Аналитический контроль в процессах обессоливания воды
Анализ исходной воды. Промышленные предприятия большей частью обессоливают воду питьевого качества, т. е. водопроводную воду. Ее химический состав меняется в широких пределах, но не должен превышать норм, указанных в ГОСТ 2874—73. По стандартным методикам большая часть показателей воды определяется с чувствительностью, отличающейся от возможного содержания в воде тех или иных веществ на 1—2 порядка. Это вполне удовлетворяет требованиям качества воды, из которой получают обессоленную воду. Как правило, данные о составе водопроводной воды могут быть получены в лабораториях санитарно-эпидемиологических станций.
Отметим, что в ГОСТ на питьевую воду нет сведений, достаточных для расчета процессов обессоливания и контроля за ними. Так, не нормируется окисляемость воды, содержание кремневой кислоты во всех возможных формах, содержание гумусовых веществ и других органических соединений.
Для определения общей, бикарбонатной, карбонатной и гидратной щелочности используют методику руководств, кремневую кислоту и окисляемость можно определять по методикам, предложенным в книге «Унифицированные методы анализа вод», или по «Инструкции по анализу воды, пара и отложений в теплосиловом хозяйстве».
Универсальная обессоливающая установка содержит узел предварительной очистки (коагуляция, осветление и сорбция органических веществ), узел Н-катионирования, декарбонизации, ОН-ионирования на I ступени и обессоливания воды на смешанном слое ионитов. Такая схема может быть объединена с электродиализом или обратным осмосом для частичного обессоливания воды повышенной минерализованности. На каждом этапе обработки воды необходим соответствующий контроль.
Контроль за предварительной очисткой. Контроль за очисткой от органических примесей ведут по перманганатной или бихроматной окисляемости. Определение с помощью спектрофотометра оптической плотности воды до и после ее очистки дает дополнительную информацию об эффективности последней. В результате предварительной очистки цветность должна быть снижена до 5°, окисляемость уменьшена в 2—3 раза, прозрачность осветленной воды должна быть больше 30 см.
В последние годы получает развитие инструментальный метод определения общего органического углерода (ООУ) в воде при его содержании не меньше 1 мг/л. Это вполне приемлемая чувствительность метода для оценки эффективности очистки воды от органических веществ любым из названных способов. Установки для этих целей выпускают за рубежом. В рекламных проспектах указывается на возможность проведения в автоматическом режиме 20—30 анализов в час. Выпущены н отечественные опытные установки.
Для контроля за степенью удаления железа из воды необходимо полностью перевести железо в ионную форму. Испытуемую пробу кипятят с соляной и азотной кислотами, концентрируют до уровня, превышающего в несколько раз чувствительность выбранного метода анализа. Если вода в результате предварительной очистки свободна от окрашенных органических веществ (<5° по цветности), для быстрого и оперативного анализа неионных форм железа можно использовать его накопление при фильтровании через плотные мембраны типа миллипор. По интенсивности окраски фильтра судят о содержании железа в воде.
Степень умягчения воды контролируется на этапе ее предварительной очистки по ГОСТ 4151—72.
Контроль за процессом Н-катионирования. При Н-катионировании воды первым переходит в фильтрат ион натрия. Соответственно проскоку натрия снижается кислотность Н-катионированной воды. В тех случаях, когда состав воды стабилен, о проскоке ионов натрия можно судить по изменению кислотности. Прямое определение натрия проводят пламенно-фотометрическим методом. Появление щелочности в фильтрате после анионита свидетельствует о присутствии натрия в Н-катионированной воде. Для анализа вод, в том числе и для определения натрия, используют потенциометрические методы с применением ионселективных электродов. Зарубежные фирмы, рекламируя такого рода приборы, как одну из областей их применения называют контроль за проскоком натрия при обессоливании воды.
В соответствии с рядом сорбируемости ионное железо не должно появляться в фильтрате, если катионит работает до проскока натрия. Способность катионита задерживать какую-то часть присутствующих в воде органических веществ или, наоборот, обогащать ими воду за счет деструкции зерен можно с наибольшей надежностью оценить с помощью прибора для определения ООУ.
Контроль за степенью декарбонизации воды проводят, сравнивая содержание диоксида углерода в воде до и после дегазации.
Контроль за процессом ОН-ионирования на I ступени обессоливания
. Достаточным является контроль по удельному электрическому сопротивлению (электропроводимости) с помощью кондуктометров различных марок. После слабоосновного анионита фильтрат может иметь удельное сопротивление 0,1—0,5 МОм-см. По содержанию солей такая вода соответствует дистилляту и бидистилляту. Анионит I ступени обладает некоторой емкостью по органическим веществам, сравниваемой по окисляемости Н-катионированной воды и фильтрата после анионита. Более объективны показатели, полученные на приборе для определения ООУ. Содержание железа в воде после анионита I ступени находят по названным выше методикам с предварительным концентрированием.Работу сильноосновного анионита при его использовании на I ступени обессоливания контролируют по проскоку бисиликат-ионов и по удельному сопротивлению, которое, как правило, значительно выше, чем после слабоосновного анионита.
Контроль за работой смешанного слоя. В воде после смешанного слоя содержится очень мало примесей ионного характера. Известно, что при концентрациях соли, щелочи и кислоты на уровне 10-7 моль/л (10—20 мкг/л) на ионную силу растворов, на рН растворов, на степень диссоциации слабых кислот и оснований оказывает значительное влияние концентрация ионов, образующихся при диссоциации воды. Это влияние создает принципиальные ограничения для определения очень малых концентраций примесей. Так, вычисленные значения рН в растворах НСl и КОН при концентрации 8 моль/л равны соответственно 6,98 и 7,02 и отличаются от рН чистой воды на величины, не превышающие погрешности в определении рН. Обессоленная вода, не защищенная от контакта с воздухом, содержит 1,3-10-5 моль/л растворенного диоксида углерода и имеет рН, равный 5,68. В такой воде по изменению показателя рН можно определить присутствие НСl или NaOH. Отметим, что концентрирование примесей в особо чистой воде само по себе весьма затруднительно в связи со способностью такой воды извлекать примеси из посуды, в которой проводят концентрирование, и диоксид углерода из воздуха. Поэтому содержание ионных примесей в глубокообессоленной воде определяют кондуктометрически в протоке, не допуская ее контакта с воздухом.
Измерение рН высокоомной воды, контактирующей с атмосферой, очевидно, не имеет смысла. Разработана методика, позволяющая определять 1—5 мкг/л кремния в воде. Высокое удельное сопротивление воды после смешанного слоя (5—10 МОм-см) свидетельствует и об отсутствии в ней сколько-нибудь значительных количеств органических электролитов.
Общее содержание органических веществ, в том числе продуктов деструкции самих ионитов, лучше всего определять по содержанию общего органического углерода. Содержание железа после соответствующего концентрирования находят по указанным выше методикам; концентрацию железа 1—2 мкг/л можно найти кинетическим или хемилюминесцентным методами, сложность которых сдерживает их внедрение в практику контроля за обессоливанием воды. Катионит I ступени и смешанный слой ионитов способны задерживать ионы меди даже из ее гидроксида; для анализа меди в обессоленной воде при ее концентрации 1 мкг/л используют кинетический метод.