Technologia wody-2. Repetytorium

Transkrypt

1 Technologia wody-2 Repetytorium

2 Woda w przyrodzie zawiesiny mikrofauna zw. organiczne wirusy bakterie zapach roślinny żelazo, mangan CH 4 ; H 2 S H 2 O twardość metale CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mętność Woda w przyrodzie

3 filtracja (powolna) cedzenie sedymentacja dezynfekcja napowietrzanie wirusy bakterie zapach roślinny żelazo, mangan mikrofauna CH 4 ; H 2 S zawiesiny H 2 O twardość metale zw. organiczne sedymentacja filtracja (szybka) CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mętność koagulacja wiązanie chemiczne sorpcja utlenianie

4 WARUNKI ORGANOLEPTYCZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA Wskaźnik Jednostka Wymagania Barwa mg Pt/dm 3 < 15 Mętność mg SiO 2 /dm 3 < 1 Organizmy niewidoczne Plamy olejowe Zawiesina Zapach niewidoczne niewidoczna akceptowalny

5 WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE JAKIM WINNA ODPOWIADAĆ WODA DO PICIA Wskaźnik Jednostka NDS Amoniak Azotany Azotyny Chlor Chlorki Fluorki Siarczany mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 0,5 50 0,1 0, ,5 250

6 WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.) Wskaźnik Jednostka NDS Cynk mg/l 3 Kadm Mangan Ołów Żelazo mg/l mg/l mg/l mg/l 0,003 0,05 0,01 0,2 Benzen µg/l 1 (0,001) Benzo(a)piren µg/l 0,01 (WWA) Σ WWA µg/l 100 Chlorofenole µg/l 10 (ppz)

7 WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.) Wskaźnik Jednostka NDS Chloroform Σ THM PCB Σ pestycydów ChZT (KMnO 4 ) µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l 30 (THM 100 0,5 0,5 5000

8 Układy technologiczne (c.d.) usuwanie barwy i mętności Wz K S F D Wu Wz U K S F D Wu usuwanie zawiesin, barwy i mętności Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilająca F - filtracja D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie

9 Wody wgłębne Studnia głębinowa Depresja/Lej Woda gruntowa Warstwa nienasycona / nasycona Warstwa nieprzepuszczalna Migracja w.powierz. Dziesiątki lat Woda wgłębna Warstwa wodonośna

10 Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie? Warstwa wodonośna (nasycenia/saturacji)

11 Utlenianie i redukcja Dotyczy: C, S, Fe, Mn, N (przede wszystkim) -przykład reakcji w obecności tlenu FeS + H 2 O + O 2 = Fe(OH) 3 + H 2 SO 4 CH2O+O2=CO2+H2O -wzrost mineralizacji -wzrost twardości 2H+ + SO 2-4 -wzbogacenie w SO 2-4 CaCO 3 -zakwaszenie Ca(HCO 3 ) Ca 2+ -gdy zabraknie tlenu SO CH 2 O + H 2 O = H 2 S + 2 HCO 3 - NO CH 2 O + H 2 O = N HCO 3 -wzrost twardości -odór

12 - kolejno jako utleniacze wykorzystywane będą: MnO 2 + CH 2 O = Mn 2+ + CO OH - Fe 2 O 3 + CH 2 O = Fe 2+ + CO 2 + OH - NO CH 2 O = N 2 + CO 2 SO CH 2 O = H 2 S + CO 2 -wzrost Fe 2+, Mn 2+ -wzrost CO 2 -siarkowodór

13 Sorpcja. Desorpcja. Wymiana jonowa. Procesy zależne od: - ph - Eh - siły jonowej - stężenia substancji

14 Substancje występujące w wodach wgłębnych 1. Rozpuszczone gazy: - główne: O 2, CO 2, CH 4, H 2 S - śladowe NH 3, SO 2, HCl CO 2 -wolny Równowaga węglanowa 2. Aniony: SO 4 2-, Cl -, HCO 3-3. Kationy: Na +, K +, Fe 2+, Mn 2+, Mg 2+

15 Zależność od ph: CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 H HCO 3 2H CO 3 Udział % CO 2 HCO 3 - CO ph

16 CO 2 CO 2 atmosferyczny Jeszcze jedna forma... CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 = H + + HCO 3 - = 2H + + CO Ca 2+ Ca(HCO 3 ) 2 To jeszcze nie wszystko... CO 2 przynależny Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa w wodzie

17 CO 2 CO 2 atmosferyczny W wodach wgłębnych.. CO2 agresywny CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 = H + + HCO 3 - = 2H + + CO 3 2- C6H12O6+O2=CO2+H2O H++HCO3-=CO2+H2O CO2+CaCO3+H2O=Ca(HCO3)2 + Ca 2+ Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + Ca 2+ CO 2 przynależny Tak wygląda uproszczona `równowaga węglanowa w wodzie wgłębnej

18 Infiltracja. Procesy jednostkowe. Woda Osad S.areacji S.sateracji Sedymentacja Samokoagulacja Fotoliza Hydroliza Pr.biochemiczne Filtracja Wymiana jonowa Sorpcja Uśrednianie Rozpuszczanie Basen infiltracyjny Wpływ na skład wody: + duży - średni mały,lub żaden

19 Instalacja do uzdatniania/infiltracji wody w Wiesbaden/RFN Woda rzeczna K S F A 1 10% 90% 2 3 6? 4 5? 1.piaskownik 2.osadnik 3.b.infiltracyjny 4.s.ujmująca 5.s.infiltracyjna 6.drenaż N C F N F D Z Użytkownicy Woda uzdatniona

20 Wody wgłębne/infiltracyjne. Podsumowanie 1. Duża mineralizacja 2. Dużo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardość 4. Zawartość agresywnego CO 2 5. Brak mikrozanieczyszczeń 6. Brak mikroorganizmów 7. Klarowne (barwa, mętność) Wniosek: - wymagają specyficznych metod oczyszczania

21 Technologia Wody Wykład 8(2) Odkwaszanie wody Politechnika Koszalińska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Studia Zaoczne, 4 rok

22 Wody podziemne. Podsumowanie 1. Duża mineralizacja 2. Dużo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardość 4. Zawartość agresywnego CO 2 5. Brak mikrozanieczyszczeń 6. Brak mikroorganizmów 7. Klarowne 8. Podwyższone stężenia Fe(II) i Mn(II) Wniosek: - wymagają specyficznych metod oczyszczania

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

24 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 CO 2 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 2

25 Metody fizyczne cco 2 = H x pco 2 CO 2 Gaz ~~~~~~~~~~~ H = const. CO 2 Gaz Następuje wyrównanie ciśnień cząst. w wodzie i atmosferze (powietrzu) W przypadku nadmiaru CO 2 w wodzie (wody wgłębne) nastąpi przejście nadmiaru CO 2 do powietrza. A jak będzie się zachowywał tlen?

26 Istota metody fizycznej odkwaszania polega zatem na przejściu CO 2, 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

27 L = f ( S, t, F) Czynniki zależne i niezależne od technologa? Powierzchnia rozdziału faz - S Czas trwania procesu - t Natężenie strumienia - F (szybkość przejścia przez gran rozdz faz) Od czego zależy natężenie strumienia F? F = f ( T, z, H, c, l ) Temperatura Zasolenie Grubość filmu Różnica ciśnień cząst.w wodzie i pow Rodzaj gazu (stała Henryego)

28 1. Powierzchnia Jakie wielkości spotykamy w praktyce? 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

29 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 CO 2 CO 2 Metoda chemiczna L = S t F F = f ( c ) Równ CO 2 czas

30 Metody chemiczne odkwaszania wprowadzamy gdy zachodzi konieczność usuwania resztkowego wolnego CO 2 polega na dodatku chemikaliów wiążących wolny CO 2 1. CaO + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3 ) 2 2. Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO NaOH + CO 2 = 2NaHCO 3

31 Metody chemiczne odkwaszania wprowadzamy gdy zachodzi konieczność usuwania resztkowego wolnego CO 2 Zalety metody chemicznej wyczerpujące usuwanie wolnego CO 2 Wady metody chemicznej dodatek chemikaliów kosztowna wymaga nadzoru Ponadto może zachodzić : wytrącanie CaCO 3 w sieci alkalizacja wody (ph ) wzrost twardości (10 mvalcaco 3 /l)

32 Odkwaszenie wody w wyniku filtracji przez złoże filtracyjne - wypełnienie z masy dolfiltr - wypełnienie z grysiku marmurowego Masa dolfiltr - otrzymywanie Ca Mg(CO 3 ) >MgO CaCO 3 + CO 2 - odkwaszanie MgO + CO 2 + H 2 O = Mg(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3 ) 2 Grysik marmurowy - uziarnienie 5-10 mm - odkwaszanie CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3 ) 2

33 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 naturalne zasilane wodą zaskórna,12 - źródło naturalne zasilane wodą płytką gruntową, 13 - źródło naturalne zasilane w wodę artezyjską samobijąca, 14 - źródło naturalnej w., lecz bijące na dnie jeziora

34 Jeżeli woda jest napowietrzana, wówczas jony Fe (II) utleniane są tlenem rozpuszczonym w wodzie zgodnie reakcją: 4Fe 2 + O H 2 O = 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: 3Fe 2+ + KMnO 4 + 7H 2 O = 3Fe(OH) 3 + MnO 2 + K + + 5H +, 2Fe 2+ + Cl 2 + 6H 2 O = 2Fe(OH) 3 + 2Cl - + 6H +.

35 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

36 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, 7-przewod ssawny pomp II stopnia

37 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. );

38

39 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.

40 SO 3 H SO 3 H + Fe 3+ SO 3 H Forma. wodorowa SO 3 Na SO 3 Na SO 3 Na SO 3 SO 3 SO 3 + Fe 3+ SO 3 SO 3 SO 3.Forma sodowa.. Fe + 3H + Fe + 3 Na + SO 3 - SO 3 - SO 3 - Forma jonowa + Fe 3+ SO 3 SO 3 SO 3 Fe

41 Zmiękczanie wody

42 Zużycie Wody w Polsce Przeznaczenie Zużycie w latach (hm 3 ) Przemysł Gosp. komunalna R i L hm 3 =?

43 Wskaźniki jakości wody fizyczne (temperatura) mikrobiologiczne chemiczne (zw. biogeniczne, POP s RZO)

44 Twardość jest związana z obecnością Ca 2+ w wodzie CO 3 2 (węglanowa) SO 4 2, Cl (niewęglanowa)

45 Wykres pasmowy Ca 2+ Mg 2+ K + Na 2+ Inne CO 2 2- HCO 3 - SO4 Cl Inne Tw węglan. Inne możliwości? Tw niew.

46 Jednostki twardości mval/l N

47 napięcie powierzchniowe mydło C n H 2n+1 COOH Ca 2+ Ca Ca mydło + Ca 2+

48 Dekarbonizacja termiczna usuwanie twardości węglanowej CO 2 + H 2 O 2H + 2- H + - H 2 CO 3 + HCO 3 + CO 3 + Ca 2+ + Ca 2+ Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 Ca(HCO 3 ) 2 temp CaCO 3 + H 2 O + CO 2

49 Dekarbonizacja wapnem Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 Mg(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 CO 2 + Ca(OH) 2 2CaCO 3 + 2H 2 O MgCO 3 + CaCO 3 + 2H 2 O CaCO 3 + H 2 O Obliczenie ilości CaO CaO = 28 ( t w + CO 2 ) ( g CaO/m 3 ) Pozostaje twardość szczątkowa 0,3-1,2 mval/dm 3

50 Zmiękczanie węglanem i wodorotlenkiem sodu nieznaczna twardość węglanowa / duża twardość niewęglanowa a) usuwanie twardości węglanowej CO 2 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 + 2NaOH = CaCO 3 + Na 2 CO 3 + 2H 2 O Mg(HCO 3 ) 2 + 4NaOH = Mg(OH) 2 + 2Na 2 CO 3 + 2H 2 O też zmiękcza Ca(HCO 3 ) 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + 2NaHCO 3

51 Zmiękczanie węglanem i wodorotlenkiem sodu (c.d.) b) usuwanie twardości niewęglanowej CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + Na 2 SO 4 c) obliczanie ilości reagentów NaOH = 40 (tw w + tw Mg + CO 2 + 0,5) g NaOH/m 3 Na 2 CO 3 = 53 (tw nw - CO 2 - tw w - tw Mg + 1,5) g Na 2 CO 3 /m 3 uwzględniamy węglan sodu powstający przy usuwaniu twardości węglanowej Pozostaje twardość szczątkowa na poziomie 0,2-0,2 mval/dm 3

52 Zmiękczanie za pomocą wapna i sody dodajemy Na 2 CO 3 i Ca(OH) 2 zachodzące reakcje Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 + H 2 O CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + Na 2 SO 4 jak obliczamy ilości reagentów CaO = 28 ( tw w + tw Mg + CO 2 + 0,5 ) Na2CO3 = 53 ( tw nw + 2 ) zwykle stosujemy podgrzewanie 100 C - 1 godz. 50 C - 2,5 godz.

53 Zmiękczanie fosforanami sodu znikoma rozpuszczalność Ca 3 (PO 4 ) 2 3Ca(HCO 3 ) 2 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6NaHCO 3 3CaCO 3 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3Na 2 CO 3 3CaSO 4 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3Na 2 SO 4 szczątkowa twardość 0,02 mval/dm 3 zwykle dwustopniowe

54 Zmiękczanie i demineralizacja za pomocą wymiany jonowej Jonity nierozpuszczalne polimery zasobne w grupy funkcyjne

55 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.

56 Wymiana jonowa - w technologii wody proces jednostkowy stosowany w celu obniżenia mineralizacji wody - reakcja chemiczna polegająca na wymianie ruchliwych jonów poniędzy fazą stałą i cieczą Pojęcia: -wymieniacz jonowy, kationit, anionit -zdolność jonowymienna -obiętość przebicia, ładunek przebicia -regeneracja -popłuczyny

57 SO 3 H SO 3 H + Ca 2+ SO 3 H Forma. wodorowa SO 3 Na SO 3 Na SO 3 Na SO 3 SO 3 SO 3 + Ca 2+ SO 3 SO 3 SO 3.Forma sodowa.. Ca + 3H + H Ca + 3 Na + H SO 3 - SO 3 - SO 3 - Forma jonowa + Ca 2+ SO 3 SO 3 SO 3 Ca H

58 CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 Mg(HCO 3 ) 2 H 2 CO 3 CaSO 4 CaSO 4 CaSO 4 MgSO 4 MgSO 4 MgSO 4 H + odgaz Na + CaCl 2 CaCl 2 MgCl 2 NaCl MgCl 2 NaCl MgCl 2 NaCl Słabo kwaśny kationit Na 2 SO 4 NaCl

59 PROCESY MEMBRANOWE

60 ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNEpodział metod usuwania Sedymentacja/Flotacja Filtracja przegrody -kraty -sita -µ -sita -przegrody -membrany -µ -filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO) złoża porowate -liczba warstw -jednowarstwowe -wielowarstwowe -szybkośc filtracji -powolne -szybkie -ciagłość pracy -ciągłe -okresowe(płukane) -specjalne -odżelazianie -wymiana jonowa -adsorpcja złoża namywane -perforowane -siatkowe

61 2. Rozmiary substancji rozpuszczonych i zawiesin 2.1. Rozmiary i masy cząsteczkowe M. cząstecz. (D) cząstki rozpuszczone koloidy zawiesiny lg Φ Φ (µm)

62 3. Rozmiary dodatków do wody S. nieorg. Makrocząst. Koloidy Zawiesiny Wirusy Bakterie Glony Pierwotniaki Oko Mikroskop opt. Mikroskop elek. Filtracja Filt. membr u-filtr n-filtr Osmoza φ (µm)

63 Π Π > Π Odwrócona Osmoza-OO/RO

64 > Π P woda uzdatniana nadawa ZZ membrana solanka retentat ZD permeat (woda oczyszczona) Schemat filtracji powierzchniowej(cedzenie)

65 4. Charakterystyka ilościowa współczynnik retencji (stopień zatrzymania, współczynnik eliminacji) R s = C z - Cz C stopień konwersji p Y = Q p (100%) Q z

66 przepływ objętościowy I v = V r t S m [m 3 /m 2 d] L = I v [m 3 /m 2 dmpa] p V objętość t czas S powierzchnia L przepływ hydrauliczny I v przepływ objętościowy

67 5. Przepływ objętościowy a selektywność przepływ objętościowy wody I w = - A ( P - Π ) przepływ substancji rozpuszczonej I s = - B C Π ciśnienie osmotyczne P ciśnienie robocze A, B = f (T, P, C, memb) C stężenie

68 6. Praktyka odwróconej osmozy uproszczony schemat instalacji membrany fouling moduły membranowe