоимость пара составляет приблизительно 40% от стоимости получаемой пресной воды.

В связи с этим предложено множество других способов опреснения воды, которые не связаны с необходимостью ее испарения. В одном из способов пресную воду удаляют из морской воды путем ее замораживания. При образовании льда из морской воды растворенные в ней соли не попадают в него. Однако, процесс замораживания тоже требует затрат энергии. В настоящее время проводятся испытания крупномасштабных установок по опреснению воды, в которых используется принцип замораживания.

ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ ОБРАТНОГО ОСМОСА При опреснении воды методом обратного осмоса пресную воду отделяют от растворенных в ней солей при помощи мембраны, проницаемой для воды, но непроницаемой для солей. Для этого необходимо наличие селективной мембраны, пропускающей только воду, но задерживающей растворенные в ней вещества. Если поместить такую мембрану между рассолом и пресной водой, тенденция к выравниванию концентраций по обе стороны мембраны заставит воду проникать через мембрану в рассол.

Этому процессу можно воспрепятствовать, прикладывая давление со стороны рассола. При достаточно большом давлении проникновение воды через мембрану в рассол прекратится. Давление, необходимое, чтобы воспрепятствовать просачиванию воды через мембрану в раствор, называется осмотическим. Для морской воды при нормальных условиях осмотическое давление составляет приблизительно 25 атм.

Если прикладываемое к рассолу давление превысит осмотическое, то вода будет проходить через мембрану в обратном направлении, другими словами, пресная вода будет выдавливаться из рассола через мембрану.

Этот процесс, называемый обратным осмосом, схематически показан на рис. 6. Морскую или солоноватую воду накачивают под высоким давлением в камеры, стенки которых изготовлены из полупроницаемых мембран. При прохождении воды через мембраны локальная концентрация солей у стенки мембраны повышается, что приводит к повышению осмотического давления и уменьшению потока пресной воды. Чтобы воспрепятствовать этому, через камеру нужно непрерывно прокачивать морскую воду. Поток пресной воды через мембрану пропорционален прикладываемому давлению. Но максимальное давление, которое можно приложить к мембране, определяется ее собственными характеристиками. При слишком высоком давлении мембрана может разорваться, забиться присутствующими в воде примесями или пропускать слишком большое количество растворенных солей.

Рис. 6. Схема процесса опреснения воды методом обратного осмоса.

Давление, создаваемое насосом высокого давления, превышает осмотическое давление соленой воды относительно пресной. Благодаря этому пресная вода просачивается через полупроницаемую мембрану. Чтобы предотвратить накопление соли вблизи мембраны, насос должен постоянно прокачивать по трубам соленую воду. На практике трубы должны иметь очень малый диаметр, и поэтому установку приходится изготовлять из многих тысяч труб.

В обычных установках по опреснению воды методом обратного осмоса трубы, изображенные на рис. 6, изготавливают из пористого вещества, выложенного с внутренней стороны очень тонкой пленкой из ацетата целлюлозы. Ацетат целлюлозы (из которого изготовляют целлофан и основу фотографической пленки) играет роль полупроницаемой мембраны. Установка состоит из множества таких труб, уложенных параллельно друг другу. Скорость проникновения воды через мембрану довольно невелика. Например, при опреснении соленой воды из скважины, содержащей 0,5% растворенных солей, при давлении 50 атм в течение суток удается получить приблизительно 700 л пресной воды с каждого квадратного метра мембраны. Поскольку для получения большой площади поверхности необходимо очень много тонких труб, процесс обратного осмоса пока еще не используется для получения больших количеств пресной воды. Однако этот процесс представляется многообещающим, если будут разработаны улучшенные мембраны, в особенности для опреснения соленой воды из скважин. Эта вода имеет более низкую концентрацию растворенных солей по сравнению с морской водой, что позволяет проводить ее опреснение при более низких давлениях.

Пресная вода Все имеющиеся на Земле запасы пресной воды составляют лишь небольшую часть общего количества воды. Они возникают в результате испарения воды из океанов и с поверхности суши, а также с листьев растений. Накапливающиеся в атмосфере пары воды переносятся вследствие глобальных циркуляции атмосферы в другие географические широты, где выпадают в виде осадков-дождя или снега. Выпадающая в виде осадков вода сбегает в реки или собирается в озера и подземные резервуары. В конце концов она испаряется или уносится реками обратно в океаны.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В КИСЛОРОДЕ И КАЧЕСТВО ВОДЫ Пресная вода, разумеется, не является идеально чистой. В ней содержатся растворенные газы (главным образом О2, N2 и СО2), множество катионов (преимущественно Na+, K+, Mg2+, Ca2+ и Fe2+), а также анионов (преимущественно Cl-, SO42+ и НСО3-). Обычно в ней присутствуют взвешенные частицы твердых веществ, например глины.

Количество растворенного в воде кислорода является важным показателем ее качества. Кислород необходим для жизни рыб и большинства других водных форм жизни. Рыба, обитающая в холодных водах, может существовать при наличии в воде приблизительно 5 млн.

долей растворенного кислорода. Вода, полностью насыщенная воздухом при давлении 1 атм и 20°С, содержит приблизительно 9 млн. долей О2.

Аэробные бактерии поглощают растворенный в воде кислород для окисления органических веществ, которые служат им пищей и удовлетворяют их энергетические потребности. Органические вещества, способные окисляться бактериями, называются биоразложимыми. Окисление происходит в результате сложной последовательности химических реакций, сопровождающихся постепенным исчезновением органического вещества.

Содержащиеся в биоразложимых веществах углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор превращаются главным образом в СО2, Н2О, NO3-, SO42-.

и фосфаты. Происходящие в воде окислительные реакции иногда снижают количество растворенного кислорода до уровня, при котором невозможно дальнейшее существование аэробных бактерий. В этих условиях процесс разложения выполняют анаэробные бактерии, в результате чего образуются такие продукты, как СН4, NH3, H2S и PН3.

Количество растворенного кислорода, необходимое для разложения всех биоразложимых органических отходов в воде, называется биохимической потребностью в кислороде (БПК). БПК указывает перегруженность воды органическими загрязнителями. Стандартной пробой на такие органические вещества является пятидневная проба ВПК. При проведении этой пробы загрязненную воду разбавляют насыщенной воздухом дистиллированной водой, чтобы обеспечить избыток кислорода, и измеряют количество растворенного кислорода в полученном растворе.

Затем раствор выдерживают в течение 5 дней при 20°С, после чего снова измеряют количество растворенного в нем кислорода. Пятидневную ВПК, обозначаемую БПК5, вычисляют как количество израсходованного растворенного кислорода. Пятидневная БПК обычно составляет приблизительно три четверти полной БПК воды. У нормальной питьевой воды БПК5 не превышает 1,5 млн. долей О2. Канализационная вода до предварительной обработки обычно имеет БПК5 от 100 до 400 млн. долей О2.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДЫ По имеющимся оценкам в Соединенных Штатах ежедневно расходуется 000 л воды на душу населения; сюда входят расходы воды на личные нужды, в сельском хозяйстве и в промышленности. Это количество соответствует одной трети всей доступной для использования пресной воды. Приблизительно 10% пресной воды расходуется на домашние нужды, остальное идет на нужды сельского хозяйства и промышленности. Для получения одного фунта сахара требуется около 200 л воды, для выращивания одного фунта зерна (с учетом осадков) 700 л воды, а для получения одного фунта синтетической резины 1200 л воды.

Увеличение расхода воды на домашние нужды обгоняет рост населения, поскольку возрастает использование таких бытовых приборов, как автоматические посудомойки, стиральные машины и устройства для удаления мусора. В автоматической посудомойке требуется 40 л воды на одну загрузку, что приблизительно вдвое больше, чем при мытье посуды вручную. Средний американец ежедневно расходует примерно 200 л воды, не считая воды, расходуемой на поливку газонов и садов.

Вода для домашних нужд, сельского хозяйства или промышленных предприятий поступает из озер, рек и подземных источников либо из искусственных резервуаров. Большая часть воды, попадающей в систему водоснабжения, была предварительно «использована»; она уже прошла через одну или несколько канализационных систем или промышленных предприятий. Поэтому ее обычно приходится предварительно обрабатывать, прежде чем она попадает в наши водопроводные краны.

После использования воду снова необходимо обрабатывать, чтобы она не загрязняла озера и реки, куда ее возвращают. Важность обработки канализационных и сбросовых вод после их промышленного использования становится все более очевидной, так как многие воды подвергаются многократному использованию, прежде чем они попадают в моря и океаны. Например, вода, получаемая городом Новым Орлеаном из реки Миссисипи, содержит стоки многих городов, расположенных выше по берегам рек Миссисипи, Огайо и Миссури.

ПОДГОТОВКА ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ Подготовка водопроводной воды обычно включает пять стадий:

механическую фильтрацию, отстаивание, фильтрацию через слой песка, аэрацию и стерилизацию. Процесс подготовки воды схематически изображен на рис. 7.

После механической фильтрации через решетку воде дают отстояться в больших отстойниках, где из нее осаждаются частицы песка и другие мелкие частицы. Для удаления очень мелких частиц воду сначала делают слегка основной, добавляя в нее СаО, а затем добавляют Аl2(SО4)3-- При реакции сульфата алюминия с ионами ОН- образуется пористый желатинообразный осадок Аl(ОН)3. Этот осадок медленно осаждается, захватывая с собой взвешенные в воде частицы, благодаря чему из нее удаляются практически все тонкоизмельченные вещества и большая часть бактерий. Затем воду профильтровывают через слой песка. После фильтрации воду иногда разбрызгивают в воздухе, чтобы ускорить окисление растворенных в ней органических веществ.

Рис. 7. Обычные стадии подготовки питьевой водопроводной воды.

На последней стадии подготовки воду обычно обрабатывают каким-либо химическим веществом для уничтожения бактерий. Наиболее эффективен в этом отношении озон О3, но его приходится вырабатывать в том месте, где он используется. По этой причине более удобен хлор С12. Хлор поставляют к месту потребления в сжиженном виде в цистернах, а затем распределяют его через измерительное устройство непосредственно в водопроводную сеть. Расход хлора зависит от присутствия в воде других веществ, с которыми хлор может реагировать, а также от концентрации подлежащих удалению бактерий и вирусов. Стерилизующее действие хлора, по-видимому, обусловлено не самим Сl2, а хлорноватистой кислотой, образующейся в результате реакции хлора с водой:

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.