Technologia Wody

Technologia Wody

Wykład 12(6)

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)

Wartości dopuszczalne wybranych wskaźników zanieczyszczeń

Indeks Coli l/100cm³

Jednost. Dopuszczalne wartości

Wskaźnik Rol Chło Hod Wod

W. chemiczne

Metale µg/l S. pozos. mg/l Detergenty mg/l N_og mg/l P_og mg/l Zawiesina mg/l Biologiczne

Fizyczne

0,1 0,01 1

500 2000 700

4 2 1

5 0,5 20

1,5 20

1000 10⁶ < 2

Woda dla przemysłu

Sucha pozostałość Cl^- Fe i Mn Zawiesina Barwa Metale ciężkie

50 - 2500 mg/dm³ 50 - 1000

0 - 1 5 - 100 0 - 100 brak

Ołów Kadm N_og P_og BZT₅ ChZT

Detergenty Eks. eterowy I. coli

Barwa Mętność Zawiesina Wskaźnik

zanieczyszczenia Jednostka W.wod. Śc.miej. Śc. m.b.ocz.

g/m³ mg/dm³ mg/dm³

mg/dm³ L/100 cm³

g/m³ g/m³ g/m³ g/m³ g/m³ g/m³ g/m³

0,0 1 5 0 0,06 0 3 0 0,02 0,1 0,001 0,03

400 100 120 10⁸ 2500

100 800 300 15 70

0,7 0,5

50 45 75 10⁵

5 0,1 60 25 10 35

0,005 0,085

Charakterystyka wód

50

naturalna 10⁴ 15 1,0 100

12 0,4 15 0,1 0,05

W.pow. III kl.

organicznenie- detrytus

Skład wód

woda

0,5 µm

Rozpuszczone Zawiesina

organizmy organiczne

s. biogen.

m. ciężkie

saprobowe chorobo- twórcze całkowite

(ChZT, RWO) labilne (BZT )

sączenie

Zasolenie

Przyrost soli nieorganicznych w ściekach miejskich:

— 20 g N⁺

— 20 g Ca²⁺

— 60 g Na⁺

— 10 g K⁺

— 10 g Mg²⁺

— 60 g Cl^-

— 30 g SO₄^2-

— 40 g CO₃^2- 300 g/m³

Największe ilości wody stosuje się do celów chłodniczych i wytwarzania pary.

Wody te muszą charakteryzować się małą twardością

Usuwanie twardości wody nazywamy zmiękczaniem.

Zmiękczanie - definicja

Całkowite lub częściowe usunięcie twardości

Twardość - definicja

Właściwość wody powodująca, że się nie pieni po dodaniu mydła

Suma kationów wielowartościowych w wodzie

(głównie Ca

i Mg

)

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⁺

Podział metod zmiękczania

1. Fizyczne

– termiczna

– odwrócona osmoza

2. Chemiczne

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

↑

20 40 60 80 100

20 40 60

Ca(HCO 3) %

t (min) rozp w

20°C

100°C 90°C

75°C

– zależy od temperatury – zależy od czasu

– wynika z rozpuszczalności

– ograniczony stopień usuwania ze względu na rozpuszczalność

Szybkość usuwania twardości węglanowej Ca(HCO3)2 w zależności od czasu i temperatury: a) wrzenie powolne, b) wrzenie intensywne

Schemat reaktora do termicznej dekarbonizacji wody

1- dopływ wody,

2- dopływ pary grzejnej,

3- odpływ wody zdekarbonizowanej 4- spust osadów,

5- dopływ odmulin powrotnych, 6- odpowietrzenie,

7- reaktor powolny

8-kaskadowy podgrzewacz wody

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

Metody

membranowe

3. Rozmiary dodatków do wody

S. nieorg.

Makrocząst.

Koloidy Zawiesiny Wirusy Bakterie Glony

Pierwotniaki OkoMikroskop opt.

Mikroskop elek.

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

1 ^{1 2 3}

φ (µm) 0 ₁₀

2.2. Składniki wód w przyrodzie

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm) 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 0.01 0.1 1 10 10² 10³

krzemionka glony

cysty bakterie

minerały ilaste kwasy

fulwowe kwasy huminowe wirusy

j.pr. j.złożon

Π

Π > Π

1. 2. 3.

Odwrócona

Osmoza-OO/RO

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 + CO ) ( g CaO/m³ )

Schemat reaktora stożkowego do zmiękczania wody metodą wapnowania

1- dopływ wody surowej, 2- dopływ wody wapiennej,

3- odpływ wody zdekarbonizowanej, 4- hydroelewator,

5- dopływ wody uzdatnianej, 6- dopływ masy kontaktowej, 7- komora wirowa,

8- spust osadów

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

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

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 )

Schemat instalacji do zmiękczania metodą wapno-soda

1- rozdzielacz wody, 2- zbiornik do rozpuszczania węglanu sodu z dozownikiem, 3- sytnik wapna,

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

Schemat instalacji do zmiękczania fosforanami metoda pośrednią

1- rozdzielacz wody, 2- zbiornik do rozpuszczania sody z dawkownikiem, 3- sytnik wapna, 4- kaskadowy podgrzewacz wody, 5- reaktor sodowo-wapniowy, 6- mieszacz wapna, 7- reaktor fosforanowy, 8- zbiornik do rozpuszczania i dozowania fosforanów, 9- filtr, 10- dopływ wody uzdatnianej, 11- odpływ wody,

12- dopływ pary, 13- odprowadzenie oparów

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

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

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

Zakres zastosowania - usuwanie twardości - odżelazianie(?)

- demineralizacja

SO₃H SO₃H SO₃H

SO₃Na SO₃Na SO₃Na

SO₃ SO₃ SO₃

+ Ca²⁺ SO₃

SO₃ SO₃

. .

Ca + 3H⁺ H

Ca + 3 Na⁺ H

+ Ca²⁺

SO₃^-

SO + Ca²⁺ SO₃

.Forma ‘sodowa’ .

Forma ‘wodorowa’

Regeneracja jonitów

SO₃ SO₃ SO₃

Fe +3Na ⁺

SO₃Na SO₃Na + SO₃Na

Fe³⁺

Fe³⁺ + 3OH^- Fe(OH) ₃ + 3HCl FeCl ₃ + 3H₂O

Zakres zastosowania - usuwanie twardości - odżelazianie(?)

- demineralizacja

Wymiana jonowa jest kłopotliwa w eksploatacji, jeżeli w

oczyszczanej wodzie obecny jest tlen rozpuszczony. Wytrącające się wówczas koloidalne i zawieszone formy żelaza skracają

efektywny czas pracy kationów, blokując grupy funkcyjne i kapilary wymieniacza jonowego. Jony żelaza mogą również katalizować tlenową degradację anionitów, na które woda kierowana powinna być po kationicie pracującym w cyklu wodorowym.

Fe²⁺ + 1/2O ₂ + H ₂ O = Fe³⁺ + 2OH^-

Fe(OH) ₃

Krzywa elucji

C maksymalne(początkowe)

C dopuszczalne

V przebicia V całkowite

t C

Ca²⁺

Zmiękczanie wody za pomocą kationitu

Cykl H⁺

Cykl Na⁺

2 KtH + Ca(HCO₃)₂ Kt₂Ca + 2H₂O + 2CO₂

2KtNa + Ca(HCO₃)₂ Kt₂Ca + 2NaHCO₃

Ca(HCO₃)₂ Mg(HCO₃)₂ CaSO₄

MgSO₄ MgCl₂ NaCl

H₂CO₃ CaSO₄ MgSO₄ CaCl₂ MgCl₂ NaCl

CaSO₄ MgSO₄ CaCl₂ MgCl₂ NaCl CO₂

H⁺ odgaz Na⁺

Zagadnienia

1. Twardość (definicja, jednostki)

2. Twardość (usuwanie; met.fizyczne/chemiczne) 3. Reakcje chemiczne w usuwaniu twardości

4. Wymiana jonowa w usuwaniu twardości