2.1 Методы очистки воды
Используемые методы очистки воды выбираются с учетом состава, объемов и физико-химических свойств загрязняющих примесей, санитарных и технологических требований, эффективности процесса обеззараживания, а также наличия необходимых производственных систем.
Выделяют следующие методы очистки воды: механическая фильтрация, ионный обмен, обратный осмос, электрохимическая очистка, сорбция, дистилляция.
Механическая фильтрация наиболее распространенный способ очистки воды (рисунок 3). Таким образом обеспечивается улавливание частиц нерастворенных веществ за счет разницы размеров частиц и каналов фильтра, по которым протекает очищаемая вода. Размеры частиц, задерживаемых фильтром, определяются диаметром каналов в материале водоочистителя, по которым протекает вода. Например, колонки, заполненные активированным гранулированным углем с диаметром гранул 0,2 - 1,2 мм способны задерживать частицы такого же размера, но большая часть частиц нерастворенных в воде имеет гораздо меньший размер. Микроорганизмы не задерживаются при механической фильтрации, так как их размер - 0,4 - 3 микрона. Механическая фильтрация применяется на муниципальных станциях водоочистки. Такой метод эффективен при заборе воды.
Рисунок 3 - Механический метод очистки воды
Ионный обмен - сорбция заряженных частиц, т.е. ионов, когда поглощение иона сопровождается выходом в раствор другого иона, входящего в состав сорбента (рисунок 4). Таким образом происходит замещение одних ионов на другие. Чаще всего в процессе водоочистки ионный обмен используют для удаления из воды катионов тяжелых металлов, например, свинца, представляемого опасность для здоровья и жизни человека.
Рисунок 4 - Способ очистки воды методом ионного обмена
Метод обратного осмоса (рисунок 5) - это очистка воды с помощью обратноосмотической мембраны. При таком способе очистки вода пропускается через мембрану, поры которой не пропускают растворенные в воде примеси. Такой способ позволяет получать воду высокой степени очистки (близкую к дистиллированной) и удалять одновалентный ионы, например, ионы натрия и хлора. Обратноосмотические установки содержат фильтры в состав которых входит активированный уголь, так как мембрана не задерживает низкомолекулярную высоколетучую органику (хлороформ) и бактерии.
Рисунок 5 - Схема очистки воды обратным осмосом
Электрохимический метод (рисунок 6) основан на окислительно-восстановительных реакциях, которые происходят в воде под действием сил электрического тока и приводит к образованию «живой» и «мертвой» воды. Такой способ позволяет очистить воду от всех микроорганизмов, но при этом разрушается также часть органических веществ. [7]
Рисунок 6 - Электрохимический метод очистки воды
Проведен анализ производителей установок по обеззараживанию и очистке воды в городе Вологде. Компания «Новотех-ЭКО» создана в 2004 году на базе вологодского научно-производственного предприятия «Александра-Плюс». Предприятие занимается разработкой и совершенствованием технологий обеззараживания воды ультрафиолетом и ультразвуком, а также производство оборудования на их основе. Организацией получен патент РФ № 2664920 на изобретение «Устройство для обеззараживания воды в потоке», выдан 23.08.2018, приоритет от 05.02.2016 (приложение 1).
Установки по обеззараживанию могут быть внедрены на городском водозаборе после всех стадий очистки и осветления перед подачей воды в городскую сеть. Такая система позволит охватить всю городскую систему водоснабжения и эффективно обеззараживать воду. [8]
ООО «Новотех-ЭКО» производит широкий ряд стандартного оборудования, а также изготавливает установки по индивидуальным требованиям заказчика. Описание устройства по обезараживанию воды представлено в приложении 2.
2.2 Технология получения воды требуемой жёсткости
Дистилляция - перегонка, процесс испарения жидкости с последующим ее охлаждением, и переходом жидкости в газообразное состояние (пар). Так же, понятие дистилляция - процесс разделения и рафинирования многокомпонентных веществ.
Выделяют дистилляцию с конденсацией пара в жидкость (получаемый дистиллят имеет усредненный состав в следствие перемешивания) и дистилляцию с конденсацией пара в твердую фазу (при которой в конденсате возникает распределение концентрации компонентов). Продуктом дистилляции является дистиллят.
При дистилляции из воды полностью или частично удаляются растворенные соли, удаляются всевозможное запахи и привкусы, а также радиоактивные вещества и загрязнители. [9]
2.3 Анализ рынков сбыта дистиллированной воды
Дистиллированная вода применяется в разведении аккумуляторного электролита, т.к. со временем вода из раствора серной кислоты испаряется, что приводит к понижению уровня электролита, а, следовательно, свинцовые пластины из-за контакта с воздухом начинают окисляться и перестают проводить электричество. Заливать в ячейки аккумуляторной батареи необходимо только дистиллированную воду, т.к. минеральные соли, содержащиеся в воде не прошедших процедуру дистилляции, могут ускорить процесс окисления свинцовых пластин.
Так же дистиллированная вода используется при разведении антифриза (жидкость, использующаяся для охлаждения двигателей внутреннего сгорания). Водопроводная вода содержит соединения и вещества, которые ухудшают качество антифриза и снижают температурные характеристики, что может привести к повреждению деталей двигателя внутреннего сгорания.
В бытовой деятельности дистиллированная вода используется в паровой технике (утюги и пароочистители одежды) т.к. дистиллированная вода предохраняет от образования накипи и обеспечивает более длительный срок эксплуатации устройства.
Также дистиллированная вода используется для ухода за измерительными приборами метрологического обеспечения. Многие приборы после измерений необходимо очищать от остатков исследуемых веществ, это можно делать только в дистиллированной воде с минимальным содержанием примесей.
В медицине дистиллированная вода применяется для разведения различных веществ и получения инъекционных растворов. Большинство препаратов, предназначенных для проведения внутримышечных, подкожных, внутривенных инъекций содержат именно дистиллированную воду. Обыкновенная, водопроводная вода прошедшую фильтрацию может содержать большое количество загрязнений и вызвать риск заражения организма.
Также дистиллированная вода применяется для увлажнения перевязочных материалов, разбавления порошковых и концентрированных растворов.
Поиск производителей дистиллированной воды в городе Вологде не дал результатов. Вся продукция производится за пределами Вологодской области. Выделены наиболее крупные импортеры дистиллированной воды, такие как:
- ООО «ЛТД - ГРУПП», предприятие расположено в городе Дзержинск, Нижегородская область, цена дистиллированной воды 17 руб. / литр;
- ООО «СанТерм», предприятие расположено в городе Екатеринбург, Свердловская область, цена дистиллированной воды 15 руб. / литр;
- ООО «Терма-МСК», предприятие расположено в городе Москва, Московская область, цена дистиллированной воды 16 руб. / литр;
- ООО «ГрандАвто», предприятие расположено в городе Люберцы, Московская область, цена дистиллированной воды 15 руб. / литр.
При анализе рынка производителей питьевой воды были выявлены предприятия:
- ООО «Родина» производство питьевой воды торговой марки «Вологодская», цена 20 руб. / литр;
- ООО «СтарТ-Плюс» производство питьевой воды торговой марки «Серебряная Роса», цена 25 руб. / литр;
- ООО «Чистая вода 100%», цена 26 руб. /литр (цены приведены на 31.05.2019 г.).
2.4 Технология дистилляции воды с использованием лабораторного оборудования на базе ВоГУ
Способ очистки воды методом дистилляции рассмотрен с использованием оборудования «Аквадистиллятор ДЭ-4», представленный на рисунке 7, установленный в лаборатории ВоГУ. Принцип действия аппарата основан на конденсации отсепарированного пара. Аквадистиллятор состоит из основания 1, испарителя 2, кожуха 3, электронагревателя 4, датчика уровня жидкости 5, патрубка 6, наружной камеры 7, внутренней камеры 8, конденсатора 9, ниппеля питания 10, сливной трубки 11, ниппеля дистиллята 12, уравнителя 13, ниппеля 14, сливного крана 15.
Рисунок 7 - «Аквадистиллятор ДЭ-4» (принципиальная схема)
Испаритель 2 соединен с конденсатором 10, через патрубок 6, состоящим из двух самостоятельных камер, внутренней 8 и наружной 7, вмонтированных одна в другую. Между камерами во время работы аппарата непрерывно протекает водопроводная вода, охлаждающая внутреннюю камеру 8. В испарителе вода нагревается электронагревателями до кипения. Образующийся пар поступает во внутреннюю камеру 9, конденсируется и вытекает в виде дистиллята через ниппель 12.
В начале работы водопроводная вода, непрерывно поступающая через ниппель 10, заполняет конденсатор 9 и по сливной трубке 11 через уравнитель 13 заполняет испаритель до установленного уровня. По мере выкипания вода будет поступать в испаритель только частично, основная же ее часть, проходя через конденсатор, будет сливаться по сливной трубке в уравнитель и далее через ниппель 14 в канализацию. Уравнитель предназначен для постоянного поддержания необходимого уровня воды в испарителе.
Аппарат снабжен автоматическим устройством - уровня жидкости 5, предохраняющим электронагреватели от перегорания в случае понижения уровни воды ниже допустимого.
Чтобы предотвратить повышение давлении в испарителе, в стенку конденсатора впаяна трубка, через которую выходит небольшой избыток пара.
Температура охлаждающей жидкости на входе и выходе из рабочего участка измеряется термопарами ТХК 2 и 1 соответственно. Количество охлаждающей жидкости и конденсата измеряются объемными способами.
После начала кипения воды и вытекания сконденсированной жидкости (при установившемся режиме системы) измеряют расход охлаждающей жидкости Gж, кг/с и производительность установки Gдис, кг/с.
При работающей установке измерить нагрев охлаждающей жидкости:
, °С, (7)
где t1 - температура поступающей жидкости, °С;
t2 - температура вытекающей жидкости, °С.
Проведено исследование жесткости воды комплексонометрическим способом, до дистилляции и после.
Жёсткость воды - совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния.
Жесткость воды выражают числом грамм-эквивалентов Са2+ и Mg2+ в 1 л воды. Принято считать воду с жесткостью 4 мг-экв/л мягкой, от 4 до 8 - средней, от 8 до 12 - жесткой и свыше 12 - очень жесткой. В таблице 1 приведен состав элементов, содержащихся в дистиллированной воде, концентрация которых не должна превышать допустимых значений, установленных в ГОСТ 6709. [10]
Таблица 1 - Показатели воды прошедшую дистилляцию
|
Концентрация в мг на дмі |
Название элемента |
|
|
1. < 5 |
Остатки примесей после испарения |
|
|
2. < 0,02 |
Количество элементов аммонийных солей и частиц аммиака |
|
|
3. < 0,2 |
Доля нитратов |
|
|
4. < 0,5 |
Присутствие в составе сульфатов |
|
|
5. < 0,02 |
Уровень хлорирования |
|
|
6. < 0,05 |
Наличие частиц алюминия |
|
|
7. < 0,05 |
Остатки железа |
|
|
8. < 0,8 |
Доля элементов кальция |
|
|
9. < 0,02 |
Наличие частиц меди |
|
|
10. < 0.05 |
Присутствие свинца |
|
|
11. 5,4-6,6 |
Кислотность жидкости |
Комплексонометрический метод исследования состоит в образовании комплексных соединений анализируемых катионов с органическими реагентами - комплексонами.
Измерение жесткости воды данным методом состоит из нескольких этапов:
1. В мерную колбу налить 100 мл исследуемой Н2О и перелить ее в коническую колбу.
2. Добавить к воде 5 мл аммиачно-буферной смеси, затем 7-8 капель спиртового раствора индикатора эриохром черного Т или щепотку его смеси с NaCl или KCl (сухую).
3. Тщательно перемешать, раствор окрасится в винно-красный цвет.
4. Смесь оттитровать 0,05 Н раствором Трилона Б. К концу титрования раствор Трилона Б добавлять по каплям, встряхивая смесь в колбе после добавления каждой капли.
5. Титрование можно считать законченным если после добавления очередной капли окраска раствора приобретает синий цвет с зеленоватым оттенком и с добавлением лишней капли раствора комплексона не изменяется.
6. Определить объем трилона Б, израсходованного на титрование.
7. Титрование повторить 2-3 раза и для расчета взять среднее значение.
8. Произвести расчет общей жесткости воды.
Величину общей жесткости воды (Ж0) в мг•экв/л вычисляют по формуле:
, мг•экв/л, (8)
где N - нормальность раствора трилона Б, г-экв/л;
V - объем раствора трилона Б, мл;
V1 - объем воды, мл.
При измерении общей жесткости воды данным методом на оборудовании «Аквадистиллятора ДЭ-4» были получены следующие результаты: