ODśELAZIANIE WODY. Technologie usuwania Ŝelaza z wody podziemnej i powierzchniowej[2,3]

Transkrypt

1 ODśELAZIANIE WODY aktualizacja r śelazo jest bardzo rozpowszechnione w skorupie ziemskiej, stanowiąc 5,6% masowych jej składu. Jest czwartym pierwiastkiem pod względem ilości po: tlenie, krzemie i glinie. śelazo występuje w małych ilościach w postaci rodzimej. Głównie jest on składnikiem rud: hematytu Fe 2 O 3, magnetytu Fe 3 O 4, limonitu Fe(OH) 3, syderytu FeCO 3, pirytu FeS 2. W środowisku przyrodniczym znajdujemy wiele związków organicznych zawierających Ŝelazo. śelazo znajdujące się w wodzie moŝe pochodzić z róŝnych źródeł: jest wynikiem wymywania ze skał i gruntu oraz korozji Ŝelaznych zbiorników i przewodów. Wprowadzane bywa w znacznych ilościach wraz z wodami kopalnianymi, ściekami z zakładów obróbki metalu, galwanizerni itp. Wody Ŝelaziste charakteryzują się nieprzyjemnym, specyficznym zapachem i Ŝelazistym smakiem. Wykazują skłonność do osadzania szlamów w rurociągach, grzejnikach, wyparkach, pozostawiania rdzawych plam na pranych tkaninach, pokrywania Ŝółtymi plamami porcelany i szkła. Wykazują one ujemny wpływ na jakość produktów spoŝywczych i wyrobów przemysłowych. Wody Ŝelaziste sprzyjają rozwojowi bakterii Ŝelazistych w instalacjach, które wytwarzają gąbczastą lub nitkowatą rdzę, a to powoduje zatykanie przewodów. Wody przeznaczone do celów przemysłowych (zwłaszcza w przemyśle papierniczym, włókienniczym, przy produkcji filmów) nie mogą zawierać Ŝelaza nawet w małych ilościach. Woda do picia nie powinna zawierać więcej niŝ 0,2 mgfe/l (wg Rozporządzenia Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spoŝycia przez ludzi Dz.U.2007., Nr 613, poz. 417) [1-4]. śelazo moŝe występować w wodach (podziemnej i powierzchniowej) w formie rozpuszczonej, koloidalnej lub zawiesiny. ZaleŜy to od zawartości w wodzie: substancji organicznych, tlenu, dwutlenku węgla, działalności mikroorganizmów i jej odczynu ph [1]. Technologie usuwania Ŝelaza z wody podziemnej i powierzchniowej[2,3] Istota odŝelaziania wody polega na utlenianiu jonów Fe(II) do Fe(III) i usuwaniu wytrąconego osadu Fe(OH) 3 w procesie sedymentacji i filtracji. O stosowanej metodzie usuwania Ŝelaza decyduje forma jego występowania w wodzie surowej, pochodzenie wody, jej skład fizyko chemiczny oraz stęŝenie i rodzaj związku Ŝelaza. JeŜeli w wodzie Ŝelazo występuje jako Fe(HCO 3 ) 2, to stosuje się najprostszy układ uzdatniania wody napowietrzanie sedymentacja filtracja. JeŜeli Ŝelazo obecne w wodzie jest w postaci FeSO 4, wówczas do powyŝszego układu powinien być włączony proces alkalizacji. Zapewnia to neutralizację kwasu powstającego w wyniku reakcji protolitycznej jonów Ŝelaza(II). W wypadku, kiedy Ŝelazo występuje w połączeniu ze związkami organicznymi (najczęściej forma koloidalna) napowietrzanie, utlenianie, sedymentacja i filtracja są mało skuteczne. Do usuwania takich form Ŝelaza wymagany jest proces koagulacji. Napowietrzanie i filtrowanie stosuje się do uzdatniania wód wgłębnych, nie zawierających tlenu a głównie wodorowęglany Ŝelaza(II). Napowietrzanie wykonuje się przez: rozdeszczowienie, rozpylanie za pomocą dysz, wtłaczanie do wody powietrza pod ciśnieniem, zastosowanie ociekania cienkich warstw wody po porowatych materiałach. Fe(HCO 3 ) 2 + H 2 O Fe(OH) 2 + H 2 O + CO 2 2Fe(OH) O 2 + H 2 O 2Fe(OH) 3 Wytrącone z wody kłaczki wodorotlenku Ŝelaza(III) mogą być usunięte na złoŝu filtracyjnym. Stosuje się do tego celu filtry z wypełnieniem piaskowym, Ŝwirowym, lub wielowarstwowe.

2 2 OdŜelazianie przez nawapnianie i napowietrzanie stosuje się, gdy Ŝelazo występuje np. jako siarczan Ŝelaza(II). FeSO 4 + Ca(OH) 2 Fe(OH) 2 + CaSO 4 2Fe(OH) O 2 + H 2 O 2Fe(OH) 3 Proces ten pozwala zmniejszyć stęŝenie Ŝelaza do 0,2 mg Fe/l. Procesy odŝelaziania moŝna prowadzić przy uŝyciu odŝelaziaczy otwartych i zamkniętych (ciśnieniowych) często nazywanych teŝ filtrami. OdŜelaziacze zamknięte mogą być jednostopniowe (dla uzdatniania wody o zawartości Fe poniŝej 2 mg/l) lub dwustopniowe (gdy zawartość Ŝelaza jest powyŝej 2 mg/l). Ich budowa przypomina filtry ciśnieniowe. Napowietrzanie wody i filtrowanie odbywa się pod ciśnieniem. OdŜelaziacze jednostopniowe otwarte składają się najczęściej ze złoŝa filtracyjnego z piaskiem o odpowiednim uziarnieniu i wysokości złoŝa. OdŜelaziacze dwustopniowe mają dwie warstwy wypełnienia - warstwa podtrzymująca i kontaktowa. OdŜelazianie poprzez koagulację stosuje się wtedy, gdy w wodzie są obecne związki koloidalne Ŝelaza, drobne zawiesiny Fe(OH) 3, FeS, koloidalne związki organiczne np. kwasy humusowe. śelazo ogólne (suma wszystkich form Ŝelaza) w wodzie moŝna oznaczać róŝnymi metodami np.: metodą kolorymetryczną - rodankową [5], metodą kolorymetryczną z fenantroliną (PN-73/C ) metodą wersenianową (PN-93/C ) metodami instrumentalnymi np.: ASA i ICP Oznaczanie Ŝelaza ogólnego metodą kolorymetryczną - rodankową[4,5]; Jony Ŝelaza(III) w reakcji z jonami rodankowymi (SCN - ) w środowisku kwaśnym tworzą kompleksy o czerwonym zabarwieniu. Intensywność barwy jest proporcjonalna do stęŝenia Ŝelaza w badanej próbce. W pierwszym etapie oznaczenia obecne w wodzie jony Ŝelaza(II) naleŝy utlenić do Ŝelaza(III) w środowisku kwaśnym (np. nadtlenkiem wodoru). Następnie dodaje się roztwór rodanku potasu. Wraz ze wzrostem stęŝenia rodanku mogą tworzyć się w roztworze róŝne kompleksy Ŝelaza np.: [Fe(SCN)] 2+, [Fe(SCN) 2 ] +, aŝ do [Fe(SCN) 6 ]. Absorbancję/stęŜenie Ŝelaza mierzymy przy długości fali 480nm. W tym oznaczeniu przeszkadzają: barwa wody, wysoka mętność wody, duŝa zawartość związków organicznych, zawartość fluorków, fosforanów, gdyŝ tworzą one w środowisku kwaśnym trwałe kompleksy z Ŝelazem(III). Jony srebra, kadmu, rtęci, tworzą takŝe kompleksy z rodankiem. Szczegółowa procedura oznaczenia Ŝelaza ogólnego tą metodą znajduje się w normie [5]. Sposób oznaczania na ćwiczeniach w zał. 1.

3 3 CEL I ZAKRES BADAŃ Ocena skuteczności procesu odŝelaziania wody przez napowietrzanie i filtrację. Wodę zaŝelazioną woda surowa (roztwór FeCl 2 ) poddawać będziemy procesowi odŝelaziania (uzdatniania) przez napowietrzanie i filtrację na złoŝu piaskowo-ŝwirowym. woda surowa Zawiesina Fe(OH) 3 powietrze... Filtr piaskowo- Ŝwirowy Woda odŝelaziona (A) Schemat 1. Zestaw do odŝelaziania wody APARATURA, SZKŁO, ODCZYNNIKI - zestaw do prowadzenia procesu odŝelaziania (schemat 1) - spektrofotometr DR 2000 firmy HACH - zestaw analityczny do oznaczania Ŝelaza metodą kolorymetryczną - rodankową WYKONANIE ĆWICZENIA 1. Wymieszać wodę surową, pobrać około 10 ml próby. Pobrać 2,5 ml i oznaczyć wyjściową zawartość Ŝelaza ogólnego metodą kolorymetryczną - rodankową (procedura szczegółowa w Załączniku 1). 2. Włączyć napowietrzanie (pompa powietrzna), otworzyć przepływ wody surowej. 3. Przebieg procesu odŝelaziania kontrolujemy pobierając próby wody o objętości około 10 ml (wyciek z filtra (A)) po: 5, 10, 15, 30, 45, 60 minutach trwania procesu. 4. Jednocześnie mierzymy objętość wycieku z filtra po określonym czasie (5, 10, 15, 30, 45, 60 minut) w celu wyznaczenia prędkości przepływu [dm 3 /h]. Wyniki zamieścić w tabeli NaleŜy takŝe w tabeli 1 zamieścić sumaryczną objętość wody uzdatnionej po określonych czasach trwania procesu. 6. Oznaczanie zawartości Ŝelaza ogólnego w pobranych próbach wykonujemy zgodnie z (Załącznikiem 1).Wyniki zamieścić w tabeli 1.

4 4 OPRACOWANIE WYNIKÓW I WNIOSKI: Sprawozdanie powinno być przygotowane według Załącznika 2 i ma obejmować: Sprecyzowany cel ćwiczenia Krótki opis przebiegu doświadczenia Tabelaryczne zestawienie wyników (tabela 1) Na podstawie uzyskanych wyników naleŝy sporządzić wykresy 1 i 2. Wykres 1 jest to zaleŝność zawartości Ŝelaza w oczyszczanej wodzie od objętości wycieku z filtra po wcześniej ustalonym czasie poboru próbki. Wykres 2 to zaleŝność skuteczności odŝelaziania od czasu trwania tego procesu. Określić skuteczność odŝelaziania [%], która jest miarą zmniejszenia stęŝenia Ŝelaza w wodzie surowej X= 100%- µ (µ = m 1 /m 0 x100%), gdzie: m 1 - stęŝenie Ŝelaza w wodzie uzdatnianej, m 0 - stęŝenie Ŝelaza w wodzie surowej. Wartości te pozwolą sporządzić wykres 2. LITERATURA 1. Dojlido J. R., Chemia wód powierzchniowych, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko, Białystok Bojanowska I., InŜynieria Środowiska wykład autorski dla studentów kierunku Ochrona Środowiska, Uniwersytet Gdański, Wydział Chemii 3. Kowal A., Świderska BróŜ M., Oczyszczanie wody, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Wrocław Gajkowska Stefańska L.i inni, Laboratoryjne badania wody, ścieków i osadów ściekowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Hermanowicz I., Dojlido K., Fizyczno - chemiczne badanie wody i ścieków, Arkady, Warszawa 1999

5 5 OZNACZANIE śelaza OGÓLNEGO (metoda kolorymetryczna - rodankowa) Załącznik nr 1 Pobrać 2,5 cm 3 próby wody surowej/uzdatnianej * Dodać 2,5 cm 3 kwasu solnego, który przygotowuje się przez rozcieńczenie kwasu stęŝonego wodą destylowaną w stosunku (1:1) Dodać 0,5 cm 3 3% roztworu nadtlenku wodoru Zawartość wstrząsnąć i odczekać 5 minut Następnie dodać 2,5 cm 3 roztworu rodanku potasu (65gKSCN/ dm 3 ) W ten sam sposób przygotować próbę zerową (odniesienia) gdzie próbka wody uzdatnianej/surowej zastąpiona jest wodą dejonizowaną. StęŜenie Ŝelaza w wodzie oznaczane z wykorzystaniem procedury firmy HACH wykonujemy przy długości fali 510 nm. * JeŜeli zawartość Ŝelaza przekracza zakres stosowanej metody badaną próbę naleŝy rozcieńczyć i ponownie wykonać oznaczenie! Procedura oznaczania stęŝenia Ŝelaza w spektrofotomerze DR Włączyć spektrofotometr przyciskiem z napisem POWER 2. Po pojawieniu się na ekranie napisu METHOD?, wpisać nr metody 951 i zaakceptować przez przyciśnięcie przycisku z napisem ENTER 3. Na ekranie pojawi się napis DIAL nm TO obracając bocznym pokrętłem ustawić długość fali 510 nm, a następnie zaakceptować przez naciśnięcie przycisku z napisem READ/ENTER 4. Umieścić w gnieździe pomiarowym próbę odniesienia (przygotowaną z wody dejonizowanej), a następnie nacisnąć przycisk z napisem CLEAR ZERO 5. Po ukazaniu się na ekranie 0.0 wyjąć próbę zerową i umieścić w adapterze próbę badaną i odczytać wynik w mg Fe/dm 3.

6 6 GRUPA... Imię i Nazwisko WZÓR sprawozdania - Załącznik 2 DATA... ODśELAZIANIE WODY Cel ćwiczenia: Krótki opis przebiegu doświadczenia: Sprawozdanie z ćwiczenia Nr 4 Wyniki: 1. Zawartość Ŝelaza ogólnego w wodzie surowej 2. Określenie zawartości Ŝelaza ogólnego w czasie trwania procesu odŝelaziania. 3. Oznaczenie objętości uzdatnianej wody w czasie trwania procesu. Tabela 1. Przebieg procesu odŝelaziania wody Nr próby Czas trwania procesu [min] Objętość wycieku z filtra [dm 3 ] Prędkość przepływu [dm 3 /h]. Opracowanie wyników i graficzne ich przedstawienie: Sumaryczna objętość wycieku z filtra po określonych czasach trwania procesu [ml] StęŜenie Ŝelaza po określonych czasach trwania procesu [mgfe/dm 3 ] Wykres 1. ZaleŜność zawartości Ŝelaza w oczyszczonej wodzie od sumarycznej objętości uzdatnianej wody po określonych czasach trwania procesu C Fe [mgfe/dm 3 ] V [dm 3 ] Wykres 2. ZaleŜność skuteczności odŝelaziania od czasu trwania tego procesu Skuteczność procesu [%] Czas [min] WNIOSKI: