Методы получения дистиллированной и деионизированной воды

Методы получения дистиллированной и деионизированной воды

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра химической технологии топлива и углеродных материалов

ДОКЛАД НА ТЕМУ

“ Методы получения дистиллированной и деионизированной воды “

студента группы 11-ХТ

Швыдкина Никиты Васильевича

Выполнил : студент

Швыдкин Н.В.

Проверил : Преподаватель

Васюков А.В., доцент

Новополоцк - 2013

Содержание

Введение

. Дистиллированная вода

.1 Получение дистиллированной воды методом перегонки

.2 Получение дистиллированной воды мембранным методом

. ДЕИОНИЗИРОВАННАЯ ВОДА

.1 Современные комплексы оборудования для получения деионизованной воды

Список использованной литературы

Введение

Среди других геологических оболочек Земли (литосферы, атмосферы, биосферы) водная оболочка, или гидросфера, занимает большое по объему и важное по значению место. Гидросфера объединяет все свободные воды Земли, т. е. не связанные физически и химически с минералами земной коры. Под влиянием солнечной энергии и сил гравитации воды могут передвигаться, переходить из жидкого состояния в твердое или парообразное. Гидросфера тесно связана с другими оболочками Земли.

Вода - самое распространенное в биосфере вещество. Это необычное по своим физико-химическим свойствам неорганическое соединение (минерал), играющее исключительно важную роль в жизни природы.

Занимая промежуточное положение между атмосферой и литосферой, гидросфера постоянно находится с ними в тесной взаимосвязи. Одним из ее проявлений является влагооборот. Он играет важную роль в создании условий жизни во всей биосфере.

Вода может находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. Она остается жидкостью в температурном интервале, наиболее подходящем для жизненных процессов. Для огромной массы организмов она является средой их жизни и эволюции. В определенное время года жидкая вода может замерзать или покрываться льдом. Замерзание воды идет сверху вниз, что имеет большое значение для жизни обитающих в водоемах организмов.

Для воды характерны высокая удельная теплоемкость, медленное нагревание и охлаждение. Это наряду с другими важными факторами определяют годовые, суточные и даже часовые колебания температуры океанов и озер, причем эти колебания заметно отличаются от соответствующих изменений температуры на суше. Указанное свойство воды может также определять различия в температурном режиме почв. Все это весьма существенно влияет на жизнь водных и почвенных организмов.

Природные воды - очень важная часть биосферы. В них протекает значительная часть химических реакций, они являются транспортными путями для перераспределения химических элементов между биогеоценозами. Жидкая вода в биосфере никогда не бывает химически чистой, в ней всегда содержится некоторое количество растворенных веществ в состоянии ионов.

Воды Земли находятся в непрерывном движении. Круговорот воды связывает воедино все части гидросферы, образуя в целом замкнутую систему - океан, атмосфера, суша. Он обеспечивает активность водообмена между различными частями гидросферы в силу их неоднородности. Переходя из одного агрегатного состояния вода перемещается, образуя течение рек, движение почвенных и подземных вод.

Природные воды находятся в сложных обратимых взаимоотношениях с организмами, горными породами, атмосферой. Большинство химических элементов мигрирует в водных растворах, которые служат носителями огромной энергии и производят в биосфере и биогеоценозах большую химическую работу. От количества воды в биогеоценозе и его водного режима зависят продукция живого вещества и сам тип биогеоценоза.

Присутствующий в атмосфере водяной пар играет роль фильтра для солнечной радиации, а вода на земной поверхности служит своего рода мощной буферной системой, смягчающей действие экстремальных температур. Огромная масса воды на Земле (слой толщиной 2,5 км по отношению ко всей поверхности Земли) может поглощать или отдавать колоссальное количество тепла (рис. 7).

Вода является главным фактором, определяющим климат на поверхности Земли. При этом особое значение имеет водяной пар в атмосфере. И хотя он составляет ничтожную часть общего запаса воды (0,001%), его значение в определении климата огромно. Без атмосферной воды не было бы и погоды. Главным источником пара в атмосфере служит Мировой океан.

Для Земли в целом испарение и осадки уравновешивают друг друга: в год испаряется почти 100 см воды и столько же выпадает с осадками. Среднее годовое количество осадков над океанами- 107-114 см, а испаряется здесь за это же время 116- 124 см; баланс поддерживается речным стоком, вносящим около 10 см. На сушу ежегодно выпадает в среднем 71 см осадков, а испаряется с нее около 47 см. Реки выносят в океан воды в виде осадков около 24 см в год.

Вода постоянно перемещается по Земле. Можно выделить три типа путей ее перемещения: общую циркуляцию в атмосфере, морские течения и речной сток.

О циркуляции воды в атмосфере и большом ее значении для биосферы было сказано выше. Важную роль в биосфере играют и два других потока воды.

Морские течения разносят теплую и холодную воду на большие расстояния, отепляя или охлаждая климат значительных территорий. Так, например, мягкий климат восточных берегов Атлантики объясняется теплым течением Гольфстрим, а суровый климат ее западных берегов - холодным Лабрадорским.

Реки переносят на большие расстояния не только воду, но и растворенные и взвешенные в ней вещества. Вода - очень эффективный эродирующий агент. Размыв, перенос и отложение веществ- это геологические процессы, связанные с водой. Этими процессами созданы земли, теперь густонаселенные и усердно обрабатываемые, где ежегодные разливы рек, приносящие ил, рассматриваются как основа жизни. В других районах ил в дeльтax рек мешает деятельности человека. Реки выносят в моря большое количество биогенных веществ, улучшая тем самым условия жизни морских организмов.

Вообще вода играет большую роль в историческом процессе геологического преобразования всей планеты. Без воды Земля представляла бы голый каменный шар, лишенный почвы и атмосферы. Многие миллионы лет вода разрушала каменные глыбы, растворяла неорганические соединения, активизировала вместе с животными и растительными организмами процесс почвообразования.

Но самая главная роль воды в биосфере состоит в том, что она является средой и источником водорода для жизненных процессов.

Почти все органические вещества биосферы представляют собой продукт фотосинтеза - процесса, при котором растения используют световую энергию для соединения углекислого газа с водой. Без воды не может происходить фотосинтез - великий космический процесс, которому обязана вся жизнь нашей планеты. Вода - единственный источник кислорода, выделяемого в атмосферу при фотосинтезе. Вода необходима для биохимических и биофизических процессов, происходящих внутри организмов, и для создания техусловий среды, которые обеспечивают возможность жизни на Земле. Важнейший поставщик кислорода - Мировой океан с его огромными запасами фитопланктона.

Живые организмы, в том числе и человек, не могут обойтись без воды. Вода входит в состав клеток и тканей любого животного и растения. Сложнейшие реакции в организмах могут протекать только при наличии водной среды. Потеря 10-20% воды животным организмом приводит к его смерти.

Вода в природе находится в непрерывном движении, постоянно происходит водообмен между различными частями гидросферы. Запас воды непрерывно возобновляется благодаря ее мировому круговороту. Скорость этого процесса весьма различна. Воды Мирового океана обновляются за 2 млн. лет, почвенная влага - примерно за 1 год, вода в реках - за 12 суток (30 раз в год), пары в атмосфере - за 9 суток (40 раз в год) (рис. 8).

Из вышесказанного можно видеть, насколько велико значение воды не только в природе, но и в жизни человека. Вода необходима для многих сторон деятельности людей. Без воды невозможно ведение сельского хозяйства, требующего массу воды для орошения и обводнения. Огромное и все возрастающее количество воды потребляется самыми различными отраслями промышленности. Расход воды на нужды людей удваивается через каждые 10-20 лет. Движущаяся вода (течения, приливы и отливы) используется человеком как источник энергии и средство пассивного (сплав) транспорта. Реки и моря имеют чрезвычайно большое значение для развития водного транспорта.

Запасы растворенных в воде веществ стали добывать как сырье для промышленности. Велико рекреационное значение водоемов, особенно морей и океанов. На их берегах расположены санатории, дома отдыха, туристические базы, где лечатся и отдыхают много людей. Многие водоисточники и водоемы широко используются в лечебных целях. Нельзя не отметить эстетического значения водоемов, оживляющих и украшающих ландшафты. Вот не полный обзор значения воды в природе и жизни человека.

1. Дистиллированная вода

Дистиллированная вода - это обычная питьевая вода, очищенная от примесей. Получают ее в специальных перегонных аппаратах-аквадистилляторах и используют в различных лабораториях, в частности в медицинской практике для приготовления растворов лекарственных веществ.

Поскольку дистиллированная вода практически лишена минеральных солей и микроэлементов, она служит отличным растворителем, но именно это делает ее непригодной для питья.

Минеральные соли и микроэлементы являются незаменимыми компонентами питания, необходимыми для нормального функционирования организма человека. Потребность в них удовлетворяется и за счет воды.

Учеными разных стран в разное время установлено, например, что чем мягче вода в той или иной местности, то есть чем меньше в ней микроэлементов и минеральных солей, тем выше риск возникновения у людей сердечно-сосудистых заболеваний, главным образом ишемической болезни сердца и артериальной гипертонии. И наоборот, у тех, кто живет в районах, где вода жесткая, показатели деятельности сердечно-сосудистой системы лучше: ниже артериальное давление и уровень холестерина в крови, меньше частота сокращений сердца в покое. Специалисты пришли к выводу, что и заболеваемость кариесом тоже во многом обусловливается низкой концентрацией минеральных веществ и микроэлементов в воде, в особенности кальция, фтора, магния, калия и лития.

Поэтому постоянное длительное потребление деминерализованной дистиллированной воды не только не полезно, но вредно, поскольку может неблагоприятно отразиться на здоровье.

.1 Получение дистиллированной воды методом перегонки

Дистиллированной называют воду, почти не содержащую неорганических и органических веществ, получаемую путем перегонки водопроводной воды, т. е. воду превращают в пар и конденсируют. Для получения дистиллированной воды существуют перегонные кубы различной величины и производительности.

Перегнанную воду собирают в стеклянные бутыли, причем трубку (конец холодильника) вставляют в горло бутыли, уплотняя ватой. Это предохраняет воду от попадания в нее пыли.

Для лабораторий, расходующих сравнительно небольшое количество дистиллированной воды, очень удобен автоматически действующий электрический перегонный куб ПК-2. Схема этого аппарата показана на рис.8. Перегонный куб состоит из камеры испарения 11, с вмонтированным в ее дно электронагревателем 15, конденсатора пара 1 и устройства для автоматического наполнения камеры водой или уравнителя 10. Избыток воды выливается через резиновую трубку, надетую на ниппель 17. Эту теплую воду можно использовать для мытья посуды.

Рис. 8. Принципиальная схема перегонного куба ПК-2 для получения дистиллированной воды:

- конденсатор; 2 - отверстие для выхода избыточного пара; 3 -ниппель для соединения с линией водопровода; 4 - ниппель для спуска дистиллированной воды; 5- патрубок, через который пар поступает в конденсаторе- гайка; 7 -фланец: 8 - сливная труба; 5- воронка уравнителя; 10 - уравнитель; 11 - камера испарения; 12 - металлический кожух; 13 - клемма заземления; 14- втулка для ввода провода; 15 - электронагреватель; 16 - кран для выпуска воды из камеры испарения; 17 - ниппель для спуска воды нэ уравнителя; IS - крестовина уравнителя.

Через ниппель 3 по резиновой трубке вода из водопровода непрерывно поступает в рубашку конденсатора /, где она подогревается, а затем через уравнитель попадает в камеру 11. Пары воды через патрубок 5 поступают в конденсатор 1, и образующийся конденсат стекает через ниппель 4 по резиновой трубке в приемник для дистиллированной воды. Чтобы предотвратить повышение давления пара в конденсаторе, в корпусе последнего сделано отверстие 2 для выхода избыточного пара. Прибор включают в электрическую сеть с помощью провода, выходящего через втулку 14 кожуха 12. На последнем имеется клемма заземления 13. Электронагреватель необходимо периодически очищать механическим путем от накипи. Чем больше жесткость водопроводной воды, тем чаще следует проводить очистку.

Производительность перегонного куба ПК-2 достигает 4-5 л/ч; мощность электронагревателя 3,5-4 кет. В настоящее время промышленность выпускает более усовершенствованные перегонные аппараты Д-1 (рис. 9). Аппарат Д-1 отличается от описанного выше конструкцией нагревательного элемента и уравнителя. Производительность аппарата - около 5 л/ч.

Дистиллированная вода всегда содержит незначительные примеси посторонних веществ, попадающих в нее или из воздуха в виде пыли, или вследствие выщелачивания стекла посуды, в которой хранится вода, или в виде следов металла трубки холодильника.

Кроме того, вместе с парами воды в приемник попадают растворенные в воде газы (аммиак, двуокись углерода), а также некоторые летучие органические соединения, которые могут присутствовать в воде, и, наконец, соли, которые попадают в дистиллят вместе с мельчайшими капельками воды, уносимыми паром.

Для некоторых аналитических работ недопустимо присутствие в дистиллированной воде следов металлов. Для удаления их предложен способ обработки дистиллированной воды активированным углем. На 1 л дистиллированной воды прибавляют 1 каплю 2,5%-ного очищенного раствора аммиака и 0,4-0,5 г активированного угля БАУ, измельченного до зерен диаметром 0,15- 0,20 мм. Воду встряхивают с углем, затем дают отстоиться и несколько раз снова встряхивают, дают постоять не больше 5 мин, после чего отфильтровывают через беззольный фильтр. Первые 200-250 мл фильтрата отбрасывают. Полученный фильтрат проверяют на тот ион, который будут определять.

Рис 9. Перегонный аппарат Д-1: 1 - испаритель; 2 - конденсатор пара; 3 - камера конденсатора; 4 - стальной кожух; 5 - сливная труба; 6- уравнитель для автоматического наполнения испарителя водой; 7-электронагревательные элементы.

Однако и такую воду полезно дополнительно очистить обработкой ее раствором дитизона. Для этого в большую делительную воронку до половины ее наливают дистиллированную воду, добавляют в среднем около 10% от объема взятой воды 0,001 %-ного раствора дитизона в четыреххлористом углероде и, плотно закрыв воронку, хорошо встряхивают ее в течение нескольких минут. Дают жидкости отстояться, сливают окрашенный раствор дитизона, добавляют такое же количество свежего раствора его, снова встряхивают и повторяют экстракцию до тех пор, пока раствор дитизона не перестанет изменять свой цвет, т. е. будет оставаться зеленым.

Рис. 10. Аппарат AA-I для получения апирогенной воды:

- конденсатор; 2 - камера для воды; 3 - конденсационная камера; 4- вентиль; 5 - ниппель; в - предохранительная щель; 7 - паровая труба; 8 - уловитель; Р -кожух; 10 - камера испарения; 11 - электронагреватель; 12 - дно; 13 - спускной край; 14 - болт заземления; 15 - сливная трубка; 16 - винт дозатора; 17 - контргайка; 18 - дозатор; 19- кронштейн; 20 - кольцо резиновое; 21 -фильтр; 22 -сосуд стеклянный; 23 - зажим; 24 - капельница; 25 - сборник-уравнитель; 26 - штуцер; 27 - водоуказательное стекло.

Когда это будет достигнуто, к воде добавляют чистый четыреххлористый углерод и основательно встряхивают для удаления из воды растворившегося в ней дитизона.

Чтобы очистить дистиллированную воду от органических веществ, ее подвергают вторичной перегонке, добавляя в воду немного (~0,1 г/л) марганцевокислого калия и несколько капель серной кислоты. Такую воду, не содержащую следов органических веществ, называют апирогенной. Для получения ее применяют аппарат AA-I (модель 795). Этот аппарат мощностью 8 кВт рассчитан на напряжение 220 в и имеет производительность 10 л/ч (рис. 10). Другой такой же дистиллятор, но мощностью 18 кВт имеет производительность 20 л/ч.

Для задержания солей перегонный аппарат следует снабдить насадкой Кьельдаля или так называемой «чешской» насадкой, которая надежнее насадки Кьельдаля.

Когда нужна очень чистая вода, принимают особые меры, предупреждающие попадание в воду каких-либо примесей, например используют серебряный или кварцевый холодильник. Приемник (также кварцевый или посеребренный, или из специальных сортов стекла, не подвергающихся выщелачиванию) закрывают хлоркаль-циевой трубкой, наполненной соответствующим поглотителем, чтобы воспрепятствовать попаданию в перегнанную воду аммиака, двуокиси углерода, сероводорода и других примесей. Приемник можно также закрыть клапаном Бунзена, что является вполне достаточной мерой предосторожности от попадания из воздуха нримесей во время перегонки. Само собой понятно, что примеси, летучие с водяным паром, должны быть предварительно удалены из воды (газы - кипячением, органические вещества - окислением и т. д.).

Очень удобен также самодействующий аппарат с качающимся держателем (по Штадлеру) для получения дистиллированной воды (рис. 11). Он состоит из колбы емкостью 1,5 л со встроенным распределителем холодильника.

Аппарат укреплен на штативе, снабженном качающимся держателем. Вода подается в холодильник, подогревается в нем и поступает в распределитель. Когда колба в результате испарения воды становится легче аппарат автоматически поворачивает ее таким образом, что нагретая вода из распределителя поступает в колбу и восстанавливает там прежний уровень. Избыток воды спускается в сток. Открытая трубка в верхней части распределителя служит только для выравнивания давления внутри колбы с атмосферным. На нижнем конце холодильника находится защитная воронка, предохраняющая от попадания загрязнений в приемник-для дистиллированной воды.

Эти аппараты бывают двух типов: с электрическим обогревом и с газовым. Для хорошей работы аппарата

Рис. 11. Аппарат с качающимся держателем для получения бидистиллята

Рис. 12. Установка для получения дистиллированной ВОДЫ. 1- колба для перегоняемой водопроводной воды; 2 - холодильник; 3 -воронка; 4 - колба для испарения дистиллята; 5 - защитные воронки.

нужно, чтобы через холодильник проходило 25-30 л воды в 1 ч. Качество получаемой воды - довольно высокое. При перегонке воды рекомендуется добавлять в колбу немного перманганата калия и талька.

Для получения бидистиллята применяют специальные установки, обеспечивающие высокое качество получаемой воды. Одна из таких установок показана на рис. 12. Колбу / емкостью 1,5 л нагревают или при помощи электричества, или газйвой горелкой. Вода в колбу поступает непрерывно из рубашки холодильника 2. Подачу воды следует отрегулировать так, чтобы компенсировать испарившуюся воду. Колба при этом должна быть заполнена приблизительно на две трети.

Сконденсированная вода из холодильника стекает через воронку 3 в колбу 4. Для предупреждения попадания загрязнений над воронкой 3 укрепляют защитную воронку 5, имеющую несколько больший диаметр, чем воронка 3.

Когда в колбе 4 накопится около 1 л дистиллированной воды, начинают обогрев этой колбы и собирают би«. дистиллят в специальный приемник. Нужно заботиться, чтобы в него не попадала пыль, для чего в приемник для бидистиллята вставляют через ватную или другую пробку воронку небольшого размера, а над ней - защитную воронку 5.

Чтобы предупредить поглощение бидистиллятом двуокиси углерода, аммиака и других растворимых в воде летучих примесей из воздуха, приемник для бидистиллята можно оборудовать специальными поглотительными приборами (типа хлоркальциевых трубок). Внутреннюю поверхность приемника необходимо покрыть тонким слоем парафина или иного инертного покрытия.

Все приспособление укрепляют на железном штативе, соответствующим образом оборудованном. Крепление колбы и холодильника показано на рис. 12 справа.

Нужно помнить, что дважды перегнанная дистиллированная вода (так называемый бидистиллят) нужна не всегда, а только для особо точных работ. В огромном большинстве случаев в лаборатории применяют обычную дистиллированную воду, вполне удовлетворяющую требованиям по чистоте.

Качество каждой вновь поступающей в лабораторию партии дистиллированной воды (а также стоявшей длительное время в лаборатории) следует контролировать, определяя рН и солевой состав.

Для определения рН воды около 25 мл ее наливают в чистый стакан и добавляют несколько капель метилового оранжевого. Чистая вода нейтральна, и поэтому окраска индикатора в ней должна быть желтой; прибавление одной капли 0,04 н. раствора серной или соляной кислоты должно вызвать появление розового-оттенка. Для испытания на примеси небольшое количество воды (достаточно 5-10 капель) выпаривают на платиновой пластинке, в крайнем же случае - на чистом часовом стекле. Чистая вода после выпаривания не должна давать остатка, в противном случае на пластинке остается небольшой налет.

О качестве дистиллированной или деминерализованной воды судят также по электропроводности. Удельное сопротивление хорошей дистиллированной воды должно быть не меньше 50000 ом • см

14

Рис. 13. Бутыль для хранения дистиллированной воды

Рис. 14. Бутыль с тубусом для хранения дистиллированной воды

Нужно взять за правило не закрывать бутыли с запасом дистиллированной воды необработанными корковыми или резиновыми пробками; лучше всего такие бутыли закрывать стеклянными притертыми пробками.

Для хранения дистиллированной воды рекомендуется оборудовать соответствующим образом бутыль (рис. 13). Хлоркальциевую трубку заполняют натронной известью и ватой.

Очень удобно также пользоваться бутылью с тубусом около дна (рис. 14). Тубус прочно закрывают резиновой пробкой, в середине которой просверлено отверстие для коленчатой трубки. При заполнении бутыли водой коленчатая трубка должна быть в вертикальном положении. Чтобы взять воду, коленчатую трубку наклоняют в сторону ее открытого конца, а затем снова приводят в исходное положение. Это приспособление дает возможность работать аккуратно и предохраняет воду от загрязнения.

Продолжительное хранение дистиллированной воды в стеклянной посуде, даже из хорошего химически стойкого стекла, всегда приводит к ее загрязнению продуктами выщелачивания стекла. Поэтому дистиллированную воду долго хранить нельзя и лучше держать ее в старых бутылях, уже не один раз использовавшихся для этой цели и достаточно выщелоченных. Для особо ответственных работ (например, приготовление цветных стандартов, титрованных растворов, проведение некоторых колориметрических определений и т. д.) следует брать только свежеперегнанную воду или даже бидистиллят. Например, для приготовления раствора серновагисто-кислого натрия нельзя применять воду, получаемую из перегонного аппарата с медным нелуженым холодильником. Такую воду нужно перегнать еще раз, избегая попадания даже следов меди, так как медь может каталитически ускорить разложение соли.

При приготовлении растворов щелочей стремятся освободить воду от СОг. Для этого или пропускают через воду в течение нескольких часов воздух, освобожденный от СОг, или же воду кипятят. В последнем случае еще горячую воду переливают в сосуд, в котором будут готовить раствор, и закрывают его пробкой, снабженной хлоркальциевой трубкой, чтобы избежать попадания СОг из воздуха.

Для хранения дистиллированной воды так, чтобы она не поглощала СОг из воздуха, можно использовать колбу, оборудованную, как показано на рис. 15. В резиновую пробку с двумя отверстиями вставляют в одно отверстие хлоркальциевую трубку, заполненную аскари-том, во вторую - сливную трубку, загнутую П-образно. На наружный конец сливной трубки насаживают резиновую трубку с пружинным зажимом. Дистиллированную или деминерализованную воду нужно предварительно прокипятить в этой же колбе не менее 30 мин. После окончания кипячения закрывают колбу обычной пробкой, дают воде немного остыть и затем плотно закрывают колбу с еще теплой водой резиновой пробкой, оборудованной так, как описано выше. Открыв зажим, через хлоркальциевую трубку вдувают в колбу воздух до тех пор, пока из сливной трубки не начнет вытекать вода. Тогда вдувание воздуха прекращают и опускают зажим Мора. Сливная трубка будет действовать как сифон. Чтобы взять воду, достаточно лишь открыть зажим.

Иногда нужно получить воду, не содержащую аммиака. Для этого вначале к воде добавляют щелочь и марганцевокислый калий. При перегонке первые фракции отбрасывают и берут средние. Подкисляя и снова перегоняя их, получают дистиллированную воду, свободную от аммиака. Само собой разумеется, что приемник в этом случае нужно оборудовать так, чтобы защитить воду от поглощения аммиака из воздуха.

Если воду нужно освободить от растворенного в ней кислорода, поступают следующим образом. Воду нагревают до 75-85° С и опускают в нее кусочки сплава Вуда. Когда последний расплавится, воду взбалтывают и перегоняют в условиях, предотвращающих попадание воздуха. Приемник можно оборудовать V-образной предохранительной трубкой, наполненной или щелочным раствором пирогаллола, или другим поглотителем кислорода, например, очень тонкими палочками желтого фосфора. В последнем случае предохранительную трубку следует обернуть черной бумагой, чтобы защитить фосфор от действия света. Поглощение кислорода фосфором идет только при температуре не ниже 16-18 0C.

дистиллированный вода деионизованный фильтрование

1.2 Получение дистиллированной воды мембранным методом

Старейшим методом получения дистиллированной воды является термический метод - выпарка. Основой процесса является перевод воды в паровую фазу с последующей ее конденсацией. Главным недостатком этого метода являются очень большие эксплутационные затраты на электроэнергию, необходимую для перевода воды в пар. Кроме того, при образовании пара в него наряду с молекулами воды могут попадать и другие растворенные вещества в соответствии с их летучестью.

Новейшей альтернативой термического метода получения дистиллированной воды является двухступенчатый обратный осмос. Технология основана на двукратном пропускании исходной воды через полупроницаемую мембрану под давлением. В результате вода разделяется на два потока: фильтрат (очищенная вода) и концентрат (концентрированный раствор примесей). Использование метода двухступенчатого обратного осмоса позволяет значительно сократить эксплуатационные затраты и повысить качество получаемой воды.

Основными параметрами, определяющими качество дистиллированной воды, являются электрическое сопротивление и проводимость. Чем меньше солесодержание воды (соответственно, чем качественнее дистиллят), тем сопротивление выше, а проводимость меньше. По нормам проводимость дистиллированной воды должна составлять не более 5 мкСм/см, а сопротивление не менее 200 кОм*см.

При сопротивлении 18,2 МОм*см вода считается сверхчистой (деионизованной).

Ошибочно мнение, что дистиллированная вода является самой химически чистой водой. Дистиллированная вода - это вода, практически полностью очищенная от растворенных в ней минеральных солей, органических и других примесей. Оборудование, при помощи которого получают такую воду, называют дистиллятор (аквадистиллятор). Сердце современного дистиллятора - мембрана обратного осмоса. Как правило, для получения дистиллированной воды (дистиллят) осмотическая вода подвергается доочистке тем или иным методом (второй каскад осмотических мембран, ионный обмен, электродеионизация и т.д.), а также уделяется особое внимание элементам предварительной подготовки воды (корректировка водородного показателя, ультрафильтрация и т.д.). Для получения одного кубического метра дистиллированной воды мембранным методом нужно 2-4кВт электрической мощности в зависимости от требуемой производительности.

Качество дистиллята регламентируется техническими условиями ГОСТ 6709-72 «Вода дистиллированная». Самый важный показатель качества дистиллированной воды -Электропроводность дистиллированной воды.

Сравнительная характеристика дистилляторов производительностью 1м3/час.

 Дистиллятор - испаритель

 Мембранный дистиллятор

Сопротивление

 200 кОм*см

 1 МОм*см

Проводимость

 5 мкСм/см

 1 мкСм/см

Затраты на электроэнергию 390 рублей на тонну воды

 7,8 рублей на тонну воды

Затраты на электроэнергию

 8150$ в месяц

 160$ в месяц

Таким образом, использование установки двухступенчатого обратного осмоса позволяет получить значительную экономическую выгоду и повысить качество получаемой воды. Несмотря на неоспоримые преимущества мембранного метода, многие предприятия все еще используют старый "проверенный" метод выпарки, дистиляция.

. ДЕИОНИЗИРОВАННАЯ ВОДА

Деионизованная вода - вода, в которой не содержится ионов примесей. Это, фактически, очень хорошо очищенная вода. Её удельное сопротивление составляет 18 МОм·см[1]. Чистота - 99,99999 %. Деионизацию осуществляют с помощью ионообменных смол. Используют смолы двух типов: катионитные R-H (R-органический радикал) и анионитные R-OH. Ионы металлов связываются на катионите. Отрицательные ионы кислотных остатков осаждаются на анионите. Образовавшиеся ионы H и OH объединяются в молекулу воды. Возможно предварительное использование процесса обратного осмоса.

Хранение деионизованной воды осуществляется в накопительных емкостях из фторопласта.

.1 СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕИОНИЗОВАННОЙ ВОДЫ

Мембранный процесс разделения жидкостей осуществляется следующим образом (рис. 1): исходный раствор под давлением подается на полупроницаемую мембрану. Мембрана разделяет поток на две части: очищенный раствор (фильтрат или пермеат), прошедший через мембрану и поток, не прошедший через мембрану (концентрат). В концентрате остаются удержанные мембраной загрязнения. Поскольку вдоль мембранной поверхности поток воды движется непрерывно, то удержанные частицы загрязнений не накапливаются на мембране, а вымываются концентратом.

Рис.1 Мембранное поперечно-поточное фильтрование.

Для надежной работы мембранных установок обессоливания необходима вода определенного качества [2]:

взвешенные вещества не более 1 мг/л;

общее солесодержание до 45 г/л;

рН от 3 до 10;

температура от 5 до 45°С;

нефтепродукты до 0,1 мг/л;

сильные окислители отсутствие.

В этой связи мембранные технологии практически не применяются самостоятельно, поскольку требуется наличие предварительной подготовки воды. Поэтому одновременно с внедрением промышленных мембранных установок совершенствуется оборудование для предварительной очистки воды: механические, сорбционные фильтры, дегазаторы, оборудование для бактерицидной обработки, отстойники, сепараторы и т.п.

Мембраны подразделяются на ультрафильтрационные (УФ), нанофильтрационные (НФ) и обратноосмотические (ОО) [1]. УФ - системы применяются в основном для удаления микропримесей, коллоидных частиц, нефтепродуктов и крупных органических молекул и не задерживают ионы. НФ и ОО - системы предназначены для удаления ионов растворенных солей и органических соединений. Обратный осмос - самый тонкий уровень, доступный системам мембранной фильтрации. ОО - мембрана действует как барьер для всех растворенных солей и неорганических молекул, а также органических молекул с молекулярной массой более 100. Задерживающая способность (селективность) растворенных неорганических веществ у современных ОО - мембран от 95 до 99,8 %. Типичное рабочее давление ОО? процессов от 10 бар для солоноватой воды и до 69 бар для морской воды.

Области применения обратноосмотических систем включают: опреснение морской и солоноватой воды, очистку и повторное использование сточных вод, производство пищевых продуктов и напитков, биомедицинское разделение, получение питьевой воды и технологической воды для промышленности. Также системы обратного осмоса часто используются для производства сверхчистой воды в электронной промышленности, энергетике (котловая вода), в химических и металлургических производствах, в медицине (лабораторное применение).

В обратноосмотических установках применяются половолоконные, плоскорамные и трубчатые мембраны, но наибольшее распространение получили мембранные элементы рулонного типа (рис. 2) [3]. Фильтрующая поверхность элемента рулонного обратноосмотического (ЭРО) состоит из двух слоев мембран, склеенных по трем сторонам ?пакетом? и заведенных незаклеенным краем во втулку канала фильтрата. Эта мембранная оболочка спирально обернута вокруг перфорированной трубы, в которую фильтрат сливается из межмембранного пространства, проходя через дренажный слой. Между мембранными "пакетами" также спирально проложены промежуточные сетки, которые формируют межмембранные каналы и оптимизируют течение потока концентрата. Промежуточная сетка также служит для увеличения турбулентности потока внутри мембранного элемента, что препятствует отложению осадков на мембране и увеличивает ресурс службы ЭРО.

Рис. 2. Конструкция ЭРО

Основным параметром, характеризующим эффективность использования исходной воды, является конверсия (восстановление) [2]:

= Q p / Q f * 100%, (1)

где Q f - расход питающей (исходной) воды, м3/ч;p - расход фильтрата, м3/ч.

Обратноосмотические системы, состоящие из одного ЭРО, используются в небольших (производительность < 100 л/ч) установках, часто домашнего и лабораторного применения. Значение конверсии для одноэлементной системы без перепуска концентрата не превышает 15%.

Для крупных промышленных установок конверсия составляет 70...80%, что достигается последовательной установкой и секционированием большого количества мембранных элементов. В один напорный корпус могут устанавливаться до семи последовательно соединенных элементов. Проходя от элемента к элементу, исходная вода становится более концентрированной, и выходит из последнего элемента к клапану регулирования потока концентрата, и далее в канализацию. Фильтрат каждого элемента собирается в общий коллектор вне напорного корпуса.

При обессоливании воды, соответствующей требованиям ГОСТа на питьевую воду [4], качество фильтрата будет следующим (усредненные расчетные данные для стандартных низконапорных мембран):

сухой остаток менее 8 мг/л;

жесткость общая менее 0,08 мг-экв/л;

хлориды менее 3 мг/л.

Себестоимость получения обессоленной воды на ОО?установках составляет в среднем 3...5 руб/м3.

При проектировании установок обратного осмоса все расчеты производятся с помощью специальных компьютерных программ, позволяющих моделировать процесс мембранного разделения жидкостей. К настоящему времени ЗАО ?Гидрогаз? выпускает обратноосмотические установки различной производительности от 0,1 м3/ч до 100 м3/ч (табл. 1).

Установки до 40 м3/ч изготавливаются в моноблочном исполнении (рис.3), что значительно упрощает их транспортировку и монтаж. Установки большой производительности поставляются в виде отдельных модульных блоков

Рис. 3. Установка обратного осмоса ОУ5

В стандартную комплектацию установок входят: мембранный модуль, насосная станция высокого давления, блок промывки мембран, трубопроводы и запорно-регулирующая арматура, датчики, контрольные приборы, а также система управления. В процессе работы постоянно контролируются и анализируются следующие параметры: давление на входе в насос высокого давления, давление на входе и выходе из мембранных элементов, расход фильтрата, концентрата и перепуска концентрата, а также проводимость обессоленной воды. Система управления осуществляет работу установки с накопительной емкостью для сбора фильтрата: при наполнении емкости происходит автоматическое отключение, а при снижении уровня ниже заданного, автоматический запуск.

В качестве дополнительных опций установки могут быть оснащены блоком контроля рН воды, модулями дозирования ингибитора осадкообразования, специализированными системами управления, интегрированными с АСУ ТП верхнего уровня и др.

Важным достоинством установок ЗАО "Гидрогаз" является большой процент комплектующих изделий собственного изготовления: запорно-регулирующей арматуры, насосов, напорных корпусов, сложных программно-аппаратных комплексов и т.д.

Новые мембранные технологии разделения жидкостей находят применение не только для обессоливания, но и для получения деионизованной воды с удельным сопротивлением - 18 МОм/см. До недавнего времени традиционным многотоннажным промышленным оборудованием для производства особочистой воды являлись ионообменные фильтры [5, 6].

Технологию ионообменного получения деионизованной воды упрощенно можно представить следующим образом (схема 1) [5]:

ИОФ-К > Д > ИОФ-А > ИОФ-ФСД,

где ИОФ-К - ионообменный фильтр загруженный катионитовой смолой, поглощающей из воды катионы (Сa2+ , Mg2+ , Na+ , K+ и т.п.); Д - дегазатор, служащий для удаления свободной углекислоты;

ИОФ-А - ионообменный фильтр, загруженный анионитовой смолой, поглощающей из воды анионы ( SO4 2- , Cl - , NO3 - , PO4 3- и т.п.);

ИОФ-ФСД - ионообменный фильтр смешанного действия (рис. 4), загруженный смесью смол анионита и катионита. В ряде случаев перед фильтром смешанного действия предусматривают двухступенчатое Н- и ОН-ионирование.

Рис. 4. Фильтр смешанного действия

Вода, подготовленная по схеме 1, практически не содержит ионных примесей, удельное сопротивление не менее 10 МОм/см. Достоинства схемы 1 - простота аппаратной реализации и максимальная изученность процесса, что позволяет легко им управлять. Но в то же время этой схеме присущи существенные недостатки: сложность автоматизации, содержание кислотного и щелочного реагентного хозяйства и сбросы высокоминерализованных промывных вод в окружающую среду. Так, например, при работе ионообменной установки производительностью 50 м 3 /ч на стадии ИОФ-К > ИОФ-А образуется боле 100м3/сут. стоков со средним солесодержанием не менее 20 г/л. На регенерацию ионообменных фильтров (катионит, анионит) расходуется около 760 кг 100% соляной кислоты и 830 кг 100% едкого натра в сутки [6]. Регенерацию ИОФ-ФСД проводят не чаще 1 раза в двое суток с расходом около 58 кг 100% соляной кислоты и 43 кг 100% едкого натра.

Анализ приведенных данных показывает, что основное количество минерализованных стоков и максимальное потребление реагентов приходится на первую ступень обессоливания. Эта проблема может быть решена заменой катионитовых и анионитовых фильтров 1 и 2 ступени на установку обратного осмоса. Тогда технология получения обессоленной воды будет выглядеть следующим образом (схема 2):

ОО > Д > ИОФ-ФСД,

где ОО - установка обратного осмоса.

После обратноосмотического обессоливания фильтрат имеет проводимость 10...12 кСм/см и практически не содержит органики. Схема 2 характеризуется невысоким потреблением химических реагентов, меньшим солесодержание стоков, но сохраняется необходимость содержания реагентного хозяйства для регенерации ФСД.

Лишенной этих недостатков является самая передовая на сегодняшний день схема деионизации воды (схема 3):

ОО > Д > ЭДИ,

где ЭДИ - установка электродеионизации воды.

Электродеионизация объединяет две технологии обессоливания воды - электродиализ и ионный обмен [7]. Упрощенно электодеионизационный модуль можно представить как электродиализный аппарат, межмембранные зазоры которого заполнены смесью ионитов (катионит и анионит). В процессе работы происходит поглощение смолами ионов, содержащихся в воде, а также под действием приложенного напряжения сразу же и регенерация смол. Иониты в этом случае служат не "емкостью" поглощающей ионы, а как бы скоростным "тоннелем", обеспечивающим их транспортировку в камеру концентрата.

Электродеионизационная установка (рис.5) представляет собой набор ЭДИ-модулей, соединенных параллельно. На каркасе расположены также насос, система управления, блок питания, трубопроводы, контрольно-измерительная аппаратура и регулирующая арматура.

Вода, поступающая на ЭДИ установку должна отвечать требованиям [7]:

проводимость 4...30 мкСм/см;

жесткость общая не более 0,5 мг-экв/л;

концентрация СО2 не боле 5 мг/л;

концентрация SiO2 не более 0,5 мг/л;

сильные окислители (Сl2 , О3 и т.п.) отсутствие.

Вода, прошедшая обратноосмотическое обессоливание полностью соответствует этим требованиям. В этой связи ЭДИ-установки применяют для деионизирования воды, предварительно прошедшей очистку обратным осмосом. Средний срок службы ЭДИ-модулей - 5...7 лет. ЭДИ-установка работает непрерывно в автоматическом режиме, не требуя промывок и регенераций, энергопотребление ~ 300 Вт/м3 . Эксплуатационные расходы составляют ~ 3?5 руб./м3 и складываются в основном из стоимости электроэнергии и затрат на замену ЭРО-модулей и фильтров тонкой очистки.

При соблюдении требований, предъявляемых к исходной воде, на выходе из ЭДИ-установки получается вода следующего качества:

удельное сопротивление не менее 16 МОм/см;

содержание SiO 2 не более 5 мкг/л;

содержание Na не более 1 мкг/л и т.п.

ЭДИ-установки используются для получения особо чистой воды, применяемой в микроэлектронике, теплоэнергетике, некоторых отраслях химической промышленности и медицины.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сайт ( 26.10. 2013) <http://www.hydrogas.ru/?page=141>

. Сайт <http://www.megalit23.ru/vodopodgotovka/distillirovannaya-voda>

. Сайт <http://www.niitop.ru/site.aspx?IID=2139508&SECTIONID=471678>

. Сайт <http://distiller.vladbmt.ru/dist000.html>

. Сайт <http://www.aqua-filter.ru/products/med/deion/technical/>