Technologia wody-2

Technologia wody-2

Repetytorium

H₂O

zw. organiczne

CO₂ agresywny zawiesiny

zapach nadmierny ChZT

pestycydy barwa i mętność mikrofauna

wirusy bakterie zapach roślinny

żelazo, mangan

twardość metale CH₄; H₂S

Woda w przyrodzie

H₂O

zw. organiczne

CO₂ agresywny zawiesiny

zapach nadmierny ChZT

pestycydy barwa i mętność mikrofauna

wirusy bakterie zapach roślinny

żelazo, mangan

twardość metale CH₄; H₂S

filtracja (powolna) sedymentacja cedzenie

dezynfekcja wiązanie

chemiczne

sorpcja

utlenianie koagulacja

napowietrzanie

sedymentacja

WARUNKI ORGANOLEPTYCZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA

Wskaźnik Jednostka Wymagania

Plamy olejowe Zawiesina

Zapach

Barwa mg Pt/dm³ < 15

Mętność mg SiO₂/dm³ < 1

Organizmy niewidoczne

niewidoczne niewidoczna akceptowalny

WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA

Wskaźnik Jednostka NDS

Amoniak Azotany Azotyny Chlor Chlorki Fluorki Siarczany

0,5 50

0,1 0,3 250

1,5 250 mg/l

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wskaźnik Jednostka NDS

Cynk Kadm Mangan Ołów Żelazo Benzen

Benzo(a)piren

3

0,003 0,05 0,01 0,2

1 (0,001) 0,01 (WWA) µg/l

µg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

Σ WWA

Chlorofenole

µg/l µg/l

100

10 (ppz)

WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wskaźnik Jednostka NDS

Chloroform Σ THM

PCB

Σ pestycydów ChZT (KMnO₄)

30 (THM 100

0,5 0,5 µg/l 5000

µg/l µg/l µg/l µg/l

Układy technologiczne (c.d.)

— usuwanie barwy i mętności

Wu

Wz D

Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilająca F - filtracja

D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja

Wz Wu

F S

K U

D F

S K

— usuwanie zawiesin, barwy i mętności

Warstwa nieprzepuszczalna

Wody wgłębne

Migracja w.powierz.

Woda gruntowa Studnia głębinowa

Warstwa

nienasycona / nasycona Depresja/Lej

Dziesiątki lat

Woda wgłębna

Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie?

Utlenianie i redukcja

Dotyczy: C, S, Fe, Mn, N (przede wszystkim)

FeS + H₂O + O₂ = Fe(OH)₃ + H₂SO₄

2H+ + SO₄ ^2- -wzbogacenie w SO₄ ^2- -zakwaszenie

CaCO₃

Ca(HCO₃)₂+ + Ca ²⁺

-wzrost mineralizacji -wzrost twardości

-gdy zabraknie tlenu SO ^2- + CH O + H O = H S + 2 HCO ^-

-przykład reakcji w obecności tlenu

-wzrost twardości

CH2O+O2=CO2+H2O

- kolejno jako utleniacze wykorzystywane będą:

MnO₂ + CH₂O = Mn ²⁺ + CO₂ + 2 OH^- Fe₂O₃ + CH₂O = Fe ²⁺ + CO₂ + OH^- NO₃ ^- + CH₂O = N₂ + CO₂

SO₄ ^2- + CH₂O = H₂S + CO₂

-wzrost Fe ²⁺ , Mn ²⁺

-wzrost CO₂ -siarkowodór

Sorpcja. Desorpcja. Wymiana jonowa.

Procesy zależne od:

- pH - Eh

- siły jonowej

- stężenia substancji

Substancje występujące w wodach wgłębnych

1. Rozpuszczone gazy:

- główne: O₂, CO₂, CH₄, H₂S - śladowe NH₃, SO₂, HCl

CO₂-wolny

Równowaga węglanowa

2. Aniony: SO₄ ^2-, Cl ^- , HCO₃ ^-

3. Kationy: Na⁺ , K ⁺ , Fe ²⁺ , Mn ²⁺ , Mg ²⁺

4 6 8 10 pH Udział %

100

50 CO₂ HCO₃^- CO₃^2-

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^- 2H⁺ + CO₃^2- Zależność od pH:

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^- = 2H⁺ + CO₃ ^2- + Ca ²⁺

Ca(HCO₃) ₂ CO₂

CO₂ ‘przynależny To jeszcze nie wszystko....

CO₂ atmosferyczny Jeszcze jedna forma...

Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa w wodzie

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^- = 2H⁺ + CO₃ ^2- + Ca ²⁺

Ca(HCO₃) ₂ CO₂

CO₂ ‘przynależny’

CO₂ atmosferyczny W wodach wgłębnych..

Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa’ w wodzie wgłębnej

C6H12O6+O2=CO2+H2O H++HCO3-=CO2+H2O

CO2+CaCO3+H2O=Ca(HCO3)2

CO2 ‘agresywny’

+ Ca ²⁺

CaCO₃

Infiltracja. Procesy jednostkowe.

Woda Osad S.areacji S.sateracji

Sedymentacja Samokoagulacja Fotoliza Hydroliza Pr.biochemiczne Filtracja Wymiana jonowa Sorpcja Uśrednianie Rozpuszczanie

+ + + + + + + + + ++ + + - + + -- + + - - + -- - +

Wpływ na skład wody:

+ duży - średni

mały,lub żaden

Basen

infiltracyjny

Instalacja do uzdatniania/infiltracji wody w Wiesbaden/RFN

1

2 3

4 5?

K S F

6?

N C F N F D Z

Woda uzdatniona

1.piaskownik 2.osadnik

3.b.infiltracyjny 4.s.ujmująca 5.s.infiltracyjna 6.drenaż

10%

90%

Użytkownicy

Woda rzeczna A

Wody wgłębne/infiltracyjne. Podsumowanie

1. Duża mineralizacja

2. Dużo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardość

4. Zawartość agresywnego CO₂ 5. Brak mikrozanieczyszczeń 6. Brak mikroorganizmów

7. Klarowne (barwa, mętność) Wniosek:

- wymagają specyficznych metod oczyszczania

Technologia Wody

Wykład 8(2)

Politechnika Koszalińska

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Studia Zaoczne, 4 rok

Odkwaszanie wody

Wody podziemne. Podsumowanie

1. Duża mineralizacja

2. Dużo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardość

4. Zawartość agresywnego CO₂ 5. Brak mikrozanieczyszczeń 6. Brak mikroorganizmów 7. Klarowne

8. Podwyższone stężenia Fe(II) i Mn(II) Wniosek:

- wymagają specyficznych metod oczyszczania

Proces jednostkowy w technologii wody mający na celu usunięcie nadmiaru (całości) agresywnego dwutlenku węgla.

Odkwaszanie wody. Definicja

Odkwaszanie. Zakres zastosowania

Odkwaszanie jest zwykle niezbędne w układach technologicznych uzdatniania wód wgłębnych i wód infiltracyjnych.

Odkwaszanie jest pierwszym procesem w układzie technologicznym oczyszczania tych wód

W przypadku wód powierzchniowych agresywny CO₂ pojawia się podczas koagulacji (hydroliza soli -powstanie silnych kwasów-reakcja z składnikami naturalnej zasadowości

Przy zmiękczaniu i demineralizacji wód do celów kotłowych, po kationicie wodorowym, stosuje się też usuwanie agresywnego CO

Metody fizyczne

cCO₂ = H x pCOH ₂

H = const.

~~~~~~~~~~~

CO₂

CO₂

Następuje wyrównanie ciśnień cząst.

w wodzie i atmosferze (powietrzu) W przypadku nadmiaru CO₂ w wodzie (wody wgłębne)

nastąpi przejście nadmiaru CO₂ do powietrza.

A jak będzie się zachowywał tlen?

Gaz

Gaz

Istota metody fizycznej odkwaszania polega zatem na przejściu CO₂, obecnego w wodzie, do powietrza. Efekt ten uzyskuje się poprzez kontakt tych mediów

Od czego zależy przeniesiony ładunek-L?

L = S× t × F

Natężenie strumienia

(szybkość przejścia przez gran rozdz faz) Czas trwania procesu

Powierzchnia rozdziału faz

Natężenie strumienia

(szybkość przejścia przez gran rozdz faz) L = f ( S, t, F)

Czynniki zależne i niezależne od technologa?

Czas trwania procesu Powierzchnia rozdziału faz

Od czego zależy natężenie strumienia F?

F = f ( T, z, H, ∆c, l )

- S - t

- F

Grubość filmu

Różnica ciśnień cząst.w wodzie i pow Temperatura

Jakie wielkości spotykamy w praktyce?

1. Powierzchnia

– wodę rozdeszczowuje się na krople o śred d = 0,04-0,80 mm

– woda spływa po rozwiniętej powierzchni, warstwa l = 0,1-0,8mm

2. Czas kontaktu mediów

– od 1 do 1800 sekund

3. Różnica prężności cząstkowych

– stężenie w wodzie odkwaszanej może zmieniać się w szerokich granicach (2-270 mg/l)

– stężenie końcowe nie może być mniejsze od stężenia równowagowego (ok. 1mg/l)

– stężenie końcowe zależy od zasadowości

CO₂

Równ

CO czas Metoda chemiczna

Zalety metody fizycznej odkwaszania 1. Duża wydajność

2. Niski koszt

3. Łatwa automatyzacja 4. Bezinwazyjne

5. Napowietrzenie wody

Wady metody fizycznej odkwaszania – niedostateczne usuwanie wolnego CO₂

L = S× t ×F F = f ( ∆c )

Metody chemiczne odkwaszania

– wprowadzamy gdy zachodzi konieczność usuwania resztkowego wolnego CO₂

– polega na dodatku chemikaliów wiążących wolny CO₂ 1. CaO + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂

2. Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ = 2NaHCO₃ 3. 2NaOH + CO₂ = 2NaHCO₃

Metody chemiczne odkwaszania

– wprowadzamy gdy zachodzi konieczność usuwania resztkowego wolnego CO₂

Zalety metody chemicznej

– wyczerpujące usuwanie wolnego CO₂ Wady metody chemicznej

– dodatek chemikaliów – kosztowna

– wymaga nadzoru Ponadto może zachodzić :

– wytrącanie CaCO₃ w sieci

– alkalizacja wody (pH 6.5-8.5)

Odkwaszenie wody w wyniku filtracji przez złoże filtracyjne - wypełnienie z masy dolfiltr

- wypełnienie z grysiku marmurowego Masa dolfiltr

- otrzymywanie

Ca×Mg(CO₃)₂--->MgO×CaCO₃ + CO₂ - odkwaszanie

MgO + CO₂ + H₂O = Mg(HCO₃)₂ CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂ Grysik marmurowy

- uziarnienie 5-10 mm - odkwaszanie

CaCO + CO + H O = Ca(HCO )

Rys. 4. Rodzaje wód podziemnych [4],

1 - woda powierzchniowa płynąca (rzeka, potok, strumień), 2 - woda powierzchniowa stojąca (jezioro, staw), 3 - woda zaskórna, 4 - płytka woda gruntowa, 5 - obszar zasilania warstwy wodonośnej z opadów,6 - woda wgłębna artezyjska, 7 - samobijąca woda artezyjska, 8 - woda artezyjska, lecz na nieco wyższym terenie(trzeba ją pompować), 9 - woda infiltracyjna, przesiąkająca ze zbiornika wody powierzchniowej do gruntu,10 - woda z warstwy szczelinowej (spękana skała), 11 - źródło

Jeżeli woda jest napowietrzana, wówczas jony Fe (II) utleniane są tlenem rozpuszczonym w wodzie zgodnie reakcją:

4Fe² + O₂ + 10H₂O = 4Fe(OH)₃ + 8H⁺. Jeżeli natomiast woda nie jest napowietrzana, to w celu

utlenienia Fe (II) stosuje się utleniacze chemiczne, którymi najczęściej są nadmanganian potasowy lub chlor. Utlenianie przebiega wówczas zgodnie z reakcjami:

3Fe²⁺ + KMnO₄ + 7H₂O = 3Fe(OH) ₃ + MnO₂ + K⁺ + 5H⁺,

2Fe ²⁺ + Cl₂ + 6H₂O = 2Fe(OH)₃ + 2Cl^- + 6H⁺.

1-napowietrzanie otwarte ,2-komora reakcji do wytworzenia kłaczków Fe(OH)3 lub osadnik do zatrzymania wytrąconej zawiesiny Fe(OH)3 ,3-filtracja na filtrach ze złożem piaskowym pokrytym tlenkami żelaza i manganu,4-dezynfekcja

Rys.9. Grawitacyjny układ oczyszczania wód podziemnych[12].

1-napowietrzania ciśnieniowe,2-filtracja ciśnieniowa,3-dezynfekcja Rys.10. Ciśnieniowy układ oczyszczania wód podziemnych[12]

1-napowietrzanie,2-filtr kontaktowy,3-dezynfekcja

Rys.12. Oczyszczania wód podziemnych z napowietrzaniem i filtracją kontaktową [12

Rys.23 Schemat urządzenia do napowietrzania wody przez rozdeszczowanie[17]

Rys.24 Schemat napowietrzania wody na ociekaczach przy odżelazianiu wody[16]

1-studnia, 2-pompyI stopnia, 3-ociekacz, 4-osadnik, 5-filtr pośpieszny, 6-zbiornik wody czystej,

Inne metody usuwania żelaza

Utlenianie żelaza w warstwie wodonośnej

Proces utleniania żelaza w warstwie wodonośnej zwany jest metodą VYREDOX, a opracowali ją Halberg i Martinell.

Polega ona na okresowym (co 2 tygodnie w ciągu 20 h) lub stałym wtłaczaniu do warstwy wodonośnej natlenionej i

odgazowanej wody za pomocą 3-4 piezometrów zlokalizowanych w odległości 3-4 m od studni, z której ujmowana jest woda.

W wyniku infiltracji wody natlenionej w sąsiedztwie studni tworzą się strefy podwyższonego potencjału redoks (rys. );

Wymiana jonowa

Usuwanie żelaza zapewnia również wymiana jonowa na kationitach.

Jony Fe (II) są bardzo łatwo wymieniane na jednowartościowe jony ruchliwe grup funkcyjnych jonitu.

Największy stopień wymiany zapewniają kationity silnie

kwaśne,pracujące w cyklu wodorowym. Wówczas, poza żelazem, usuwane są inne kationy, głównie mangan, wapń i magnez, a woda po dekationizacji charakteryzuje się dużą kwasowością i powinna być skierowana na anionity.

SO₃H SO₃H SO₃H

SO₃Na SO₃Na SO₃Na

SO₃ SO₃ SO₃

+ Fe³⁺ SO₃

SO₃ SO₃

. .

Fe + 3H⁺

Fe + 3 Na⁺ + Fe³⁺

SO₃^- SO₃^- SO₃^-

SO₃ SO₃ SO₃ + Fe³⁺ Fe

.Forma ‘sodowa’ .

Forma ‘wodorowa’

Forma ‘jonowa’

Zmiękczanie wody

Zużycie Wody w Polsce

Przeznaczenie Zużycie w latach (hm³)

1988 1993 1996

Przemysł 9220 8140 8320 Gosp. komunalna 2590 1395 1425 R i L 1540 1395 1425

hm³ = ?

Wskaźniki jakości wody

— fizyczne (temperatura)

— mikrobiologiczne

— chemiczne (zw. biogeniczne, POP’s – RZO)

Twardość jest związana z obecnością Ca

w wodzie

– CO

(węglanowa)

– SO

, Cl

(niewęglanowa)

Ca²⁺ Mg²⁺ Na²⁺

CO₂^2- HCO₃^-

K⁺ Inne

Tw węglan.

Tw niew.

Inne możliwości ?

Wykres pasmowy

SO4 Cl Inne

Jednostki twardości

mval/l

°N

Ca²⁺

Ca Ca

napięcie powierzchniowe

mydło C_nH_2n+1COOH

mydło + Ca²⁺

Dekarbonizacja termiczna

– usuwanie twardości węglanowej

CO

+ H

O H

CO

H

+ HCO

2H

+ CO

+ Ca

+ Ca

Ca(HCO

)

CaCO

↓

Ca(HCO

)

CaCO

↓ + H

O + CO

↑

Dekarbonizacja wapnem

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ CO₂ + Ca(OH)₂

2CaCO₃↓ + 2H₂O

MgCO₃ + CaCO₃↓ + 2H₂O CaCO₃↓ + H₂O

Obliczenie ilości CaO

CaO = 28 ( t_w + CO₂ ) ( g CaO/m³ ) Pozostaje twardość szczątkowa 0,3 - 1,2 mval/dm³

Zmiękczanie węglanem i wodorotlenkiem sodu

– nieznaczna twardość węglanowa / duża twardość niewęglanowa

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

Ca(HCO₃)₂ + 2NaOH = CaCO₃↓ + Na₂CO₃ + 2H₂O Mg(HCO₃)₂ + 4NaOH = Mg(OH)₂ + 2Na₂CO₃ + 2H₂O

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + 2NaHCO₃ też zmiękcza

a) usuwanie twardości węglanowej

uwzględniamy węglan sodu powstający przy usuwaniu twardości węglanowej

Zmiękczanie węglanem i wodorotlenkiem sodu (c.d.)

b) usuwanie twardości niewęglanowej

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + Na₂SO₄ c) obliczanie ilości reagentów

NaOH = 40 (tw_w + tw_Mg + CO₂ + 0,5) g NaOH/m³

Na₂CO₃ = 53 (tw_nw - CO₂ - tw_w - tw_Mg + 1,5) g Na₂CO₃/m₃

Pozostaje twardość szczątkowa

Zmiękczanie za pomocą wapna i sody

– dodajemy Na₂CO₃ i Ca(OH)₂ – zachodzące reakcje

– jak obliczamy ilości reagentów

– zwykle stosujemy podgrzewanie 100°C - 1 godz.

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃↓ + H₂O CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + Na₂SO₄

CaO = 28 ( tw_w + tw_Mg + CO₂ + 0,5 ) Na2CO3 = 53 ( tw_nw + 2 )

Zmiękczanie fosforanami sodu

– znikoma rozpuszczalność Ca₃(PO₄)₂

– szczątkowa twardość 0,02 mval/dm³ – zwykle dwustopniowe

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 6NaHCO₃ 3CaCO₃ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 3Na₂CO₃ 3CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 3Na₂SO₄

Zmiękczanie i demineralizacja za pomocą wymiany jonowej

Jonity — nierozpuszczalne polimery

zasobne w grupy funkcyjne

Wymiana jonowa

Usuwanie jonów wapniowych zapewnia również wymiana jonowa na kationitach.

Jony Ca (II) są bardzo łatwo wymieniane na jednowartościowe jony ruchliwe grup funkcyjnych jonitu.

Największy stopień wymiany zapewniają kationity silnie

kwaśne,pracujące w cyklu wodorowym. Wówczas, poza wapniem, usuwane są inne kationy, głównie mangan, żelazo i magnez. Woda po dekationizacji charakteryzuje się dużą kwasowością i powinna być skierowana na anionity.

Wymiana jonowa

Pojęcia:

-wymieniacz jonowy, kationit, anionit -zdolność jonowymienna

-obiętość przebicia, ładunek przebicia -regeneracja

-popłuczyny

- w technologii wody proces jednostkowy stosowany w celu obniżenia mineralizacji wody

- reakcja chemiczna polegająca na wymianie ruchliwych jonów poniędzy fazą stałą i cieczą

SO₃H SO₃H SO₃H

SO₃Na SO₃Na SO₃Na

SO₃ SO₃ SO₃

+ Ca²⁺ SO₃

SO₃ SO₃

. .

Ca + 3H⁺ H

Ca + 3 Na⁺ H

+ Ca²⁺

SO₃^- SO₃^- SO₃^-

SO₃ SO₃ SO₃

Ca H + Ca²⁺

.Forma ‘sodowa’ .

Forma ‘wodorowa’

Forma ‘jonowa’

Ca(HCO₃)₂ Mg(HCO₃)₂ CaSO₄

MgSO₄ MgCl₂ NaCl

H₂CO₃ CaSO₄ MgSO₄ CaCl₂ MgCl₂ NaCl

CaSO₄ MgSO₄ CaCl₂ MgCl₂ NaCl

Na₂SO₄ NaCl CO₂

H⁺ odgaz Na⁺

Słabo kwaśny kationit

PROCESY MEMBRANOWE

ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNE- podział metod usuwania

przegrody

-kraty -sita -µ -sita -przegrody -membrany

złoża porowate

-jednowarstwowe -wielowarstwowe -powolne

-szybkie -ciągłe

-okresowe(płukane) -odżelazianie

-wymiana jonowa

złoża namywane

-µ-filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO)

-liczba warstw

-szybkośc filtracji

-ciagłość pracy

-^specjalne

-perforowane

-^siatkowe Sedymentacja/Flotacja Filtracja

2. Rozmiary substancji

rozpuszczonych i zawiesin

2.1. Rozmiary i masy cząsteczkowe

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm) 10² 10⁴ 10⁶ M. cząstecz. (D)

10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 0.01 0.1 1 10 10² 10³

cząstki

rozpuszczone koloidy zawiesiny

3. Rozmiary dodatków do wody

S. nieorg.

Makrocząst.

Koloidy Zawiesiny Wirusy Bakterie Glony

Pierwotniaki OkoMikroskop opt.

Mikroskop elek.

Filtracja Filt. membr u-Filtr

10^{-4 -3 -2 -1}

1 ^{1 2 3}

φ (µm) 0 ₁₀

Π

Π > Π

1. 2. 3.

4. 5.

Odwrócona

Osmoza-OO/RO 1-2-3-4-5

P

woda uzdatniana nadawa

solanka retentat

membrana

permeat

(woda oczyszczona)

ZD ZZ

> Π

4. Charakterystyka ilościowa

— współczynnik retencji (stopień zatrzymania, współczynnik

eliminacji)

Cz C -

R

= C

— stopień konwersji

(100%) Q

Y = Q

— przepływ objętościowy

S t

I V

m v r

= ⋅

p L I

= ∆

[m

/m

d]

[m

/m

dMPa]

L – przepływ hydrauliczny I

– przepływ objętościowy V – objętość

t – czas

5. Przepływ objętościowy a selektywność

— przepływ objętościowy wody

— przepływ substancji rozpuszczonej

( ^{∆ ∆ Π} )

= - A P - I _w

C B

-

I _s = ∆

Π – ciśnienie osmotyczne P – ciśnienie robocze

A, B = f (T, P, C, memb)

6. Praktyka odwróconej osmozy

— uproszczony schemat instalacji

— membrany

— fouling

— moduły membranowe