CC BY
8
УДК 54.03
Гавришин С.А., Десятов А.В.
НАСЫЩЕНИЕ ОБЕССОЛЕННОЙ ВОДЫ ВРЕМЕННОЙ ГИДРОКАРБОНАТНОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ
Гавришин Семен Андреевич - магистрант 1-ого года обучения кафедры промышленной экологии; gavrishsem@yandex.ru.
Десятов Андрей Викторович - доктор технических наук, профессор кафедры промышленной экологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены методы насыщения обессоленной воды временной карбонатной жесткостью в стационарном режиме, приведены расчеты, отражающие стехиометрические отношения компонентов в зависимости от времени, а также сделано предложение по масштабированию технологии для полупромышленного использования.
Ключевые слова: обессоленная вода, опреснение, временная жесткость, питьевая вода, гидрокарбонатная жесткость.
SATURATION OF DISTILLED WATER WITH TEMPORARY HYDROCARBONATE HARDNESS
Gavrishin S.A.1, Desyatov A.V.1
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses methods of saturation of desalting water with temporary carbonate hardness in stationary mode, calculations are presented that reflect the stoichiometric ratios of components depending on time, and a proposal is made to scale up the technology for semi-industrial use.
Key words: desalting water, desalination, temporary hardness, drinking water, hydrocarbonate hardness.
Введение
Современные мембранные методы опреснения морских и солоноватых вод позволяют обессоленную воду, что важно в специфических областях химической технологии. Однако для употребления человеком такая вода непригодна, так как в ней отсутствуют в необходимом количестве полезные для организма соли, прежде всего гидрокарбонат кальция. С целью решения этой проблемы были проведены эксперименты по насыщению воды временной гидрокарбонатной жесткостью в проточном и стационарном режимах.
Теоретическая часть
Теоретическая растворимость СО2 в воде при 20оС составляет около 1,75 г/л (рис. 1). Необходимо обеспечить содержание иона Са2+ на уровне 25-130 мг/л и НСО32- 30-400 мг/л, что соответствует содержанию этих ионов согласно СанПиН 2.1.4.111602 [1].
Была разработана методика, согласно которой для эксперимента использовалась емкость с 800 мл обессоленной воды, навеска карбоната кальция с
массой 368,3 мг. На каждом этапе проводились измерения рН и электропроводности воды.
различных температурах Экспериментальная часть
Полученные результаты рН и
электропроводности приведены в соответствующей таблице (Таблица 1).
Таблица 1. Результаты измерения электропроводности и рН на каждом этапе проведения эксперимента
№№ Электропроводность, мкСм/см рН, ед.рН
1. Вода в емкости до барботажа 4,7 4,893
2. Вода в емкости после барботажа 83,2 3,581
3. Вода в емкости с карбонатом 74,1 4,806
4. Вода в емкости с карбонатом после барботажа 107,5 4,3
5 Вода в емкости с карбонатом через 20 минут после барботажа 107,6 4,5
Зависимость электропроводности в мкСм/см от концентрации СО2 в мг/л приведена на графике (рис. 2) в логарифмических координатах при 25оС. Для построения графика в линейных координатах и перевода значений к температуре 20оС необходимо составить таблицу перевода (Таблица 2).
Пересчет будем вести исходя из ориентировочной зависимости, что при температуре 20оС электропроводность при той же концентрации СО2 на 10% (2% на 1 градус согласно методическим указаниям [2]) ниже, чем при 25оС.
Таблица 2. Перевод электропроводности СО2 из 25оС в 20оС в зависимости от концентрации
мг/л мкСм/см при 25оС мкСм/см при 20оС
0,1 0,3 0,27
0,2 0,45 0,405
0,4 0,65 0,585
0,8 0,95 0,855
1 1,1 0,99
2 1,7 1,53
3 2 1,8
5 2,7 2,43
10 4 3,6
20 5,7 5,13
40 8,5 7,65
50 9,8 8,82
70 12 10,8
100 14,5 13,05
Рис.2 Зависимость электропроводности в мкСм/см от концентрации СО2в мг/л при 20 оС
Зависимость очень точно описывается степенной функцией у = 0,9613x0•5494 или х=(у/0,9613)(1/0-5494), где Х - концентрация СО2 в мг/л, У - электропроводность в мкСм/см.
Расчет
1. Вода в емкости до введения углекислоты
При рН=4,893 соотношение 95% СО2 и 5% ЫСОз-. Электропроводность деминерализованной воды 4,7 мкСм/см. По уравнению на рис.2 концентрация СО2 равняется х=(у/0,96 1 3)(1/0,5494) , где Х -концентрация СО2 в мг/л, У - электропроводность в мкСм/см.
При pH=5,31 концентрация Н+ =10"4-893*1000 = 0,012794 ммоль/л. Используя значения из Таблицы 9.3 для Н+ получим электропроводность ионов водорода при данной температуре 0,012794*328 = 4,196371 мкСм/см. Используя значения электропроводности из Таблицы 9.3 для НСО3 и уравнение х=(у/0,96 1 3)(1/0,5494) для СО2 методом последовательных приближений в EXCEL находим концентрацию СО2=0,294 мг/л (0,006685 ммоль/л), концентрацию НСОз"=0,000352 ммоль/л (0,021 мг/л), электропроводность по НСО3=0,012843 мкСм/см, электропроводность по СО2=0,490787 мкСм/см.
Проверка: Общая электропроводность 4,196371 + 0,012843 + 0,490787 = 4,700001 мкСм/см, что равно измеренному значению (4,7 мкСм/см).
2. Вода в емкости после введения углекислоты2
При рН=3,596 соотношение 100% CO2 и 0%
HCO3". Электропроводность воды 83,2 мкСм/см. По уравнению на рис.2 концентрация CO2 равняется х=(у/0,9613)(1/0,5494) , где Х -концентрация СО2 в мг/л, У - электропроводность в мкСм/см.
При pH=3,596 концентрация Н+ =10"3-596*1000 = 0,253513 ммоль/л. Используя значения из Таблицы 9.3 для Н+ получим электропроводность ионов водорода при данной температуре 0,253513 *328 = 83,15222 мкСм/см. Используя значения электропроводности из Таблицы 9.3 для НСО3 и уравнение х=(у/0,96 1 3)(1/0,5494) для СО2 методом последовательных приближений в EXCEL находим концентрацию СО2=0,004 мг/л (0,0000963316 ммоль/л), электропроводность по НСОз=0,047781 мкСм/см.
Проверка: Общая электропроводность 83,15222 + 0,047781 = 83,200001 мкСм/см, что равно измеренному значению (83,2 мкСм/см).
3. Вода в емкости с карбонатом кальция
При рН=4,806 соотношение 96% CO2 и 4% НСОз" . Электропроводность воды 74,1 мкСм/см.
Электропроводность раствора определяется ионами кальция, гидрокарбонат-ионами, ионами водорода и проводимостью раствора углекислоты. Используя значения электропроводности из Таблицы 2 для НСОз" и Са2+ и уравнение y = 0,9613x05494 , где Х - концентрация СО2 в мг/л, У - электропроводность в мкСм/см для СО2, методом последовательных приближений в EXCEL находим концентрацию СО2=474,9 мг/л (10,79399 ммоль/л), концентрацию НСОз-=0,449749 ммоль/л (27,43 мг/л), концентрацию ионов Са2+=0,449749 мгэк/л (8,995 мг/л), электропроводность по Са2+=24,15155 мкСм/см, электропроводность по НСО3"=16,41586 мкСм/см, электропроводность по СО2=28,40547 мкСм/см, электропроводность по ионам Н+=5,127124 мкСм/см.
Проверка: Общая электропроводность 24,15155 + 16,41586 + 28,40547 + 5,127124 = 74,100004 мкСм/см, что равно измеренному значению (74,1 мкСм/см).
4. Вода в емкости с карбонатом кальция после введения углекислоты
При рН=4,3 соотношение 98% СО2 и 2% НСОз". Электропроводность воды 107,5 мкСм/см.
Электропроводность раствора определяется ионами кальция, гидрокарбонат-ионами, ионами водорода и проводимостью раствора углекислоты. Используя значения электропроводности из Таблицы 9.3 для НСО3- и Са2+ и уравнение y = 0,96 1 3x0,5494 , где Х -концентрация СО2 в мг/л, У - электропроводность в мкСм/см для СО2, методом последовательных приближений в EXCEL находим концентрацию СО2=1100 мг/л (24,99268 ммоль/л), концентрацию НСО3-=0,510059 ммоль/л (31,11 мг/л), концентрацию ионов Са2+=0,510059 мгэк/л (10,2 мг/л), электропроводность по Са2+=27,39025 мкСм/см, электропроводность по НСО3-=18,61714 мкСм/см, электропроводность по СО2=45,05367 мкСм/см, электропроводность по ионам Н+=16,43894 мкСм/см.
Проверка: Общая электропроводность 27,39025 + 18,61714 + 45,05367 + 16,43894 = 107,5 мкСм/см, что равно измеренному значению (107,5 мкСм/см).
5. Вода в емкости с карбонатом через 20 минут после введения углекислоты
При рН=4,5 соотношение 97% CO2 и 3% HCO3-Электропроводность воды 107,6 мкСм/см. Электропроводность раствора определяется ионами кальция, гидрокарбонат-ионами, ионами водорода (мало) и проводимостью раствора углекислоты. Используя значения
электропроводности из Таблицы 9.3 для НСО3- и Са2+ и уравнение y = 0,9613x0,5494 , где Х - концентрация СО2 в мг/л, У - электропроводность в мкСм/см для СО2, методом последовательных приближений в EXCEL находим концентрацию СО2=897,8 мг/л
(20,40519 ммоль/л), концентрацию НСОз-=0,631088 ммоль/л (38,5 мг/л), концентрацию ионов Са2+=0,631088 мгэк/л (12,62 мг/л), электропроводность по Са2+=33,88945 мкСм/см, электропроводность по НСО3-=23,03473 мкСм/см, электропроводность по СО2=40,30356 мкСм/см, электропроводность по ионам Н+=10,37227 мкСм/см.
Проверка: Общая электропроводность 33,88945 + 23,03473 + 40,30356 + 10,37227 = 107,60001 мкСм/см, что равно измеренному значению (107,6 мкСм/см).
Заключение
В результате проведенных исследований получены экспериментальные зависимости концентрации гидрокарбоната кальция при заданных режимах введения углекислоты в емкость с карбонатом кальция. Показано удовлетворительное согласование экспериментальных и расчетных результатов. На основании полученных данных может быть выполнен расчет параметров промышленного оборудования для насыщения обессоленной воды гидрокарбонатом кальция.
Список литературы
1. СанПиН " Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества" от 1 июля 2002 г.
2. Методические указания по применению кондуктометрического контроля для ведения водного режима электростанций: МУ 34-70-114-85. М., 2009. 37с.
