1. Le processus physique se produit lors de la purification de l'eau par la méthode de fluoration, ozonation, chloration et sédimentation. 2. La majorité des impuretés sont contenues dans l'eau de pluie, l'eau de mer et l'eau de rivière distillée. 3. Les propriétés physiques de l'eau n'incluent pas l'état de agrégation, couleur, point d'ébullition, capacité à se décomposer par le courant électrique 4. La solubilité de la substance dans l'eau ne dépend pas de la température de la nature de la substance la nature du solvant la masse du solvant 5. L'approvisionnement principal en L'eau sur Terre se trouve dans : les mers et les océans ; sources souterraines; atmosphère; glaciers; lacs, rivières; les organismes vivants. 6. Lors de la préparation d'une solution, son volume : est égal au volume des composants à mélanger ; égal au volume de solvant ; égal au volume du soluté; n'est pas égal au volume des composants mélangés.
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« Mémoire de l'eau » - Sera transmise tout au long de la chaîne. Deux types de mémoire : La base de tout est le tétraèdre (la pyramide la plus simple à quatre coins). Icosaèdre de Martin Chaplin. Les termes « microcluster et eau hexagonale » sont largement utilisés, y compris en Russie. La mémoire primaire apparaît après une exposition unique à des informations.
« Propriétés physiques et chimiques de l'eau » - Vinaigre, sel, craie, rouille. Distribuer les substances proposées. Propriétés physiques et chimiques de l'eau. Propriétés chimiques de l'eau. Réaction de décomposition. Objectifs de la leçon. La plupart des impuretés se trouvent dans l'eau. Un processus physique se produit lors de la purification de l’eau. Équipement. Effectuez les tâches vous-même. Propriétés physiques de l'eau.
"Dureté de l'eau" - Des problèmes surviennent lors de l'utilisation d'eau dure. Moyens pour éviter la formation de tartre (adoucissement de l’eau). Produits détartrants. Norme. Tout est connecté à tout (une des quatre lois du Commoner). Loi Joule-Lenz. Méthode d'échange d'ions. L’eau dure est une eau qui contient une quantité excessive d’ions calcium.
"Propriétés des substances eau" - En rangées ordonnées. Fontaine du Louvre, France. L'eau est très inhabituelle dans ses propriétés physiques et chimiques. Eau prélevée du lac Fujiwara avant la prière. Cristal d'eau de source. Le mot « Adolf Hitler ». L’origine de la vie sur Terre est due à l’EAU. L'eau a reçu un rayonnement électromagnétique d'amour et de gratitude de la télévision.
"Propriétés de l'eau" - Un morceau de lithium a été prélevé avec une pince à épiler. Etude des propriétés de l'eau. Propriétés chimiques de l'eau. Parlons de substances complexes. Interaction de l'eau avec des substances simples. Vue depuis l'espace. Par exemple, on peut prendre des charbons. De quoi d’autre dépend la solubilité ? 1. Réactions de l'eau avec les oxydes basiques. Le 22 mars est la Journée mondiale de l'eau selon le calendrier de l'ONU, Journée de l'eau.
« Propriétés physiques de l'eau » - A quelle température l'eau gèle-t-elle ? L’eau est le plus célèbre et le plus mystérieux de tous les liquides existant sur Terre. le point d'ébullition de tout hydrure, ainsi que de tout autre composé. Les quatre éléments d'Aristote. L'eau bout à 1000°C. Dépendance de la densité de l'eau sur la température. Dépendance de la température d'ébullition à la pression.
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- Les eaux naturelles sont les eaux de l’hydrosphère terrestre qui sont apparues naturellement. Elles se répartissent en deux grandes classes : superficielles et souterraines (on peut également distinguer les eaux atmosphériques, mais leur utilisation directe est exotique). Les eaux de surface se trouvent dans les rivières, les lacs, les réservoirs, les marécages et les mers, ainsi que dans les canaux. Les eaux souterraines sont contenues dans les pores des sols et des roches.
- Les eaux usées par origine peuvent être divisées en quatre classes : domestiques (fécales), pluviales, agricoles et industrielles (industrielles).
- Eaux usées domestiques se forment lorsque l’eau du robinet est mélangée aux déchets ménagers et physiologiques dans les appareils sanitaires et contiennent principalement des impuretés organiques.
- Les eaux usées industrielles sont diverses, tout comme les secteurs de production matérielle qui utilisent l’eau pour divers besoins.
Les égouts pluviaux Il s'agit d'un mélange de précipitations atmosphériques et de contaminants emportés par les surfaces des zones bâties et non bâties (suspensions, produits pétroliers, etc.).
À eaux usées agricoles Outre les eaux usées du bétail, dont la composition est similaire à celle des eaux usées ménagères, mais en plus concentrées, elles comprennent également les eaux de retour et de drainage générées lors de l'irrigation et contenant souvent des pesticides et des engrais minéraux.
Impuretés des eaux naturelles et usées
La diversité des impuretés présentes dans l’eau rend leur classification difficile. Jusqu'à récemment, les impuretés étaient systématisées selon les critères suivants :- De par leur nature, les impuretés de l’eau sont divisées en impuretés minérales, organiques et biologiques. Les particules minérales comprennent les particules de sable, d'argile, de minerais, de scories, d'huiles minérales, de sels, d'acides, de bases, etc. La pollution organique peut être d’origine végétale, animale et artificielle. Les plantes sont les restes de plantes, les algues, les produits de leur décomposition, etc. Les contaminants d'origine animale comprennent les sécrétions physiologiques des humains et des animaux, les restes de tissus animaux, les adhésifs, etc. Les impuretés organiques sont d'origine artificielle, formées par exemple à partir de produits d'entreprises de chimie organique, de l'industrie alimentaire et de nombreux autres types de production. Les impuretés microbiennes biologiques sont représentées par des micro-organismes, qui comprennent des algues et des champignons microscopiques, des bactéries et des virus, souvent appelés microflore. La microfaune comprend les ciliés, les flagellés, les vers et les crustacés.
- Selon le degré de solubilité, les impuretés sont divisées en insolubles et solubles. Les insolubles sont également appelés en suspension. Il s'agit notamment des particules de sable, d'argile et de limon. Les impuretés solubles peuvent se présenter sous la forme de colloïdes (occupant une position intermédiaire entre les substances en suspension et dissoutes) ou de molécules et d'ions véritablement solubles.
- Selon leur état de phase, les impuretés peuvent être solides (par exemple particules d'argile, algues), liquides (émulsions, produits pétroliers, graisses), gazeuses (gaz à l'état non dissous).
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Vous pouvez également classer les impuretés de l'eau selon leur origine (naturelle et artificielle), par densité par rapport à l'eau (flottant, coulant et flottant) et d'autres caractéristiques.
Un type particulier de pollution est thermique, caractérisé par une augmentation de la température après le retrait de l'eau des équipements refroidis. Les eaux thermales naturelles ont également des températures élevées (jusqu'à 50°C et plus).
Classification des impuretés de l'eau selon leur état de dispersion en phase
La variété des impuretés et les caractéristiques de leur classification compliquent une perception holistique et le choix des méthodes d'élimination des contaminants de l'eau.
Académicien L.A. Kulsky a créé son propre tableau de classification des impuretés de l'eau, voyant l'ordre et la logique derrière la diversité. Il l'a basé sur deux facteurs principaux : la dispersion et leur état de phase.
Une mesure de la dispersion (finesse) des particules d'impuretés est leur taille d ou degré de dispersité D = 1/d. Au fur et à mesure que les particules sont broyées, leur taille diminue, le degré de dispersité et la surface spécifique (la surface totale des particules d'un certain volume) augmentent, comme le montre le tableau ci-dessous.
Caractéristiques de dispersion des particules d'impuretés
| Caractéristique | Indice | |||
| Taille d'une seule particule, d, m | 0,01 | 0,001 | 0,0001 | 10 -7 |
| Degré de dispersion, D, m-1 ; | 100 | 1000 | 10 6 | 10 15 |
| Nombre de particules dans 1 cm³ | 1 | 1000 | 10 6 | 10 15 |
| Surface spécifique des particules en 1 cm³, cm² | 6 | 60 | 600 | 6*10 5 |
La surface spécifique des particules peut être déterminée par la formule : S UD = KD, où K est un coefficient dépendant de la forme des particules.
L'eau contenant des impuretés est un système physico-chimique (PCS). Le milieu de dispersion qu'il contient est de l'eau et les impuretés constituent la phase dispersée - un composant distinct du FCS, séparé des autres particules du système par l'interface. Les FCS constitués de deux phases ou plus sont appelés hétérophases (différentes phases). Si le milieu et l'impureté sont représentés par une seule phase, le FCS est dit homophase (monophasé, homogène).
Les PCS hétérophasés à base d'eau sont appelés suspensions (si l'impureté est un solide), émulsions (si l'impureté est liquide) et mousses (si l'impureté est un gaz).
LA. Kulsky a divisé toutes les impuretés de l'eau en deux classes : hétérogènes (correspondant au FCS hétérophase) et homogènes (en FCS homophase), chacune étant divisée en deux groupes en fonction de la taille des particules. Classification des impuretés selon L.A. Kulsky est donné dans le tableau ci-dessous :
Tableau L.A. Koulsky
Caractéristiques des impuretés par groupe
Le groupe I comprend les suspensions (substances en suspension, impuretés grossières). Ceux-ci comprennent : le sable fin, le limon, les substances argileuses, les cendres, le tartre, les résidus alimentaires, les hydroxydes métalliques et autres, c'est-à-dire ces impuretés qui sont maintenues en suspension par les forces dynamiques des écoulements d'eau ; au repos, ils se déposent (si la densité est supérieure à la densité de l'eau) ou flottent (si la densité est inférieure à l'unité).
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Les suspensions pénètrent dans les eaux naturelles en raison de l'érosion des roches du substrat et du lessivage des sols par les eaux pluviales. Les suspensions dans les eaux usées proviennent d'appareils sanitaires (restes alimentaires, particules de sol) ou résultent de processus technologiques (par exemple, tartre lors du refroidissement des cylindres de laminoirs, particules de charbon dans les eaux de mine). Les suspensions d'origine anthropique ont une résistance accrue au tassement.
Les substances en suspension peuvent contenir à leur surface des bactéries, des virus, des pesticides et des radionucléides.
Le groupe I d'impuretés comprend également le plancton et les bactéries. Les bactéries peuvent être inoffensives pour le corps humain et pathogènes. Ils ne précipitent pas et ne flottent pas dans l'eau calme, mais sont soit à l'état libre, soit à la surface de substances en suspension. La dernière option est plus courante. Les bactéries se propagent par l'eau.
Le plancton est généralement divisé en zooplancton (crustacés, vers) et phytoplancton (algues). Les premiers se déplacent activement dans l’eau. Les algues se développent intensément pendant la saison chaude dans les eaux à faible courant (dans les réservoirs). Les algues bleu-vert sont les plus courantes sous notre climat.
Un nom plus général pour le groupe II d'impuretés (colloïdes) est sols (avec un milieu de dispersion sous forme d'eau, hydrolats). Étant donné que les particules colloïdales ne sont qu'un ordre de grandeur plus grandes que les molécules, les sols sont également appelés systèmes microhétérogènes ; ils occupent une position intermédiaire entre les suspensions et les solutions vraies (on parle aussi de solutions colloïdales). Il existe des colloïdes hydrophobes et hydrophiles.
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Les colloïdes hydrophobes ne se dissolvent pas dans l'eau, n'interagissent pas avec les molécules d'eau et constituent des systèmes colloïdaux typiques. Ils sont instables et s'effondrent progressivement, libérant une phase dispersée à mesure que les particules grossissent sous l'influence des forces de cohésion intermoléculaire, passant dans les impuretés du groupe I.
Les colloïdes hydrophiles interagissent avec le milieu dispersé et sont capables de s'y dissoudre. En fait, ce sont des solutions stables de composés de haut poids moléculaire avec un poids moléculaire de 104 à 106 unités.
Les impuretés colloïdales des eaux naturelles sont des particules minérales et organominérales des sols et des sols, formes d'humus non dissociées et insolubles. L'humus est éliminé des sols forestiers, marécageux et tourbeux ou se forme dans des réservoirs en raison de l'activité vitale des plantes et des algues. Les colloïdes se trouvent également dans la plupart des eaux usées, en particulier dans les eaux usées des industries pétrochimiques et des pâtes et papiers.
Les impuretés de dispersion colloïdale ont une surface spécifique élevée et une énergie de surface élevée. À mesure que le degré de dispersion augmente, le nombre de molécules situées à l’interface des phases augmente. Ils sont situés dans un champ de force asymétrique et possèdent un excès d’énergie libre en raison de liaisons moléculaires non compensées.
Kulsky inclut également les virus dans le groupe II d'impuretés. Ils ne sont pas capables d'exister sur des milieux nutritifs et se reproduisent uniquement dans les cellules de l'organisme hôte.
Le groupe III d'impuretés est constitué de composés organiques d'origine biologique et anthropique - graisses, protéines, glucides, sucres, déchets de bactéries, algues, humains et animaux), phénols, alcools, aldéhydes et similaires, eaux usées de l'industrie chimique, solubles formes d'humus (acides fulviques).
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Ces composés sont pratiquement non dissociés et ne sont pas des électrolytes. À la suite de l'interaction avec l'eau, ils forment des hydrates et, lorsqu'ils interagissent les uns avec les autres, ils forment des associés. Ces composés sont thermodynamiquement stables et peuvent exister pendant n'importe quelle durée sans être libérés de l'eau. Lorsqu'une certaine concentration (limite de solubilité) est dépassée, ils forment des systèmes biphasiques (précipité) et deviennent des impuretés du premier groupe.
Ce groupe comprend également les composés minéraux - les gaz dissous. Les eaux naturelles contiennent généralement de l'oxygène, de l'azote et du dioxyde de carbone. Les eaux souterraines peuvent également contenir du sulfure d'hydrogène. Ces gaz sont également présents dans les eaux où se déroulent les processus de décomposition (eaux fécales domestiques, eaux de marais).
Les impuretés du groupe IV sont des solutions de sels, d'acides et d'alcalis et sont des électrolytes. Ils se forment à la suite de la dissociation de molécules de substances comportant des liaisons ioniques ou hautement polaires sous l'influence de la structure polaire des molécules d'eau.
La grande majorité des eaux naturelles et usées contiennent des cations de calcium, magnésium, fer, sodium, potassium, manganèse, des ions hydrogène (ions hydronium H 3 O +), ainsi que des anions : bicarbonates (HCO 3 -), carbonates (CO 3 2-) , sulfates (SO 4 2-), chlorures (Cl), fluor (F -), phosphates (PO 4 3-), nitrates (NO 3), nitrites (NO 2 -), hydrosilicates (HSiO 2 -) , groupes hydroxyle OH - . Des ions spécifiques sont contenus dans les eaux usées des industries de la galvanoplastie, du cuir et de la radioélectronique.
À la suite de l'interaction, les ions peuvent former des composés légèrement ou non dissociés (par exemple, du gaz CO 2, un précipité Fe(OH) 3) et ainsi devenir des impuretés d'autres groupes.
"un article où nous allons essayer de répondre à la question" Comment les impuretés dans l’eau sont-elles mesurées ?". Dans quoi - cela signifie « quelles unités de mesure », juste pour le rendre plus court et plus clair.
Comment les impuretés dans l’eau sont-elles mesurées ? Pour répondre à cette question, vous devez savoir pourquoi mesurer la quantité de substances présentes dans l’eau. Ainsi, à certaines fins, vous aurez besoin de certaines unités de mesure, à d'autres fins, d'autres. Mais nos objectifs sont très simples. Nous analysons l'eau afin de comprendre ce qui doit en être purifié. Et donc, afin de sélectionner correctement l'équipement, déterminer si cette eau est nocive ou non pour un domaine (pour la boisson, les applications techniques, les équipements de transformation, etc.), prédire l'impact de l'eau sur l'équipement dans le futur, et beaucoup plus.
Revenons donc à notre question : comment mesure-t-on la teneur en substances de l’eau ? La réponse est simple : dans des unités complètement différentes. De plus, certaines unités de mesure dans différents pays ne correspondent pas entre elles ; des facteurs de conversion sont nécessaires pour les égaliser. Par exemple, la dureté de l’eau est mesurée différemment aux États-Unis, en Allemagne, en France, en Russie et en Ukraine. Mais plus là-dessus plus tard. Commençons par les unités de mesure les plus couramment utilisées.
Quelle est l’unité de mesure la plus courante pour la composition de l’eau ?
Il s'agit du rapport entre la teneur massique de la substance souhaitée et la quantité totale d'eau.
Les grammes et les milligrammes font référence à un litre d'eau (parfois, pour les frimeurs, un litre est appelé un décimètre cube - dm 3). Soit jusqu'à mille litres (mètre cube d'eau). Mais le plus souvent au litre.
En conséquence, nous obtenons l'unité de mesure milligramme par litre:mg/l. Ou, ce qui est la même chose, mais dans les sources de langue anglaise - ppm (parties par million).
Et si vous constatez que, par exemple, votre analyse de l'eau montre une teneur totale en sel de 100 mg/l, alors si vous retirez toute l'eau d'un litre d'eau, vous vous retrouverez avec 100 milligrammes de sels. Voici des exemples de la façon dont l'unité de mesure décrite est utilisée dans la pratique :
- Teneur totale en sel L'eau du fleuve Dniepr (tous les sels qui y sont dissous) varie de 200 à 1 000 mg/l. Autrement dit, si vous prenez un litre d'eau et en retirez toute l'eau, les substances organiques, les produits pétroliers, etc., les sels resteront en quantités allant de 200 milligrammes à 1 gramme (les fluctuations de la composition dans le Dniepr dépendent de la distance le point de rejet des eaux usées est situé en ville ou en entreprise).
- Teneur en nitrates dans l'eau de puits de la région de Nikolaev, elle peut atteindre 100 mg/l. Autrement dit, si vous prenez un litre d'eau d'un puits de la région de Nikolaev, retirez toute l'eau, les pesticides, les autres matières organiques, tous les sels à l'exception des nitrates, il restera alors 100 milligrammes de nitrates. Ce qui représente un peu plus de deux fois la teneur maximale autorisée en nitrates dans l’eau.
- Maximum autorisé concentration (teneur) en manganèse(métal lourd) dans toute eau destinée à la consommation ne doit pas dépasser 0,1 mg/l. Autrement dit, il ne devrait pas y avoir plus d'un dixième de milligramme de manganèse dans un litre d'eau.
Une autre unité de mesure est destinée à refléter la teneur en sels de dureté de l'eau.
En Russie et en Ukraine dureté de l'eau(teneur en sels de calcium et de magnésium) se mesure en équivalent milligramme par litre d’eau. Soit des grammes équivalents à 1000 litres d'eau. C'est-à-dire par tonne. Ou en moles par mètre cube d'eau. Ou en millimoles par litre. C'est le même sens.
Quel est l'équivalent ici ? Pourquoi ne pas exprimer la dureté de l’eau de la même manière que d’autres substances normales telles que la teneur totale en sel et en nitrates ? Le fait est que la dureté de l’eau est déterminée simultanément par deux substances : les ions calcium et magnésium. Pour que différentes substances puissent être combinées en une seule (dureté), elles doivent être égalisées. Des équivalents sont nécessaires principalement pour la sélection de filtres pour la purification de l'eau, et en particulier pour.
Supposons donc qu’il y ait 20 mg/l de magnésium et 120 mg/l de calcium dans l’eau (nous savons déjà ce qu’est le mg/l). Dans ce cas, la dureté de l'eau sera d'environ 7 mEq/l. Généralement, les laboratoires déterminent la dureté de l’eau, puis la teneur en calcium de l’eau. Ensuite, par soustraction, la teneur en magnésium est déterminée.
D’autres pays, comme l’Allemagne, ont leur propre manière d’exprimer le contenu de la dureté. C'est ce qu'on appelle un diplôme allemand et est désigné par un d et un cercle en haut. Ainsi, notre dureté de 7 mEq/l correspond approximativement à 20 degrés de dureté allemands. De plus, il existe un degré de dureté français, un degré de dureté américain, etc.
Afin de ne pas vous tromper avec les conversions, vous pouvez utiliser un petit programme pour convertir les unités de mesure de dureté de l'une à l'autre. Vous pouvez le télécharger à partir du lien « Conversion des unités de mesure de dureté ».
Nous avons donc réglé la rigidité. Il est temps de passer à autre chose. Moins courante, mais toujours présente, est l'unité mgO 2 /l (COD Mn : O 2, ppm). Elle mesure oxydabilité du permanganate. L'oxydabilité est un paramètre complexe qui montre la quantité de substances organiques présentes dans l'eau. Pas de substances organiques spécifiques, mais des substances organiques en général.
L'oxydation du permanganate est ainsi appelée car c'est du permanganate de potassium qui est ajouté goutte à goutte à l'eau testée, et la quantité de permanganate de potassium (permanganate de potassium) utilisée pour oxyder toutes les substances organiques est déterminée. Si un autre agent oxydant (par exemple, le dichromate de potassium) était ajouté, l'oxydabilité serait alors appelée dichromate. Mais pour nos objectifs définis ci-dessus, c'est l'oxydation par permanganate de l'eau qui est nécessaire. En conséquence, à l'aide d'une certaine conversion, il est déterminé combien de milligrammes d'oxygène pur O2 ont été nécessaires pour oxyder toute la matière organique présente dans l'échantillon d'eau. L'unité de mesure est donc mgO 2 /l.
Cet indicateur se retrouve souvent dans les instructions d'utilisation de l'eau potable (par exemple, dans l'eau, l'oxydation du permanganate ne doit pas être supérieure à 5 mgO 2 /l). Autrement dit, s’il y a plus de matière organique dans l’eau que ce que le filtre peut éliminer, le filtre laissera passer l’excès de matière organique.
Dans l'eau du robinet, l'oxydation du permanganate ne doit pas dépasser 5 mgO 2 /l. En un coup d’œil, cette valeur de matière organique correspond à l’eau jaune légèrement verdâtre qui s’écoule habituellement dans la baignoire. L'eau de la salle de bain sera claire si l'oxydation du permanganate est inférieure à 1 mgO 2 /l.
À propos, il est important de se rappeler que le dm 3 équivaut à un litre. Il existe désormais une nouvelle mode consistant à appeler un litre un décimètre cube. C'est en fait la même chose.
- salé - 1 – 10 g/kg
- salé - plus de 10 g/kg
Sur la base du cation prédominant, on distingue l'eau calcaire (Ca) ;
magnésium (Mg);
sodium (Na).
Les groupes, à leur tour, sont divisés en types qui prennent en compte les relations entre les ions, mEq/kg.
Les impuretés des eaux naturelles sont réparties selon le degré de dispersion (taille)
Véritablement dissous (dispersé ioniquement ou moléculairement), distribué dans l'eau sous forme d'ions individuels de molécules, c'est-à-dire avec une taille de particule inférieure à 1 mmk
- colloïdal dispersé avec une granulométrie de 1 à 100 mmk
- grossier avec une granulométrie supérieure à 100 mmk
Selon la composition chimique, les impuretés des eaux naturelles sont divisées en :
- minéral
- organique
Les gaz minéraux comprennent les gaz N2, O2, CO2 dissous dans l'eau de l'atmosphère, formés à la suite de processus oxydatifs et biochimiques NH3, CH4, H2S, ainsi que les gaz introduits par les eaux usées, ainsi que divers sels, acides, bases qui sont en grande partie sous forme dissociée, c'est-à-dire sous la forme des cations et des anions qui les forment.
Les substances organiques comprennent les substances humiques évacuées des sols et des tourbières, ainsi que divers types de substances organiques entrant dans l'eau avec les eaux de ruissellement agricoles et d'autres types d'eaux usées insuffisamment traitées.
Indicateurs de qualité de l'eau
La dureté de l'eau est la teneur totale en ions calcium et magnésium, exprimée par le nombre d'équivalents milligrammes dans un litre (kilogramme) (mg-eq/l), d'équivalents microgrammes par litre (mcg-eq/l) 1 mg-eq /l = 1000 mcg-eq/l
L'alcalinité de l'eau est déterminée par la présence d'hydrates de sels de certains acides faibles (carbonique, silicium, phosphorique) et d'oxydes métalliques. La valeur d'alcalinité est exprimée en mg-eq/l.
L'alcalinité de l'eau est la capacité de l'eau à neutraliser les acides tout en liant les ions hydrogène.
Indicateur de pH hydrogène - caractérise l'acidité ou l'alcalinité de l'eau (milieu). Environnement acide – valeur pH = 1, 2, 3 Légèrement acide – pH = 4, 5, 6
Neutre– valeur pH = 7
Légèrement alcalin– valeur pH = 8, 9, 10. Alcalin – pH = 11, 12, 13
Transparence - caractérise la présence de substances en suspension dans l'eau, généralement exprimée en centimètres de colonne d'eau à travers laquelle il est possible de lire les caractères imprimés ou d'observer la croix des rayures en formation au fond du cylindre.
Le résidu sec (g/m3) est la quantité totale de substances non volatiles contenues dans l'eau.
L'oxydabilité est la quantité d'oxygène en mg/l nécessaire à l'oxydation de toutes les substances organiques contenues dans l'eau.
Option 1
Lister les principaux indicateurs de qualité de l'eau des chaufferies et des réseaux de chaleur ?
Quelle valeur de pH a un milieu légèrement alcalin ?
Les ruisseaux, rivières, lacs, étangs, marécages sont de quel type d'eaux naturelles ?
1.4. Les eaux naturelles ayant une salinité allant jusqu'à 1 g/kg sont-elles fraîches, saumâtres ou salées ?
Qu'est-ce qui détermine la composition quantitative et qualitative des impuretés dans les rivières et les réservoirs ?
Option 2
Définir l'alcalinité de l'eau ?
Que caractérise le pH ?
2.3. Dans les eaux naturelles douces saumâtres, quelle est la teneur en salinité de l’eau ?
Quelles impuretés sont classées comme organiques ?
Quelles impuretés pénètrent dans l'eau pendant le cycle lors des précipitations ?
Option 3
Définir la dureté de l'eau ?
Quelle est la valeur du pH d’un environnement alcalin ?
3.3. Eaux naturelles salées, quelle est la salinité de l'eau ?
Quels gaz l’eau atmosphérique absorbe-t-elle de l’air ambiant ?
L’eau est-elle un mauvais ou un bon solvant pour un large éventail de solides, de liquides et de gaz ?
Option 4
Quel indicateur de l'eau caractérise l'acidité ou l'alcalinité de l'eau ?
Les mers, les océans, les lacs d'eau salée sont de quel type d'eaux naturelles ?
Quelles impuretés sont considérées comme minérales ?
Décrivez brièvement le cycle de l'eau dans la nature ?
Comment sont classées les eaux usées industrielles et domestiques selon la nature de la pollution (trois groupes) ?
Option 5
Définir l'oxydabilité de l'eau ?
Quelle valeur de pH a un milieu neutre ?
Comment les eaux naturelles sont-elles divisées en fonction de leur teneur en salinité ?
5.4. Comment les eaux naturelles sont-elles réparties selon la composition chimique des impuretés ? :
Quelles impuretés pénètrent dans l’eau au cours du cycle en s’infiltrant dans le sol ?
Option 6
Définir la transparence de l’eau ?
Quelle est la valeur du pH d’un environnement acide ?
En fonction de leur origine, les eaux naturelles peuvent être divisées dans les catégories suivantes :
Eaux atmosphériques qui tombent sous forme de pluie et de neige. Ils contiennent une petite quantité d'impuretés, principalement sous forme de gaz dissous : oxygène, monoxyde de carbone, oxyde d'azote, sulfure d'hydrogène, substances organiques, poussières. L'eau atmosphérique ne contient pratiquement pas de sels dissous. L'eau contenant moins de 1 gramme de sels par litre est dite fraîche. Dans ce cas, les eaux atmosphériques sont des eaux douces.
Les eaux de surface – rivières, lacs et mers – contiennent, outre les impuretés présentes dans l'eau atmosphérique, une grande variété de substances. De plus, des petites quantités à la saturation. Il s'agit des bicarbonates de calcium, de magnésium, de sodium, de potassium, ainsi que des sulfates et des chlorures. Presque tous les éléments du tableau périodique sont présents dans l’eau de mer, y compris les éléments précieux et radioactifs. Environ 5*1016 tonnes de sels sont dissoutes dans les océans du monde (si la surface du globe est recouverte de ce sel, l'épaisseur de la couche sera d'environ 45 m). L’industrie chimique extrait déjà 200 millions de tonnes de sel de table de l’eau de mer. Le magnésium, le potassium et le brome sont également extraits.
Toutes les eaux de surface contiennent des substances organiques, notamment des bactéries pathogènes.
Dans la région de Belgorod, presque toutes les rivières appartiennent à la troisième classe de propreté - modérément polluées. Les principaux consommateurs d'eau de surface dans la région de Belgorod sont les fermes piscicoles - 80 millions de m3, l'industrie - 25 millions de m3 et l'agriculture - 1,5 million de m3.
Eaux souterraines - l'eau des puits artésiens, des puits, des sources, des geysers, ainsi que les eaux de surface, contiennent une variété de sels minéraux dont la composition dépend de la nature des roches à travers lesquelles s'infiltrent les eaux atmosphériques et de surface. Mais contrairement aux eaux de surface, en raison de la grande capacité de filtration des sols et des roches, les eaux souterraines ne contiennent pas d'impuretés organiques ni de contamination bactérienne.
L'approvisionnement en eau potable de la Russie provient principalement des eaux souterraines.
Dans la région de Belgorod, les eaux souterraines sont principalement utilisées comme source d'approvisionnement en eau, en règle générale sur la base des aquifères Turonien-Maastrichtien et Albien-Cénomanien. Une petite partie des agglomérations rurales utilise l'eau des aquifères du Quaternaire et du Paléogène (puits miniers).
Selon le Comité des ressources naturelles de la région de Belgorod, les ressources opérationnelles totales prévues en eaux souterraines sont d'environ 6 millions de m3/jour.
Actuellement, 55 gisements d'eau souterraine douce avec des réserves opérationnelles totales de 1 373,7 milliers de m3/jour ont été explorés dans la région pour l'approvisionnement en eau domestique, potable, industrielle, technique et agricole. Sur les 55 gisements explorés, seuls 27 sont actuellement exploités.
La consommation moyenne totale d'eau domestique et d'eau potable par habitant de la région est de 267 l/jour, la consommation moyenne d'eau par habitant urbain est de 305 l/jour et pour les résidents ruraux d'environ 210 l/jour.
Notre région dispose de peu de ressources en eaux de surface. Les petites rivières et ruisseaux prédominent, et seules 14 rivières ont une longueur de 50 à 200 km.
Ces dernières années, des développements ont été intensivement réalisés pour l'exploration, l'extraction et la mise en bouteille d'eaux minérales (Mayskaya, Holy Source, etc.). Les eaux contenant du radon sont utilisées à des fins médicinales (districts de Borisov, Chernyansky).
Toutes les impuretés contenues dans l'eau peuvent être divisées en fonction de leur état physique et chimique dans l'eau, notamment leur dispersité. Dans le tableau 2.1. Un système de classification des impuretés de l'eau est donné.
Tableau 2.1. Classification des impuretés de l'eau
caractéristique
Systèmes hétérogènes
Systèmes homogènes
Groupe III
Caractéristiques physico-chimiques
Suspensions (suspensions, émulsions)
Sols et composés de haut poids moléculaire
Substances moléculairement solubles
Substances qui se dissocient en ions
Tailles des particules, cm
Le premier groupe comprend les impuretés insolubles dans l'eau dont la taille des particules est supérieure à 10 à 4 cm, formant ce qu'on appelle des suspensions. Ce sont des substances argileuses, des carbonates, du gypse, du limon, du sable fin, des hydroxydes métalliques, certaines substances organiques, du plancton. Ceux-ci peuvent inclure des bactéries, des micro-organismes à spores et des virus. Il peut y avoir des substances radioactives et toxiques à la surface des particules en suspension. Les systèmes du premier groupe sont instables.
Le deuxième groupe d'impuretés est constitué de substances qui sont à l'état dispersé colloïdal (colloïdes hydrophiles et hydrophobes).
Il s'agit de particules minérales et organominérales de sols et de sols, de substances humiques (qui donnent la couleur de l'eau), de virus, de bactéries, de substances organiques de haut poids moléculaire avec une granulométrie de 10-5 à 10-6 cm.
Le troisième groupe d'impuretés de l'eau comprend les gaz solubles et les substances organiques d'origine biologique et technologique. Ces substances peuvent donner à l’eau des couleurs, des goûts et des odeurs différents. Certaines impuretés sont hautement toxiques.
Le quatrième groupe d'impuretés comprend les substances qui forment des ions lorsqu'elles sont dissociées dans l'eau.
En fonction de la présence de certaines impuretés dans l'eau, diverses méthodes de purification sont utilisées.
La qualité d'eau
La qualité de l'eau est évaluée par les indicateurs suivants : transparence, couleur, odeur, dureté, oxydabilité, réaction de l'eau, teneur totale en sel.
La transparence de l'eau est mesurée par l'épaisseur de la couche d'eau à travers laquelle l'image d'un réticule ou d'une certaine police peut être distinguée visuellement ou à l'aide d'une cellule photoélectrique. La transparence dépend de la présence de suspensions grossières et de particules colloïdales dans l'eau. Ces impuretés obstruent les canalisations, forment des bouchons, les particules colloïdales obstruent les diaphragmes des dispositifs de transmission, provoquent du moussage de l'eau et du transfert d'eau dans les chaudières et appareils.
La dureté de l'eau est classée comme temporaire (en raison de la présence de bicarbonates de sodium, de magnésium, de calcium qui, une fois bouillis, se transforment en carbonates insolubles qui précipitent sous la forme d'un sédiment dense - tartre). La dureté constante est due à la présence de chlorures et de sulfates de magnésium et de calcium dans l'eau, qui ne sont pas éliminés de l'eau par ébullition. La dureté est exprimée en équivalents milligrammes d'ions calcium ou magnésium pour 1 litre d'eau. La dureté est de 1 mEq si 1 litre contient 20,04 mg d'ions calcium ou 12,16 mg d'ions magnésium.
La dureté est une caractéristique très importante de l'eau. Lorsque l’eau dure est chauffée, du tartre se forme. Selon sa composition chimique, le tartre est un mélange de diverses substances : gypse, carbonates, silicates de calcium, phosphore, aluminium, etc. Il a une faible conductivité thermique. Par conséquent, plus la couche de tartre est élevée, plus la productivité et l'efficacité des chaudières à vapeur et des échangeurs de chaleur sont faibles (dans les chaudières avec 1 mm de tartre, la consommation de combustible augmente de 5 %). De plus, dans ce cas, l'oxydation de l'acier se produit, la chaudière grille, des accidents et même des explosions se produisent. L’eau dure ne convient pas à l’électrolyse, à l’industrie textile, à l’industrie alimentaire, etc.
L'oxydabilité de l'eau est due à la présence de substances organiques, de composés de fer et de sulfure d'hydrogène facilement oxydables, qui peuvent être oxydés par divers agents oxydants. La composition de ces impuretés étant incertaine, l'oxydabilité de l'eau s'exprime en quantité de permanganate de potassium ou en quantité équivalente d'oxygène dépensée pour l'oxydation de 1 litre d'eau, soit en mg/l.
Le degré d'acidité de l'eau est déterminé par l'indice de pH. Si pH = 6,5 – 7,5, l’eau est neutre ; si pH< 6,5 – вода считается кислой; если рН >7,5 - alcalin.
Selon leurs caractéristiques, les eaux naturelles sont proches de la neutralité. Toutefois, sauf exceptions, l’eau naturelle ne peut être utilisée sans préparation préalable. Ceci est particulièrement important pour l’eau potable.
Eau potable et industrielle
Selon sa destination et son utilisation, l'eau est divisée en eau potable et technique ; leur qualité est déterminée par GOST.
L'eau potable - des exigences particulières lui sont imposées - en plus de la couleur, de l'odeur, du goût, la contamination bactérienne est importante. Dans 1 millilitre d'eau, il ne doit pas y avoir plus de 100 bactéries et, par exemple, pas plus de 3 E. coli, les sels ne doivent pas dépasser 1 000 mg/l.
Très souvent, non seulement les eaux souterraines, mais aussi les eaux de surface sont utilisées à des fins de boisson, de sorte que toutes deux sont soumises à différents degrés de purification dans les usines ou installations de traitement de l'eau. Sur la figure 2.2. L'invention concerne un système de purification des eaux de surface utilisées comme eau potable. Si la prise d'eau s'effectue directement à partir du réservoir (1), alors l'eau pénètre dans le puisard brut (2) par gravité à travers un filet de sécurité, qui empêche les gros objets, poissons, etc.
Riz. 2.2. Schéma des installations de traitement des eaux de surface :
1- étang ; 2- décanteur brut ; 3 – coagulateur ; 4 – décanteur ; 5 – ouvrir les filtres ; 6- système de désinfection ; 7 – système de distribution d'eau.
L'eau se dépose dans le puisard. Cependant, les matières légères en suspension se déposent lentement et les particules colloïdales (argile, acides siliciques, acides humiques) ne sont pas séparées par la méthode de précipitation, de sorte que l'eau est pompée dans le mélangeur coagulateur (3), dans lequel la solution électrolytique Al2SO4, FeSO4 ou autre les coagulants sont fournis simultanément.
La coagulation est le processus de séparation de systèmes hétérogènes.
Sous une forme simplifiée, cela ressemble à ceci : un électrolyte à l’état très dilué s’hydrolyse pour former des particules chargées positivement. À leur tour, ils sont adsorbés à la surface des particules colloïdales chargées négativement et neutralisent leurs charges. Cela amène les particules à se coller les unes aux autres et à devenir plus grosses et plus sensibles à la sédimentation. Les flocons de particules solides formés lors du processus de coagulation se collent avec une suspension légère, adsorbent les colorants organiques en surface et clarifient ainsi l'eau (consommation de coagulant 120 g/m3 au printemps, 70 en été et 20 en hiver). Pour intensifier le processus de coagulation, des réactifs supplémentaires sont utilisés - floculants - acide silicique, carboxyméthylcellulose, etc. Du mélangeur, l'eau s'écoule dans le décanteur (4), où la coagulation s'achève : les grosses particules précipitent. Un décanteur est un grand réservoir en béton fonctionnant en continu et doté d'un système de cloisons qui augmente le temps de séjour de l'eau dans le décanteur. Ensuite, l'eau est introduite dans des filtres ouverts (5), ici elle est filtrée sous pression (la hauteur de la colonne d'eau est de 2 m, la vitesse de passage de l'eau est de 1 m/heure, le matériau filtrant est du sable de quartz avec une couche de jusqu'à 1 m, le diamètre des particules va jusqu'à 1 mm, le gravier est au fond ). La majeure partie des contaminants se dépose à la surface du sable, créant un film filtrant. Les stations ont plusieurs filtres, car... ils sont nettoyés périodiquement.
L'eau clarifiée entre ensuite dans l'appareil (6) de désinfection, où est effectuée la chloration. Pour éliminer l'odeur de chlore, ajoutez de l'ammoniaque ou du sulfate de sodium. Le taux de résidus de chlore est de 0,2 à 0,4 mg/l. Récemment, l'ozonation et d'autres méthodes ont été utilisées pour la désinfection.
Après désinfection, l'eau entre dans le système de distribution d'eau (7) puis vers le consommateur.
L'eau industrielle peut être nutritive (utilisée à des fins technologiques) et recyclée (après utilisation, elle est refroidie et réintroduite dans le cycle de production).
La quantité d'impuretés dans l'eau industrielle ne doit pas dépasser certaines normes établies en fonction de la destination de l'eau. Par exemple, l'eau des chaudières à vapeur ne doit pas contenir de monoxyde de carbone, il doit y avoir peu d'oxygène ; Pour la production de semi-conducteurs et de phosphores, il faut généralement un degré élevé de purification de l’eau. Pour les eaux industrielles, la contamination bactérienne n'a pas d'importance (sauf pour les industries agroalimentaire et pharmaceutique, certaines technologies chimiques).
Ainsi, il est évident que les eaux industrielles doivent également faire l’objet d’un traitement approprié.
Les principales méthodes de purification de l'eau industrielle comprennent : la coagulation, la sédimentation, la filtration (c'est la même chose que pour l'eau potable), ainsi que l'adoucissement, le dessalage, la distillation et la désaération. Le schéma du traitement des eaux industrielles est présenté sur la Fig. 2.3.
La clarification de l'eau est obtenue en la décantant puis en la filtrant à travers un matériau granulaire de dispersion variable. Pour coaguler les impuretés colloïdales et absorber les substances colorées contenues dans l'eau, des électrolytes sont ajoutés - sulfates d'aluminium et de fer.
Le dessalage consiste à éliminer les cations de l'eau qui forment de la mousse et du tartre Ca2+, Mg2+. Pour ce faire, l'eau passe à travers des filtres spéciaux avec échangeur de cations H et échangeur d'anions OH. Il est également possible d'avoir recours à la distillation ou à la congélation.
Des méthodes physiques, chimiques et physico-chimiques sont utilisées pour adoucir l'eau. Les méthodes physiques comprennent l'ébullition, la distillation et la congélation. Les méthodes chimiques consistent à utiliser des réactifs spéciaux qui lient les ions magnésium et calcium en composés insolubles ou facilement éliminables (chaux éteinte, soude, soude caustique, etc.).
Riz. 2. 3. Schéma de traitement des eaux industrielles.
Actuellement, la principale est la méthode physico-chimique, basée sur la capacité de certains matériaux synthétiques insolubles à échanger leurs ions contre des ions présents dans l'eau (échangeurs de cations, échangeurs d'anions). L'échange s'effectue dans des échangeurs d'ions (filtres à grande vitesse).
L'adoucissement de l'eau réduit fortement le taux de formation de tartre, mais ne l'empêche pas, c'est pourquoi des agents anticalcaires sont ajoutés à l'eau : phosphate de sodium hexamétaphosphate Na2PO4, (NaPO3)6. Ils forment des impuretés insolubles dans l'eau et, après un traitement approprié à l'aide de tanins (par exemple l'amidon), transforment le tartre en un sédiment meuble qui s'élimine facilement. Pour éviter la formation de tartre, une méthode magnétique de purification de l'eau est également utilisée.
Désaération (dégazage). L'élimination des gaz dissous de l'eau peut être effectuée par des méthodes physiques : l'ébullition, qui élimine l'oxygène et le monoxyde de carbone ; chauffer sous vide. La méthode chimique consiste à ajouter à l'eau des réactifs chimiques qui lient l'oxygène et le monoxyde de carbone (sulfate de sodium, hydrazine (N2H4), ou à utiliser des filtres en fonte, dans lesquels, lorsque l'oxygène se combine avec le fer, il se forme de l'oxyde de fer, qui est éliminé par laver le filtre.
Il convient de noter que le traitement de l’eau affecte le coût de production. Par exemple, la filtration de l'eau augmente son coût de 2,5 fois, l'adoucissement partiel de 8 fois et le dessalage et l'adoucissement de 10 à 12 fois.
Eaux usées. Méthodes de nettoyage
La quantité d’eaux usées augmente et l’humanité est confrontée au problème de l’épuisement de l’eau douce.
Les principales sources de pollution des rivières de la région de Belgorod sont les eaux usées provenant des colonies, des entreprises industrielles, des complexes d'élevage et des champs agricoles. Il faut garder à l'esprit que la majorité des eaux usées après traitement ne répondent pas aux normes environnementales pour un certain nombre d'indicateurs. Toutes les rivières de la région de Belgorod sont sensibles à un degré ou à un autre à la pollution anthropique. Les polluants de l’eau les plus courants sont les produits pétroliers, l’azote ammoniacal, les phénols et les substances organiques. Pour certains d’entre eux, les concentrations maximales admissibles (MPC) sont dépassées. La classe de qualité de l'eau 3 (modérément polluée) prédomine dans la région.
Une nouvelle approche du problème de l’eau douce est donc nécessaire. Premièrement, l'eau douce doit être utilisée au minimum, en particulier dans les usines chimiques, et deuxièmement, des systèmes fermés et sans drain doivent être introduits. La tâche de réduction de la consommation d'eau est actuellement résolue dans 3 directions :
Ø utilisation d'approvisionnement en eau recyclée ;
Ø remplacement du refroidissement par eau par un refroidissement par air ;
Ø traitement et réutilisation des eaux usées.
Les eaux usées contiennent des impuretés organiques et inorganiques et des bactéries pathogènes.
La pollution chimique est une modification des propriétés chimiques naturelles de l'eau due à une augmentation de la teneur en impuretés nocives, à la fois inorganiques (sels minéraux, acides, alcalis, particules d'argile) et organiques (huile, produits pétroliers, résidus organiques, tensioactifs). , pesticides) .
De plus, il convient de garder à l'esprit que chaque production possède son propre ensemble de substances dont les eaux usées doivent être purifiées. Par conséquent, le traitement des eaux usées est un processus très complexe, qui se déroule souvent en plusieurs étapes, ou diverses méthodes de traitement sont utilisées.
Les méthodes existantes de purification de l’eau peuvent être divisées comme suit :
1. méthodes physiques (y compris mécaniques) de purification de l'eau.
2. méthodes chimiques de purification de l'eau.
3. méthodes physiques et chimiques de purification de l'eau.
4. méthodes biologiques de purification de l'eau.
Les méthodes physiques comprennent des méthodes basées sur l'impact sur le système d'eau lors de divers processus technologiques : champs magnétiques, électriques, ultrasons, exposition aux rayonnements, etc. Parmi les méthodes physiques, les méthodes mécaniques se distinguent.
Les méthodes mécaniques de purification de l'eau éliminent jusqu'à 60 % des impuretés insolubles des eaux domestiques et 95 % des eaux techniques. Il s'agit de méthodes de sédimentation, de centrifugation et d'élimination mécanique des produits pétroliers qui flottent à la surface de l'eau.
Pour le traitement mécanique des eaux usées, des dessableurs, des bassins de décantation, des pièges à hydrocarbures et des bassins de décantation de différentes conceptions sont utilisés.
Les pièges à sable sont conçus pour séparer les impuretés mécaniques d'une granulométrie supérieure à 250 microns. La nécessité d'une séparation préalable des impuretés mécaniques (sable, tartre, etc.) est déterminée par le fait qu'en l'absence de dessableurs, ces impuretés sont rejetées dans d'autres installations de traitement, compliquant le fonctionnement de ces dernières.
Le principe de fonctionnement du dessableur est basé sur la modification de la vitesse de déplacement des particules solides et lourdes dans un flux liquide.
Les décanteurs statiques sont utilisés par les entreprises de transport pétrolier (dépôts pétroliers, stations de pompage de pétrole). A cet effet, on utilise généralement des réservoirs standards en acier ou en béton armé, qui peuvent fonctionner en mode réservoir de stockage, décanteur ou réservoir tampon, selon le schéma technologique de traitement des eaux usées. Dans ces réservoirs, jusqu'à 90 à 95 % des composants facilement séparables sont séparés. Pour ce faire, deux ou plusieurs réservoirs tampons sont installés dans le circuit de la station d'épuration, qui fonctionnent périodiquement : remplissage, décantation, pompage. La décantation de l'eau dans les réservoirs verticaux peut se produire en modes dynamique et statique.
Une caractéristique distinctive des bassins de décantation dynamiques est la séparation des impuretés présentes dans l’eau lors du mouvement du liquide.
Dans les décanteurs dynamiques ou les décanteurs continus, le liquide se déplace dans une direction horizontale ou verticale, c'est pourquoi les décanteurs sont divisés en verticaux et horizontaux.
Un bassin de décantation horizontal est un réservoir rectangulaire (en plan) de 1,5 à 4 m de haut, 3 à 6 m de large et jusqu'à 50 m de long. Les sédiments tombés au fond sont déplacés vers le récepteur à l'aide de grattoirs spéciaux, puis éliminés. du décanteur à l'aide d'un élévateur hydraulique, de pompes ou d'autres dispositifs . Les impuretés flottantes sont éliminées à l'aide de grattoirs et de plateaux transversaux installés à un certain niveau.
En fonction du produit capté, les décanteurs horizontaux sont divisés en dessableurs, pièges à hydrocarbures, pièges à fioul, pièges à essence, bacs à graisse, etc.
Un décanteur vertical est un réservoir cylindrique ou carré (en plan) avec un fond conique pour faciliter la collecte et le pompage des sédiments décantés. Le mouvement de l'eau dans un décanteur vertical s'effectue de bas en haut (pour les particules décantées).
Différents types de filtres sont utilisés dans le processus de nettoyage mécanique. La filtration est désormais de plus en plus utilisée, à mesure que les exigences en matière de qualité de l'eau purifiée augmentent. La filtration est utilisée après le traitement des eaux usées dans des bassins de décantation et le traitement biologique. Le procédé est basé sur l'adhésion de particules grossières, notamment de pétrole et de produits pétroliers, à la surface du matériau filtrant. Les filtres peuvent être en tissu, en maille ou granulaires. Les filtres à film purifient l'eau au niveau moléculaire.
Pour les microfiltres, on utilise un micro-maille en nylon ou un micro-maille en fibre de verre, laiton, nickel, acier inoxydable, bronze phosphoreux et nylon. Tailles de cellules de 20 à 70 microns.
Récemment, le procédé de séparation utilisant des tamis moléculaires a été largement utilisé. La méthode membranaire est considérée comme la plus prometteuse pour le nettoyage fin. Cette méthode se caractérise par une grande clarté de séparation des mélanges de substances.
Les membranes ont la propriété de semi-perméabilité - elles retiennent non seulement les substances en suspension dans l'eau, mais également celles dissoutes.
La méthode membranaire est utilisée pour le traitement de l'eau et des solutions aqueuses, le traitement des eaux usées, la purification et la concentration des solutions. Cette méthode est particulièrement efficace pour dessaler l’eau (jusqu’à 98 % du sel est retenu).
La différence fondamentale entre la méthode membranaire et les techniques de filtration traditionnelles réside dans la séparation des produits dans le flux, c'est-à-dire séparation sans sédimentation sur le matériau filtrant, qui obstrue progressivement la surface poreuse de travail du filtre.
Les principales exigences des membranes semi-perméables sont : une capacité de séparation élevée (sélectivité) ; productivité spécifique élevée (perméabilité); résistance chimique à l'environnement du système séparé ; cohérence des caractéristiques pendant le fonctionnement ; une résistance mécanique suffisante pour répondre aux conditions de pose, de transport et de stockage des membranes ; faible coût.
Pour la séparation ou la purification de certains produits non résistants à la chaleur, le recours à la méthode membranaire est déterminant, puisque cette méthode opère à température ambiante.
Dans le même temps, la méthode membranaire présente un inconvénient : l'accumulation de produits séparés à proximité de la surface de travail de séparation. Pour lutter contre ce phénomène, une turbulisation de la couche liquide adjacente à la surface de la membrane est réalisée afin d'accélérer le transfert de la substance dissoute.
Différents matériaux sont utilisés pour les membranes, et la différence dans la technologie de fabrication des membranes permet d'obtenir des membranes de structure et de conception différentes, utilisées dans différents types de processus de séparation.
En fonction des fluides séparés et des exigences en matière de qualité de séparation et des conditions technologiques de fonctionnement, différentes membranes sont utilisées. Ils peuvent être plats (rubans jusqu'à 1 m de large), tubulaires (diamètre de 0,5 à 25 mm), de structure différente - poreux, non poreux, anisotrope, isotrope, étanche, etc. Les membranes sont constituées de verre, de feuilles métalliques, de polymères - acétate de cellulose, polyamides, polyvinyles, etc. Les membranes en acétate de cellulose sont les moins chères. Pour augmenter la résistance mécanique, les membranes ont une base en tissu. Au milieu des années 1980, des membranes composites hautes performances sont devenues disponibles, élargissant ainsi leur utilisation.
Lors de l'utilisation de membranes, l'eau ne doit pas être acide au-dessus d'un pH ~ 4 et la température ne doit pas dépasser 35 degrés.
Les méthodes physiques incluent la méthode électrolytique. Dans cette méthode, un courant électrique traverse les eaux usées industrielles, ce qui provoque la précipitation de la plupart des polluants. Cette méthode est très efficace et nécessite des coûts relativement faibles pour la construction de stations d'épuration.
Méthode magnétique de purification de l'eau. Suggéré par Vermaeren pour éviter le tartre. L'essence de la méthode est que l'eau passait à travers des activateurs magnétiques (aimants en forme de C, dans l'espace de travail desquels est placée une colonne échangeuse d'ions). Le champ magnétique intensifie l'échange d'ions, c'est-à-dire corrige le métabolisme du sel et aide à réduire la formation de tartre.
Le traitement magnétique des systèmes d'eau accélère tout d'abord le processus de cristallisation des impuretés et réduit ainsi la quantité de tartre sur les parois. Avec le traitement magnétique, le processus de clarification de l'eau se produit plutôt.
Le traitement biologique de l'eau consiste en la minéralisation des polluants organiques présents dans les eaux usées à l'aide de processus biochimiques aérobies. Grâce au traitement biologique, l’eau devient claire, ne pourrit pas et contient de l’oxygène et des nitrates dissous.
Le traitement biologique des eaux usées dans des conditions naturelles est souvent effectué sur des zones spécialement préparées - champs d'irrigation ou champs de filtration. Dans les champs d’irrigation, les cultures ou les herbes sont cultivées simultanément à la purification de l’eau. Les champs de filtration sont destinés uniquement au traitement biologique des déchets liquides. Sur les parcelles affectées aux champs d'irrigation et de filtration, un réseau d'irrigation de canaux principaux et de distribution à travers lesquels les eaux usées sont distribuées est prévu. L'élimination des contaminants se fait grâce au processus de filtration de l'eau à travers le sol. Une couche de terre de 80 cm permet un nettoyage assez fiable.
Les étangs biologiques sont utilisés pour le traitement biologique des eaux usées dans des conditions naturelles. Ce sont des réservoirs en terre peu profonds de 0,5 à 1 m de profondeur, dans lesquels se déroulent les mêmes processus que lors de l'auto-épuration des réservoirs. Les étangs biologiques fonctionnent à une température d'au moins 60 °C et ne dépassant pas 200 °C et avec une acidité de l'eau comprise entre 6,5 et 8,2. Les étangs sont généralement disposés sous la forme de 4 à 5 sections sur une zone en pente. Ils sont disposés en gradins de manière à ce que l'eau du bassin supérieur s'écoule par gravité vers celui du dessous.
Le traitement biologique des eaux usées dans des conditions artificielles est effectué dans des structures spéciales - biofiltres ou bassins d'aération.
Les biofiltres sont des structures dans lesquelles le traitement biologique des eaux usées est effectué en les filtrant à travers une couche de matériau grossier. La surface des grains est recouverte d'un film biologique peuplé de micro-organismes aérobies. L'essence du traitement biologique des eaux usées dans les biofiltres ne diffère pas du processus de purification dans les champs d'irrigation ou les champs de filtration, cependant, l'oxydation biochimique se produit beaucoup plus intensément.
Les Aerotanks sont des réservoirs en béton armé à travers lesquels s'écoulent lentement les eaux usées aérées mélangées à des boues activées.
Les boues activées ressemblent à des flocons bruns. Il est constitué principalement de cellules bactériennes. Une variété d'organismes protozoaires se trouvent généralement à la surface des flocons, entre eux ou à l'intérieur d'eux.
La source de nutrition des organismes des boues activées est la pollution des eaux usées. Les substances contenues dans les déchets liquides sont absorbées par la surface des boues activées. Une fois que les boues entrent en contact avec les eaux usées, la concentration de substances organiques est réduite de plus de moitié. Les substances organiques dissoutes sont transportées par les enzymes - elles pénètrent à l'intérieur des cellules bactériennes, où elles subissent destruction et restructuration.
Les substances en suspension entrant dans le bassin d'aération sont également absorbées par la surface des boues activées. En partie, avec les bactéries, ils servent de nourriture aux protozoaires et en partie, sous l'influence d'enzymes bactériennes, ils sont convertis en substances dissoutes et absorbées par la microflore.
Les Aerotanks offrent un haut degré de purification des eaux usées, peuvent être utilisés dans toutes les conditions climatiques et ne nécessitent pas de grandes surfaces. Les installations de traitement de Belgorod utilisent des bassins d'aération pour le traitement des eaux usées.
Une nouvelle modification du réservoir d'aération est le biotank. Sa particularité réside dans les plaques de film installées à l'intérieur du bassin d'aération, qui participent également au processus de nettoyage.
Le processus de traitement biologique ne permet pas d’éliminer complètement toutes les bactéries, y compris les bactéries pathogènes, des eaux usées. Ainsi, après le traitement biologique de l’eau, les eaux usées sont désinfectées avant d’être rejetées dans le réservoir. Ceci est réalisé par chloration, rayons ultraviolets, électrolyse, ozonation ou ultrasons.
Pour traiter et neutraliser les boues générées dans les stations d'épuration, des méthodes et des structures particulières sont utilisées : fosses putréfiantes (fosses septiques), décanteurs à deux niveaux et réservoirs de méthane.
Pour déshydrater les boues digérées, elles sont envoyées dans des lits de boues, où elles sont soumises à un séchage naturel. Après quoi, il peut être éliminé comme engrais organique. La déshydratation des boues peut également être réalisée artificiellement à l'aide de filtres à vide, de presses à vide, de centrifugeuses, mais également par séchage thermique.
Il convient de noter que toutes les eaux usées ne doivent pas être soumises à un traitement biologique. S'ils ne contiennent pas de substances organiques ou si leur quantité est faible, le traitement biologique n'est pas effectué.
Méthodes chimiques et physico-chimiques de purification de l'eau. L'essence de la méthode chimique est que des réactifs - des coagulants - sont introduits dans les eaux usées des stations d'épuration. Ils réagissent avec les polluants dissous et non dissous et contribuent à leur précipitation, d'où ils sont éliminés mécaniquement. La méthode chimique a fait ses preuves particulièrement bien dans l’épuration de l’eau lors des inondations.
Mais cette méthode est inadaptée au traitement des eaux usées contenant un grand nombre de contaminants différents. Étant donné que presque toutes les industries ont leurs propres eaux usées, le traitement est effectué à l'aide de certains coagulants. Par exemple, l’oxydation au chlore est utilisée pour purifier l’eau des ateliers de galvanoplastie (principalement le cyanure). Mais après cela, une purification supplémentaire de l'eau est presque toujours nécessaire.
La méthode chimique consiste à ajouter des coagulants à l'eau traitée - sels d'hydrolyse avec cations hydrolysants, dissolution anodique des métaux, ou simplement modifier l'acidité de l'eau (diminution du pH), si l'eau traitée contient déjà des quantités suffisantes de cations pouvant se former. composés peu solubles lors de l'hydrolyse.
Actuellement, les sels d'aluminium et de fer ou leurs mélanges (sulfate d'aluminium, aluminate de sodium, polychlorure d'aluminium, alun de potassium ou d'ammoniaque, acide silicique) sont utilisés comme coagulants.
Pour accélérer le processus de coagulation et intensifier le fonctionnement des installations de traitement, les floculants sont largement utilisés : polyacrylamide (PAA), acide silicique activé anionique, argile, cendre, laitier ferrochrome, etc.
Le traitement de l'eau à l'aide de coagulants est connu depuis longtemps, mais cette méthode a commencé à être activement utilisée relativement récemment. Cela est dû au fait que, premièrement, le critère d'évaluation de la fiabilité sanitaire était les indicateurs biologiques. Deuxièmement, cette méthode nécessite une dose importante de coagulants, la nécessité pour chaque cas de purifier son propre dosage et son propre coagulant, le coût élevé des coagulants, ainsi que de mauvaises conditions de séparation des sédiments coagulants, etc.
Mais actuellement, les calculs de dosage sont effectués automatiquement sur la base des indicateurs de qualité des eaux usées. La consommation élevée de coagulants peut actuellement être compensée par l'utilisation de déchets industriels bon marché et de coagulants de haut poids moléculaire.
Dans le cas d'eaux usées huileuses et contenant de l'huile après les pièges à huile, l'utilisation de coagulants réduit la concentration d'impuretés d'huile de 2 à 3 fois. FeSO4 et Ca(OH)2 sont considérés comme les meilleurs coagulants.
Dans le cas où l'eau contient des colorants et des tanins, l'utilisation de coagulants tels que FeSO4, Al2 (SO4)3 purifie l'eau de 80 à 90 %.
L'avantage des méthodes de nettoyage utilisant des coagulants par rapport aux méthodes biologiques est la réduction du temps de nettoyage ; superficie plus petite des installations de traitement, élimination presque complète des phosphates et des oligo-éléments ; léger changement de pH; indépendance vis-à-vis des substances toxiques; Grandes possibilités d’automatisation de la production.
Mais en même temps, un inconvénient important est l'augmentation du volume des sédiments (sans coagulants, les sédiments représentent 0,4 à 0,6 % du volume du liquide traité, et avec lui jusqu'à 2,5 %).
Il convient également de noter que la méthode chimique est moins efficace pour traiter les eaux domestiques et usées contenant des composés organiques.
La méthode d'électrocoagulation est plus progressiste - une méthode de purification de l'eau par électrolyse avec des électrodes solubles.
Lors de la purification de l'eau à l'aide de coagulants, les ultrasons sont souvent utilisés. Il détruit les grosses particules, tout en détruisant certaines bactéries, le zooplancton et les algues.
Le processus de purification peut être intensifié à l'aide de rayons X bêta, gamma, de champs électriques et magnétiques - cela améliore également la qualité de l'eau, réduit le coût des coagulants et, par conséquent, réduit le coût de l'eau purifiée.
Les méthodes chimiques comprennent l'extraction, l'élimination des contaminants de l'eau à l'aide d'un autre liquide. Pour l'extraction, on choisit un liquide qui ne se mélange pas à l'eau, dans lequel la substance polluant l'eau se dissout mieux que dans l'eau.
Des liquides organiques sont utilisés comme extracteurs : benzène, huiles minérales, tétrachlorure de carbone, sulfure de carbone, etc. Le processus lui-même est réalisé dans des appareils appelés extracteurs. Les inconvénients de cette méthode incluent la solubilité de l'agent d'extraction dans l'eau et la destruction incomplète de l'émulsion.
Le traitement des eaux usées par adsorption repose sur le fait que les substances qui y sont dissoutes sont adsorbées à la surface de l'adsorbant. L'adsorption fait référence aux méthodes de nettoyage physiques et chimiques. Les cendres, la tourbe, le kaolin, la brise de coke, le charbon actif, etc. sont utilisés comme absorbants.
Dans certains cas, il est possible d’éliminer la quasi-totalité des contaminants de l’eau. Si la substance adsorbante est de faible valeur et que le coût de l'adsorbant est faible (sciure de bois, tourbe, scories, etc.), alors après nettoyage, l'adsorbant est jeté avec la substance adsorbée. Si le polluant et l'adsorbant ont une certaine valeur, alors l'adsorbant est régénéré par distillation directe de la substance adsorbée ou par extraction avec un solvant. Souvent, il n'est pas possible de régénérer complètement l'adsorbant, car il entre en réaction chimique avec la substance adsorbée.
Il est à noter que les règles de rejet des eaux usées dans les plans d'eau n'autorisent pas le rejet d'eaux usées acides et alcalines, car elles détruisent la microflore des plans d'eau. Il est nécessaire de neutraliser ces eaux usées avant de les rejeter dans le réservoir. Lors du calcul des unités de neutralisation, seule la concentration d'acides et de bases libres est prise en compte.
Lors de la neutralisation des eaux acides, on utilise de la chaux, du calcaire, du marbre, de la dolomite et de la dolomite brûlée ; les eaux alcalines sont neutralisées avec de l'acide sulfurique technique. Lors de la neutralisation des eaux usées, il convient de prendre en compte la capacité naturelle de neutralisation du réservoir. Seule la quantité d'acide qui ne peut pas y être neutralisée doit être soumise à une neutralisation artificielle.
Pour neutraliser les eaux usées, ils ont recours à une filtration par mutation sur craie, marbre, dolomite ou dolomite brûlée, connue sous le nom de « magnomasse ».
De tous les matériaux répertoriés, le plus pratique est le magnésium, et sa partie la plus importante est l'oxyde de magnésium, qui présente de nombreux avantages par rapport aux carbonates et à l'oxyde de calcium : a) l'oxyde de magnésium est insoluble dans l'eau et ne se dissout donc pas dans le absence d'acides; b) lorsqu'il neutralise des acides forts, la formation de dioxyde de carbone ne se produit pas et, par conséquent, la dureté carbonatée n'augmente pas dans l'eau neutralisée ; c) le taux de neutralisation avec l'oxyde de magnésium est plus élevé qu'avec les carbonates.
Pour la neutralisation, une neutralisation mutuelle des eaux usées doit également être utilisée. Lorsqu'il y a des eaux usées acides et alcalines en production, il est rationnel de les neutraliser par mélange. La quantité d'alcalinité et d'acidité libres dans l'effluent est déterminée par analyse.
Dans les cas où il est nécessaire d'extraire des substances précieuses des eaux usées, la méthode de flottation est utilisée, qui est une méthode physique et chimique.
Elle est basée sur la mouillabilité différente des particules d'un mélange de substances hydrophobes (non mouillables) et hydrophiles (mouillables). En pratique, on utilise le procédé de mousse-flottation, qui consiste à souffler de l'air par le bas à travers le liquide contenant la substance à faire flotter. Les bulles d'air adsorbent les particules de la substance extraite (hydrophobe) à leur surface et les transportent à la surface de l'eau.
Pour renforcer l'effet de flottation, des tensioactifs sont ajoutés à l'eau (huile, fioul, résines, kérosène, acides gras de haut poids moléculaire, mercaptans, xanthates, etc.), qui abaissent la tension superficielle du liquide, affaiblissant la liaison de l'eau avec le solide.
Le processus de flottation est également renforcé par l'introduction d'agents moussants dans le liquide (pyridine lourde, créosol, phénols, détergents synthétiques, etc.), qui réduisent également la tension superficielle du liquide et augmentent la dispersion des bulles et leur stabilité.
Après purification, l'eau est soumise à un traitement complémentaire utilisant du chlore, du charbon actif, du permanganate de potassium, de l'ammoniac, etc.
La désinfection de l’eau est un élément essentiel du processus de préparation de l’eau potable et, parfois, de l’eau industrielle. Après traitement des eaux usées, il est souvent nécessaire de les désinfecter avant de les réutiliser.
Pour la désinfection, on utilise du chlore, de l'ozone, de l'iode, du permanganate de potassium, du peroxyde d'hydrogène, de l'hypochlorure de sodium et de calcium.
L'une des méthodes de désinfection est la méthode utilisant des agents oxydants chimiques. Ce sont des chloramines ou du chlore combiné et du chlore moléculaire, l'acide hypochlorique est du chlore libre. L’effet bactéricide du chlore libre est 20 à 25 fois plus puissant. Lors de la chloration, il est nécessaire d'agiter, puis de contacter l'eau pendant au moins 30 minutes (avec chloration et ammoniation combinées 60 minutes) avant que l'eau n'atteigne le consommateur.
La chloration est réalisée à l'aide d'appareils - chlorateurs. L'activité bactéricide du chlore diminuant avec l'augmentation du pH, la désinfection est effectuée avant d'introduire certains réactifs dans l'eau. Les bactéries présentes dans l'eau meurent sous l'influence du chlore et de ses dérivés. Le chlore est également utilisé pour décolorer l’eau. Pour éliminer l'odeur de chlore, de l'ammoniaque est ajoutée à l'eau.
Le premier traitement de grandes quantités d'eau au chlore a été utilisé en Allemagne en 1894 par A. Traube, qui utilisait de l'eau de Javel comme réactif.
En Russie, la chloration de grandes quantités d'eau a été pratiquée pour la première fois en 1910 comme mesure obligatoire lors d'une épidémie de choléra à Kronshtadt et de fièvre typhoïde dans le système d'approvisionnement en eau de Nijni Novgorod. Tout d’abord, l’eau a été chlorée avec une solution d’eau de Javel. Les premières expériences sur l'utilisation du chlore gazeux ont été réalisées en 1917 à l'usine hydraulique de Petrograd. Cependant, l’utilisation généralisée du chlore gazeux pour la désinfection de l’eau a commencé dans les années 1928-1930, lorsque le premier appareil de chloration de conception nationale est apparu.
La chloration de l'eau est une mesure permanente effectuée dans les réseaux publics d'approvisionnement en eau et dans les stations de traitement des eaux techniques et usées.
S'il y a du phénol dans l'eau, le chlore ne peut pas être utilisé ; dans ce cas, de l'ammoniaque ou du sulfate d'ammonium est utilisé.
Les stations d'épuration utilisent également des méthodes de désinfection combinées : chloration et manganisation. L'effet bactéricide du chlore est quelque peu renforcé lorsque du permanganate de potassium est ajouté à l'eau traitée ; il est conseillé d'utiliser ce réactif en présence d'odeurs et de goûts désagréables provoqués par la présence de substances organiques, d'algues, d'actinomycètes, etc.
Les méthodes combinées de désinfection de l’eau au chlore-argent et au chlore-cuivre impliquent l’ajout simultané de chlore actif et d’ions argent ou cuivre. L'effet bactéricide des ions argent et chlore dans l'eau froide se situe dans les limites de l'effet total des doses de chlore et d'argent. Étant donné que l'activité bactéricide des ions argent augmente nettement avec l'augmentation de la température, l'effet désinfectant de la méthode au chlore d'argent augmente dans l'eau chaude. Cela contribue au succès de l'utilisation de cette méthode de désinfection de l'eau des piscines, où il est très important de réduire la dose de chlore introduite dans l'eau. Les doses d’argent nécessaires sont généralement administrées sous forme d’« eau d’argent ».
Désinfection de l'eau à l'iode. Cette méthode est utilisée pour désinfecter l’eau des piscines. A cet effet, on utilise une solution saturée d'iode dans l'eau, dont la concentration augmente avec l'augmentation de la température.
L'ozonation est une méthode de désinfection efficace. Avec l'ozonation, le goût de l'eau et les propriétés chimiques ne changent pas, l'effet bactéricide se produit plus rapidement et il n'est pas nécessaire, comme dans le cas du chlore, de conditionner l'eau.
L'ozone est produit par l'action d'une charge électrique sur l'air enrichi en oxygène. Lors du traitement de l’eau, l’ozone se décompose, libérant de l’oxygène atomique.
L'ozonation de l'eau présente de nombreux avantages par rapport à la chloration : l'ozone améliore les propriétés organoleptiques de l'eau et ne la pollue pas davantage avec des produits chimiques ; l'ozonation ne nécessite pas d'opérations supplémentaires pour éliminer l'excès de bactéricide de l'eau purifiée, comme la déchloration au chlore ; cela vous permet d'utiliser des doses accrues d'ozone ; l'ozone est généré localement ; Pour l'obtenir, seule l'électricité est nécessaire ; parmi les réactifs chimiques, seul le gel de silice est utilisé comme adsorbant l'humidité (pour sécher l'air).
L'utilisation généralisée de la méthode d'ozonation est freinée par la difficulté d'obtention de l'ozone, associée à la consommation de grandes quantités d'électricité haute fréquence et à l'utilisation de haute tension.
La lumière ultraviolette, les ultrasons et la fluoration sont également utilisés pour la désinfection, et parfois du fluor est spécialement ajouté à l'eau pour prévenir les caries. Après désinfection, l’eau pénètre dans le château d’eau, qui maintient une pression constante dans l’alimentation en eau.
Le traitement de l'eau à l'ozone est également compliqué par son activité corrosive. L'ozone et ses solutions aqueuses détruisent l'acier, la fonte, le cuivre, le caoutchouc et le caoutchouc dur. Par conséquent, tous les éléments des installations d'ozonation et des canalisations à travers lesquelles ses solutions aqueuses sont transportées doivent être en acier inoxydable ou en aluminium. Dans ces conditions, la durée de vie des installations et canalisations en acier est de 15 à 20 ans et celle en aluminium de 5 à 7 ans.
Les odeurs et les goûts provoqués par la présence de micro-organismes dans l’eau peuvent être éliminés à l’aide de charbon actif, en granulés ou en poudre.
Il existe également une méthode de désinfection thermique, utilisée pour désinfecter de petites quantités d'eau (hôpitaux, sanatoriums, navires, trains). La mort des bactéries se produit en 5 à 10 minutes pendant le processus d'ébullition. La méthode est coûteuse et n’a pas été largement utilisée.
En plus de la désinfection, certaines industries exigent la stérilisation, c'est-à-dire la destruction de tous les organismes vivants présents dans l'eau.
Les progrès technologiques et la prise en compte attentive des conditions hydrologiques locales lors de la planification des complexes de production permettront à l'avenir d'assurer un cycle de l'eau douce de haute qualité et, en outre, de reconstituer les ressources en eau douce, par exemple grâce au dessalement de l'eau douce. eau de mer. Techniquement, ce problème a été résolu, mais il est très coûteux, car il nécessite une grande consommation d'énergie.
Questions de contrôle
1. Nommer les principales caractéristiques de l'eau, les principales impuretés contenues dans l'eau.
2. Décrire les eaux naturelles et leurs catégories. Définir la qualité de l’eau. Indiquer les principaux domaines d'utilisation de l'eau dans la production. Donne des exemples.
3. Nommez les principales caractéristiques de l’eau potable. Quelles sont les exigences en matière d'eau potable ? Expliquer le schéma de purification des eaux de surface lors de leur utilisation comme eau potable.
4. Nommer les principales caractéristiques de l'eau industrielle ou technique. Quelles sont les exigences en matière d’eau de traitement ? Qu’est-ce que le traitement de l’eau ?
5. Énumérez les principales opérations de préparation des eaux de procédé. Décris-les.
6. Quelle est l’utilisation rationnelle des ressources en eau dans l’industrie ?
7. Décrire les principales méthodes de traitement des eaux usées.
8. Décrire les principales méthodes de désinfection de l'eau : chloration, ozonation, ultrasons, ultraviolets, désinfection thermique.
Ressources énergétiques
Ressources énergétiques
L'énergie est le domaine le plus important de l'activité humaine, déterminant le niveau de développement du pays, son économie et, en fin de compte, le bien-être de la population. La réduction du coût de la nourriture, des vêtements, des chaussures, des services publics, des services ménagers et autres consommés par les personnes est d'une manière ou d'une autre associée à la nécessité de réduire les coûts énergétiques de production, c'est-à-dire son intensité énergétique. C'est pourquoi les progrès de la production sont plus prometteurs s'ils s'accompagnent d'une réduction de la consommation spécifique d'énergie.
Énergie. Types d'énergie
L'énergie est une mesure unique de diverses formes de mouvement de la matière. De cette définition, il s'ensuit que l'énergie ne se manifeste que lorsque l'état (position) de divers objets dans le monde qui nous entoure change et est capable de passer d'une forme à une autre ; et surtout, l’énergie se caractérise par la capacité à produire un travail utile à l’homme.
L'humanité utilise différents types d'énergie - mécanique, électrique, thermique, chimique, nucléaire et autres, obtenues à l'aide de différents appareils.
Énergie mécanique - se manifeste lors de l'interaction et du mouvement de corps individuels ou de particules. Elle comprend l'énergie de mouvement ou de rotation d'un corps, l'énergie de déformation lors de la flexion, de l'étirement, de la torsion et de la compression des corps élastiques (ressorts). Cette énergie est la plus largement utilisée dans diverses machines - de transport et technologiques.
L'énergie mécanique est utilisée pour les opérations physiques de broyage, de centrifugation, de déplacement de matériaux en cours de fonctionnement, pour faire fonctionner les compresseurs, les pompes, les ventilateurs, etc.
L'énergie thermique est l'énergie du mouvement désordonné (chaotique) et de l'interaction des molécules de substances (l'énergie est proportionnelle à la température).
L'énergie thermique, obtenue le plus souvent par la combustion de divers types de combustibles, est largement utilisée pour produire de la chaleur (chauffage) et réaliser de nombreux procédés technologiques (chauffage, séchage, évaporation, distillation, etc.).
L'énergie thermique est utilisée dans tous les processus de fusion des métaux, de recuit des matières premières carbonatées et silicatées, de séchage, de distillation et pour certains processus chimiques (environ 50 % de la production totale).
L'énergie électrique est l'énergie des électrons (courant électrique) se déplaçant le long d'un circuit électrique. L'énergie électrique est utilisée pour obtenir de l'énergie mécanique à l'aide de moteurs électriques et réaliser des processus mécaniques de traitement des matériaux : concassage, broyage, mélange ; pour effectuer des réactions électrochimiques; obtenir de l'énergie thermique dans des appareils de chauffage et des fours électriques ; pour le traitement direct des matériaux (usinage par érosion électrique).
L'énergie électrique est fournie principalement par les centrales thermiques (CHP) à hauteur d'environ 75 %, les centrales nucléaires (NPP) 13 %, les centrales hydroélectriques 12 %. Il est dépensé pour l'électrolyse, l'électrothermie et d'autres processus, pour déplacer et entraîner diverses machines et mécanismes ; environ 40 % de toute la production d'électricité est impliquée dans l'industrie chimique. L'électricité est universelle en raison de son faible coût et de son mode de transport.
L'énergie magnétique est l'énergie des aimants permanents, qui disposent d'une grande quantité d'énergie, mais « la donnent » à contrecœur. Cependant, le courant électrique crée autour de lui des champs magnétiques étendus et puissants, c’est pourquoi les gens parlent le plus souvent d’énergie électromagnétique.
Les énergies électriques et magnétiques sont étroitement liées les unes aux autres, chacune d’elles peut être considérée comme l’envers de l’autre.
L'énergie électromagnétique est l'énergie des ondes électromagnétiques, c'est-à-dire champs électriques et magnétiques en mouvement. Cela comprend la lumière visible, l’infrarouge, l’ultraviolet, les rayons X et les ondes radio.
Ainsi, l’énergie électromagnétique est une énergie de rayonnement. Le rayonnement transporte de l'énergie sous forme d'énergie d'onde électromagnétique. Lorsque le rayonnement est absorbé, son énergie est convertie sous d’autres formes, le plus souvent en chaleur.
L'énergie lumineuse (rayonnement ultraviolet, infrarouge, laser) est utilisée dans l'industrie chimique : synthèse de chlorure d'hydrogène, isomérisation, désinfection de l'eau. De plus, des installations photométriques sont utilisées dans la production pour convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique ; elles sont utilisées pour le contrôle automatique et l'alimentation électrique de la technologie spatiale ; des méthodes photochimiques pour utiliser l'énergie solaire sont en cours de développement ;
L'énergie chimique est l'énergie « stockée » dans les atomes des substances qui est libérée ou absorbée lors de réactions chimiques entre substances. L'énergie chimique est soit libérée sous forme de chaleur - lors de réactions exothermiques (par exemple, combustion de carburant), soit convertie en énergie électrique dans des cellules et des batteries galvaniques. Ces sources d'énergie se caractérisent par un rendement élevé (jusqu'à 98 %), mais une faible capacité.
Une partie importante des processus chimiques libère de la chaleur qui peut être utilisée dans la production. Il peut être utilisé pour chauffer des matières premières, produire de l’eau chaude, de la vapeur et même être converti en électricité. Son utilisation a un effet économique important dans la production chimique à grande échelle (par exemple, dans la production d'acide sulfurique, d'ammoniac), dans laquelle ses propres besoins énergétiques sont entièrement couverts en utilisant l'énergie des réactions chimiques, et l'excédent est vendu à d'autres consommateurs sous forme de vapeur ou d'électricité. L'énergie chimique contenue dans les cellules galvaniques et les batteries est convertie en énergie électrique.
L'énergie nucléaire est une énergie localisée dans les noyaux des atomes de substances dites radioactives. Il est libéré lors de la fission de noyaux lourds (réaction nucléaire) ou de la fusion de noyaux légers (réaction thermonucléaire).
L'énergie nucléaire est utilisée dans la production d'électricité (centrales nucléaires) et trouve également une application directe dans les processus radiochimiques.
L'énergie gravitationnelle est l'énergie provoquée par l'interaction (gravité) de corps massifs ; elle est particulièrement visible dans l'espace. Dans les conditions terrestres, il s’agit par exemple de l’énergie « emmagasinée » par un corps élevé à une certaine hauteur au-dessus de la surface de la Terre – l’énergie de gravité.
Pour l’énergie, la loi universelle de conservation est vraie : l’énergie ne disparaît pas et ne surgit pas de rien, mais passe seulement d’une forme à une autre.
L'unité d'énergie est 1 J (Joule).
Production de divers types d'énergie
L'une des conditions d'existence de la société humaine est l'échange continu d'énergie avec l'environnement. La disponibilité énergétique de la société est donc une condition du progrès de l’humanité. Et le niveau de bien-être matériel de la société est déterminé par la quantité d'énergie générée par habitant. Il existe également un lien entre la consommation d'énergie et l'espérance de vie (Suède - 7 * 103 kW heure - espérance de vie - 80 ans ; Russie 4,1 * 103 kW heure - - 67 ans).
La consommation d'énergie sur la planète est en constante augmentation : si en 1975 elle était d'environ 0,6 * 1014 kW/heure, en 2000 environ 3 * 1014 kW/heure, et en 2050 - on s'attend à ce qu'elle soit de plus de 14 * 1014 kW/heure.
Le secteur le plus équipé en énergie est la production industrielle et le moins bien équipé est l'agriculture. En Russie, une grande partie de l'énergie est dépensée pour les services publics, en raison des particularités des conditions climatiques.
De toutes les industries, celle qui consomme le plus d’énergie est l’industrie chimique. L'intensité énergétique de la production est la quantité d'énergie dépensée pour produire une unité de production. Elle est exprimée en kWh, ou tonnes de carburant standard (CF) par tonne de produit. 1 UT = 29*103 kWh. Par exemple, la production de 1 tonne d'aluminium nécessite 2 * 104 kW/heure, et pour 1 tonne d'acide sulfurique seulement 60 à 100 kW/heure.
Les principales sources d’énergie consommées sont les combustibles fossiles et leurs produits, l’énergie hydraulique, la biomasse et le combustible nucléaire. Les énergies éolienne, solaire, marémotrice et géothermique sont utilisées dans une bien moindre mesure. Les réserves mondiales des principaux types de combustibles sont estimées à environ 1,28 * 1 013 tonnes de combustible carboné. Dont charbon fossile 1,12 * 1013 tonnes de fioul, pétrole 7,4 * 1011 tonnes de fioul, gaz naturel 6,3 * 1011 tonnes de fioul.
Toutes les ressources énergétiques sont divisées en ressources primaires et secondaires, renouvelables et non renouvelables, combustibles et non combustibles.
Les ressources énergétiques combustibles comprennent le charbon, le pétrole, le gaz naturel, le schiste, les sables bitumineux, la tourbe, la biomasse et le combustible nucléaire. L’énergie non combustible comprend l’hydroélectricité, l’énergie éolienne, l’énergie rayonnante du soleil et la chaleur profonde de la Terre.
Les ressources non renouvelables comprennent le combustible nucléaire, le charbon fossile, le pétrole, le gaz, le schiste, etc. Les énergies renouvelables comprennent l’énergie solaire, l’hydroélectricité, la biomasse, l’énergie éolienne et houlomotrice et l’énergie géothermique.
Centrales thermiques et hydroélectriques
La plus grande contribution au secteur énergétique russe provient des centrales thermiques (CHP).
Dans la Fédération de Russie, on distingue plusieurs plus grandes centrales thermiques d'une capacité supérieure à 2 * 106 kW : Kostromskaya, Konakovskaya (Tverskaya), Kirishskaya (Leningradskaya), Berezovskaya.
Dans les centrales thermiques, l’énergie chimique du combustible brûlé est convertie en énergie de vapeur d’eau dans une chaudière à vapeur. Cette énergie entraîne une turbine à vapeur reliée à un générateur. L'énergie mécanique de rotation de la turbine est convertie par le générateur en énergie électrique (Fig. 2.4.).
L'énergie thermique est obtenue en brûlant des combustibles solides - charbon, schiste, tourbe, combustibles liquides - pétrole, fioul, gaz naturel ou combustible nucléaire. Les centrales thermiques les plus connues fonctionnent au charbon, voire au lignite, qui est quasiment inadapté ailleurs. Bien que dans ce cas, au moins un petit enrichissement soit nécessaire.
La combustion du charbon est un processus chimique typique. Cependant, l’utilisation du charbon comme source d’énergie est associée à un certain nombre de conséquences indésirables. Le fait est qu'en plus des éléments principaux (carbone et oxygène), de l'azote et du soufre, des composés fluorés et divers métaux, ainsi que des substances organiques sont libérés. Grâce aux technologies chimiques modernes, la méthode la plus prometteuse pour brûler du charbon consiste actuellement à utiliser des fours à lit fluidisé (fluidisés). Le gaz est fourni par la surface poreuse sur laquelle le charbon est versé. Peu à peu, le gaz semble saturer le charbon et la couche devient plus épaisse et, finalement, toutes les particules commenceront à se déplacer de manière chaotique et le charbon commencera à bouillir. La température dans le milieu est égalisée et le processus se déroule sans surchauffe ni sous-chauffe de la substance. Les installations de ce type fonctionnent à pression atmosphérique ou élevée. L'un des avantages les plus importants de cette méthode est la réduction des émissions de substances nocives, ainsi que l'absence d'adhésion des particules aux surfaces de transfert de chaleur. Cela permet d'utiliser des charbons de cendre et d'introduire des absorbeurs chimiques d'oxydes de soufre dans le lit fluidisé.
La transformation de l'énergie s'accompagne d'inévitables pertes improductives - dissipation de chaleur dans l'espace environnant, pertes de chaleur par les cendres et les gaz de combustion, pertes par frottement dans les transmissions mécaniques et satisfaction des propres besoins énergétiques de la production.
Dans tous les cas, une mesure qualitative et quantitative de la perfection d'un mode de production et de consommation est son facteur d'efficacité (efficience). Pour l’efficacité des centrales thermiques environ 40 à 42 %.
Le plus gros problème d'une centrale thermique est la pollution de l'environnement - les gaz de combustion : soufre, monoxyde de carbone, suie, oxyde d'azote. Le gaz est considéré comme le meilleur combustible ; il brûle presque entièrement. Lors de l'utilisation de combustibles liquides et gazeux, il n'est pas nécessaire d'utiliser des broyeurs ni des récupérateurs de cendres.
La construction de centrales thermiques est économiquement rentable si elles sont situées à proximité de ressources en combustible.
Figure 2.4. Disposition des principaux éléments d'une centrale thermique : 1 – entrepôt de combustible ; 2 – plate-forme d'approvisionnement en carburant ; 3 – galerie préparatoire ; 4 – four chaudière; 5 – compartiment à cendres ; 6 – cheminée ; 7 – turbine à vapeur ; 8 – turbogénérateur; 9 – salle des machines ; 10 – condensateur ; 11 – appareillage de la station.
Les centrales hydroélectriques (HPP) apportent également une contribution significative au secteur énergétique russe.
Les centrales hydroélectriques sont un complexe de structures et d'équipements à l'aide desquels l'énergie de l'eau est convertie en énergie électrique.
L'électricité est produite dans les centrales hydroélectriques en utilisant l'énergie des chutes d'eau. La hauteur de chute d’eau est appelée pression. Il est créé en installant un barrage sur la rivière. La différence entre le niveau supérieur avant le barrage et le niveau inférieur après le barrage crée la pression. En utilisant la différence de niveaux d'eau qui en résulte, dans les centrales hydroélectriques, ils entraînent la roue d'une turbine hydraulique et un générateur monté sur le même arbre, qui génère du courant électrique (Fig. 2.5.).
Dans les centrales hydroélectriques, toute l’énergie n’est pas transformée en travail. Jusqu'à 30 % sont consacrés à la résistance mécanique, aux pertes dans les ouvrages hydrauliques et aux générateurs.
Contrairement à d’autres types de centrales électriques, les centrales hydroélectriques peuvent être facilement mises sous ou hors réseau en régulant le débit d’eau fourni aux turbines. Cette circonstance permet d'utiliser les centrales hydroélectriques pour lisser les fluctuations quotidiennes et saisonnières de la consommation électrique.
Figure 2.5. Schéma de la centrale électrique du barrage : 1, 7 – niveaux d'eau supérieur et inférieur ; 2 – barrage en terre ; 3 – alimentation en eau de la turbine ; 4 – hydrogénérateur ; 5 – turbine hydraulique ; 6 – dispositif de levage des panneaux.
Les avantages des centrales hydroélectriques sont évidents : un approvisionnement en énergie constamment renouvelé par la nature elle-même, une facilité d'exploitation et une absence de pollution de l'environnement.
Au début du XXe siècle, plusieurs centrales hydroélectriques sont construites. près de Piatigorsk, dans le Caucase du Nord, sur la rivière de montagne Podkumok. Le plan historique GOELRO prévoyait la construction de grandes centrales hydroélectriques. En 1926, la centrale hydroélectrique de Volkhov est entrée en service et l'année suivante, la construction de la célèbre centrale hydroélectrique du Dniepr a commencé.
La politique énergétique clairvoyante menée dans notre pays a conduit au développement d'un système de centrales hydroélectriques puissantes - c'est le nœud Volga-Kama d'une capacité de plus de 14 * 106 kW, c'est l'Angara-Yeniseisy cascade d'une capacité de 6 * 106 kW, etc.
Les aspects négatifs des centrales hydroélectriques comprennent l'inondation des terres agricoles et forestières, les changements dans le régime naturel du débit des rivières et la perturbation du climat des territoires adjacents, ainsi que les dommages causés à la pêche. De plus, la construction d'une centrale hydroélectrique nécessite d'énormes investissements en capital en raison du volume important de travaux de construction et d'installation.
Pouvoir nucléaire
L'orientation principale de l'énergie nucléaire est la production d'électricité dans les centrales nucléaires, mais celles-ci dégagent également de la chaleur. Actuellement en Russie, 30 unités de production d'énergie sont en service dans 9 centrales nucléaires d'une capacité totale de 21,24 GW. Il s'agit de Smolensk, Tver, Koursk, Novo-Voronej, Saint-Pétersbourg (Lomonosovo, Sosnovy Bor), Balakovo (haute Volga), Kostroma, Kola, Dmitrovgrad (moyenne Volga), Beloyarsk et Bilibinsk, qui ont 1 unité de puissance, Rostov ( 1 groupe motopropulseur mis en service).
Chaque année, ces centrales produisent entre 100 et 110 milliards de kWh d'énergie électrique, ce qui représente environ 13 % de la production totale du pays et 27 % dans la partie européenne du pays. Le taux d'utilisation des installations est de 55 à 56% et correspond à la demande totale en électricité du pays. Les tarifs de l'électricité produite par les centrales nucléaires sont inférieurs aux tarifs de l'énergie produite par les centrales thermiques, y compris le gaz.
La première centrale nucléaire a été construite en 1954 à Obninsk (5 000 kW).
L’énergie nucléaire moderne repose sur des réactions se produisant à l’intérieur des noyaux atomiques.
L'énergie nucléaire est l'énergie de forte interaction d'un noyau atomique avec une particule élémentaire, ou avec un autre noyau, conduisant à la transformation du ou des noyaux.
L'interaction des particules en réaction se produit lorsqu'elles se rapprochent à une distance de 10 à 13 cm en raison de l'action des forces nucléaires.
Informations connexes.
