Исследование поступенчатого умягчения воды под действием электромагнитного излучения в статическом режиме Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 544.01

А. Ю. Дмитриева, С. В. Фридланд ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСТУПЕНЧАТОГО УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ

Ключевые слова: жесткость, умягчение, лабораторная установка, карбонатное равновесие, скорость реакции,

нерастворимый осадок.

В статье обосновывается целесообразность поступенчатого умягчения воды для хозяйственных и промышленных нужд электромагнитным методом. Исследования процесса умягчения воды проводились на модельном растворе гидрокарбоната кальция при различных значениях исходной жесткости в дифференцированном временном интервале. Приведены описания прибора для электромагнитного умягчения воды, лабораторной установки на базе этого прибора и экспериментальные данные исследовательской работы.

Keywords: acerbity, softening, laboratory installation, carbonate balance, velocity to reactions, indissoluble sediment.

In article is motivated practicability water for economic and industrial necessities by electromagnetic method. The Studies of the process of water were conducted on model solution calcium under different importances of source acerbity in differentiated temporary interval. The Broughted descriptions of the instrument for electromagnetic water, laboratory installation on the base of this instrument and experimental given exploratory work.

Умягчение воды, т.е. снижения содержания солей кальция и магния, осуществляют различными способами и выбор метода умягчения воды определяется исходной жесткостью и ее качеством необходимой для потребителя, т.е. необходимой глубиной умягчения и техникоэкономическими соображениями[1].

В работе [2] было показано, что под влиянием электромагнитного излучения удается снизить жесткость воды. Процесс разложения гидрокарбоната кальция протекает до момента, при котором рН среды достигает 7,1, после чего наступает обратный процесс.

Как известно, в водных растворах в кислых средах концентрация недиссоциированных молекул угольной кислоты незначительна и степень диссоциации ее существенно зависит от рН раствора. С увеличением значения рН количество растворенного СО2 уменьшается, а число анионов НСО3" увеличивается. Концентрация бикарбонатных ионов достигает максимума при рН=8. Дальнейшее увеличение рН приводит к уменьшению содержания в воде ионов НСО3" и увеличению концентрации СОз2-, которая при рН=12 достигает максимума [3].

В водных растворах угольной кислоты при постоянном давлении и температуре существует динамическое равновесие между различными ее формами, смещающееся при изменении рН среды:

2НСОз- ~ СОз2- + СО2 + Н2О.

Образующийся углекислый газ при увеличении рН трансформируется и идет процесс образования ионов бикарбоната.

СО2^НСОз-^СОз.--

Если количество бикарбонатных ионов НСОз- соответствует определенному количеству углекислого газа, то в системе должно существовать карбонатное равновесие. Существование ионов Са2+ и НСОз- ведет к образованию непрочных бикарбонатов кальция в кислой и устойчивых в щелочной среде:

Са2+ + 2НСОз-~Са(НСОзЬ

В условиях нарушения карбонатного равновесия происходит выделение углекислого газа и образуется гидроксид кальция:

Са(НСОз)2 ~ Са(ОН)2 + 2СО2

Исходя из вышеизложенного, для предотвращения обратной реакции наиболее эффективными способами снижения жесткости является удаление из системы образующегося

осадка гидроксида кальция или углекислого газа, представленной на рис.1. Последнее явилось идеей настоящей работы.

В ранее представленной работе [2] было показано, что достижение равновесия, определяющее равенство скоростей прямой и обратной реакции составляет 20 мин., ибо к этому времени в условиях проведения эксперимента (1=22°С, р=760 мм.рт.ст.) рН среды достигала 7,1.

Для достижения результата с более полным умягчением воды была смонтирована установка, позволяющая удалять образующийся в процессе осадок.

Лабораторная установка для исследования представлена на рисунке 1 и состоит из вертикального цилиндрического отрезка трубы длиной 0,7м (поз.2) с внутренним диаметром

0,01м. Торцы имеют заглушки (поз. 1,4). На трубе выполнена (смонтирована) обмотка провода-излучателя электромагнитного прибора (поз.3), а в нижней части установлен фильтр (поз.5). Эксперимент проводился в статическом состоянии столба исследуемого водносолевого раствора. Начальное значение жесткости исследуемой воды составляло 16,2°Ж.

Столб воды в трубе подвергался электромагнитной обработке в статическом режиме, дифференцированном временном интервале. После каждого этапа обработки раствор сливался через нижний штуцер, а выпавший осадок отфильтровывался и удалялся. Операции проводились во временных интервалах указанных в таблице 1 до момента возможного протекания обратной реакции. Результаты представлены в таблице 1.

Для проведения опыта водный раствор подвергался поступенчатому умягчению в дифференцированном временном интервале. Раствор сливался через нижнюю торцевую заглушку (поз.4) с применением мембранного фильтра для удаления нерастворимых осадков и определялись значения жесткости. В процессе проведения опыта осадок периодически удалялся.

Слив раствора производился периодически, секундомер останавливали в моменты времени указанные в таблице 1, что соответствовало достижению рН, при котором наблюдалась обратная реакция.

Таблица 1 - Значения исследуемой жесткости воды в зависимости от времени (секундомер останавливался в моменты времени 19,5; 39; 58,5; 78; 97,5; 114 мин, когда проводился слив раствора)

Т(мин) Ж(0;Ж) Т(мин) Ж(0;Ж) Т(мин) Ж(0;Ж) Т(мин) Ж(0;Ж)

0 16,2 39 8,6 78 4,9 107,5 3,3

19,5 12,1 58,5 6,5 129 2,7

Дальнейшее продолжение эксперимента не снижало показателей жесткости, что можно объяснить присутствием карбонатных солей постоянной жесткости.

Проведенные исследования привели к снижению показателя жесткости в 6 раз (16,2-2,7°Ж), при времени обработки, равной 129 минутам. Графическая зависимость жесткости водного раствора от времени электромагнитной обработки представлена на рис.2.

Полученные данные могут быть использованы для решения проблемы умягчения воды с различными значениями исходной жесткости как в статическом, так и в динамическом режимах.

Рис. 1 - Лабораторная установка для умягчения воды: 1, 4 - торцевые заглушки; 2 -патрубок длиной 0,7 м; 3 - термит; 5 - мембрана

Рис. 2 - Зависимость изменения жесткости от времени воздействия электромагнитного

излучения

Литература

1. Дмитриева, А.Ю. Обеспечение экологических нормативов жесткости и санитарной безопасности воды артезианских скважин / А.Ю. Дмитриева, А.С. Сироткин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №7. - С. 197-204.

2. Дмитриева, А.Ю. Исследование скорости реакции разложения гидрокарбоната кальция под действием электромагнитного излучения в статическом режиме / А.Ю. Дмитриева, С.В. Фридланд // Вода. Химия. Экология. - 2011. - №5. - С.80-87.

3. Асадов, А.М. Физико-химические характеристики нефтяных пластовых пород / А.М. Асадов, А.М. Алиев // Вода и экология. - 2009. - №3. - С.36-37.

© А. Ю. Дмитриева - асп. каф. инженерной экологии КНИТУ, [email protected];

С. В. Фридланд - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.