Towaroznawstwo artykułów przemysłowych. Wykład 8 Woda. Oczyszczanie i uzdatnianie

Transkrypt

1 Towaroznawstwo artykułów przemysłowych Wykład 8 Woda. Oczyszczanie i uzdatnianie

2 Woda na Ziemi Około 70% powierzchni Ziemi zajmują morza i oceany. Zasoby wody szacuje się na 1, km 3. Wody słodkie stanowią ok. 16,6%. W ciągu roku na Ziemię spada 1, km 3, z czego 30% na lądy. W wodzie zawartej w opadach rozpuszczone są gazy: azot, tlen, ditlenek węgla, ditlenek siarki, tlenki azotu, ozon. Większość wody użytkowej (komunalnej i przemysłowej) pochodzi z zasobów wody tzw. słodkiej: powierzchniowej i podziemnej.

3 Woda jako substancja chemiczna Wzór: H 2 O, gęstość (+4 C): 1 kg/dm 3. Temperatura wrzenia (1 atm.): 100 C. Temperatura topnienia (1 atm.): 0 C. Dysocjacja: H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH Iloczyn jonowy wody (20 C): równy ok mol/dm³ vide skala ph.

4 Wody podziemne Pozyskiwane z dość płytkich otworów ( m) dość słabo zmineralizowane. Zawierają, wśród kationów: Ca, Mg, Na, K oraz, wśród anionów głównie HCO 3, a także Cl i SO 4. Jako małe domieszki zawierają jony Fe, Mn, OH/H, NH 4, oraz substancje organiczne.

5 Wody powierzchniowe Mają podobny skład jonowy, jak wody podziemne, a oprócz tego jony azotowe (amonowe, azotany i azotyny) oraz krzemionkę i niekiedy glin, a także fosfor. Występują także organizmy żywe. Silnie zmineralizowane wody powierzchniowe to wody morskie o zasoleniu od ok. 4 (Bałtyk) do ok. 48 g/dm 3 (Adriatyk).

6 opadowa, np. deszczówka powierzchniowa, np. rzeka podskórna gruntowa adhezyjna błonkowata głębinowa źródlana słona np. morska słodka np. z jeziora zaburtowa Woda surowa

7 Woda użytkowa (zasoby wodne) wodociągowa pitna przemysłowa przygotowanie wody woda twarda woda miękka woda demineralizowana woda gorzka woda odgazowana woda zasilająca woda kotłowa woda obiegowa skropliny (kondensat) destylowana podwójnie destylowana (woda redestylowana)

8 Woda wolna i związana woda wolna (niezwiązana) 5 96% rozpuszczalnik substancji organicznych i związków mineralnych. Łatwo wydziela się z produktu, pod wpływem czynników zewnętrznych, o właściwościach zbliżonych do właściwości wody w rozcieńczonych roztworach soli, powiązana siecią wzajemnych wiązań wodorowych. woda związana (zlokalizowana w bezpośrednim sąsiedztwie substancji rozpuszczonych): woda strukturalna (<0,03%) jest integralną częścią składników niewodnych, ulokowana w wolnych przestrzeniach makrocząsteczek, lub związana w postaci wodzianów. woda związana w postaci monowarstwy (0,1 0,9%) silnie oddziałuje z grupami polarnymi i zjonizowanymi składników niewodnych woda uwięziona (5 96%) o właściwościach wody wolnej, ale uwięziona w niewypełnionych przestrzeniach składników strukturalnych lub w żelach, przez co jej przepływ jest utrudniony

9 Zanieczyszczenia wody Typ: mechaniczne np. muł koloidalne np. olej roztwory np. sól biologiczne np. bakterie (miano Coli), wirusy Klasyfikacja zanieczyszczeń ze względu na: Sposób ich usuwania: zanieczyszczenia zawieszone i pływające; usuwane w procesach fizycznych sedymentacji lub filtracji, zanieczyszczenia koloidalne o cząsteczkach wielkości poniżej 100μm; usuwane w specjalnych procesach, np. ultrafiltracji, koagulacji, zanieczyszczenia rozpuszczone w formie roztworu; usuwane metodami fizykochemicznymi lub metodami chemicznymi.

10 Zanieczyszczenia wody Wpływ na zdrowie: związki trujące i szkodliwe, związki nieszkodliwe w zależności od stężenia mogą równocześnie wskazywać na zanieczyszczenie wody, związki pożądane dla zdrowia. Ich pochodzenie: biologiczne i bakteriologiczne, fizyczne, chemiczne, izotopami pierwiastków promieniotwórczych.

11 Ścieki komunalne bytowe przemysłowe woda zęzowa fekalia gnojowica mocz

12 Twardość Wg kationów Twardość wapniowa Twardość ogólna Twardość węglanowa Ca(HCO 3 ) 2 Ca(OH) 2 CaCO 3 Wg anionów Twardość niewęglanowa CaSO 4 CaCl 2 Ca(NO 3 ) 2 Twardość magnezowa Mg(HCO 3 ) 2 Mg(OH) 2 MgCO 3 MgSO 4 MgCl 2 Mg(NO 3 ) 2 Także twardość przemijająca (węglanowa) i stała (pozostaje po przegotowaniu) Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Mg(HCO 3 ) 2 MgCO 3 + H 2 O + CO 2 MgCO 3 + H 2 O Mg(OH) 2 +CO 2

13 Jednostki twardości wody Jednostki mmol/l mval/l n ang franc mg CaCO 3 /l mmol/l mval/l n ang franc mg CaCO 3 /l 1 0,5 0,178 0,143 0,1 0, ,356 0,286 0,2 0,02 5,61 2,8 1 0,8 0,56 0,056 7,02 3,5 1,25 1 0,7 0, ,78 1,43 1 0, ,0 14, W Polsce, dawniej, 1 stopień niemiecki ( n): 10 mg CaO/l Obecnie twardość podawana w mg CaCO 3 /l, czasem w mvalach CaCO 3 /l (równoważnikach/l) (masa molowa CaCO 3 = 100 g/mol)

14 Utlenialność wody Utlenialność to wielkość wyrażająca ilość tlenu potrzebną do utlenienia substancji organicznych i niektórych związków nieorganicznych (np. soli żelaza (II), siarkowodoru, siarczków, azotanów (III)) zawartych w wodzie Jest to umowny wskaźnik określający zużycie manganianu(vii) potasu (KMnO 4 ) przez łatwo utleniające się substancje chemiczne, np. siarkowodór, siarczyny, azotyny oraz materię organiczną (związki organiczne). Utlenialność wody wynosi od 4 mg O 2 /dm 3 dla wód czystych do kilkuset mg O 2 /dm 3 dla wód zanieczyszczonych. Substancje organiczne występujące w wodach naturalnych utleniane są za pomocą manganianu(vii) potasu średnio w 60%. Utlenialność daje więc tylko przybliżone pojęcie o związkach organicznych zawartych w wodzie. Dokładniejsze wyniki można uzyskać przez zastosowanie jako utleniacza K 2 Cr 2 O 7 (dichromian potasu). Metoda dichromianowa (ChZT) daje bardzo wysoki stopień utleniania związków organicznych, dochodzący nawet do 100%.

15 Typy ujęć wody

16 Typy ujęć wody

17 Typy ujęć wody

18 Biologiczne: bakterie inne mikroorganizmy Chemiczne: ozonowanie strącanie osadów wymiana jonowa Mechaniczne: destylacja filtracja odwrócona osmoza sedymentacja krystalizacja Oczyszczanie wody

19 Separacja fazy stałej Cedzenie: Kraty Sita Mikrosita Sedymentacja: zawiesin ziarnistych zawiesin kłaczkowatych (pokoagulacyjne) osad zawieszony flotacja Osadniki: poziome odśrodkowe pionowe klarowniki korytarzowe Filtracja

20

21 Koagulacja i strącanie Czynnik Stężenie koloidu Dehydratacja Dodanie elektrolitu Rozproszenie światła Hydrofilowy Koloid jest stabilny do wysokich stężeń Po odwodnieniu żel może z powrotem przejść w zol Niewielkie ilości elektrolitu brak efektu Duża ilość elektrolitu wysalanie koloidu Słaby efekty Tyndalla Typ koloidu Hydrofobowy Stabilny tylko dla małego stężenia Po odwodnieniu żel trudno przechodzi w zol Koagulacja pod wpływem elektrolitu Znaczny efekt Tyndalla

22 Koagulacja i strącanie efekty zmniejszenie zapotrzebowania na utleniacze dzięki zmniejszeniu zawartości węgla organicznego, obniżenie potencjału tworzenia trihalometanów, usunięcie wraz z koloidem zaadsorbowanych na nich zanieczyszczeń, obniżenie zawartości jonów metali, usunięcie bakterii i wirusów zaadsorbowanych na cząstkach koloidów, usunięcie fitoplanktonu (po uprzednim procesie utleniania) obniżenie stężenia substancji podatnych na sorpcję.

23 Koagulacja Koagulację prowadzi się przez użycie: koloidu o znaku przeciwnym cząstek, elektrolitu, promieni β i γ, ogrzewania, czynnika mechanicznego (np. mieszania), dehydratacji (dodatku środka odwadniającego), wymrażania. Flokulacja: Łączenie się fazy rozproszonej w większe aglomeraty, które dają się usunąć metodami filtracji.

24 Procesy utleniania w technologii uzdatniania wody cele usuwanie jonów żelaza(ii) i manganu (II) usuwanie siarkowodoru i siarczków usuwanie substancji odpowiedzialnych za barwę, zapach i smak wody, unieszkodliwianie fito i zooplanktonu, destrukcja materii organicznej zawartej w wodzie, destabilizacja koloidów wspomaganie koagulacji, dezynfekcja końcowa

25 Procesy utleniania w technologii uzdatniania wody środki powietrze (aeracja) chlor podchloryn sodowy elektrochlorowanie i metoda MIOX ditlenek chloru ozon O Cl O O Cl O Zaawansowane metody: z naświetlaniem proces O 3 /H 2 O 2, proces H 2 O 2 /UV, proces O 3 /UV

26 Metody sorpcyjne Sorbenty mineralne: żel krzemionkowy tlenki i wodorotlenki metali (Al, Fe(III)) zeolity Sorbenty węglowe węgiel pylisty węgiel biologicznie aktywny węgiel granulowany

27 Wymiana jonowa Kationit CH CH 2 CH CH 2 SO 3 H CH CH 2 CH CH 2 CH CH 2 Anionit CH 2 CH CH 2 N(CH 3 ) 3 OH

28

29

30 Procesy membranowe

31 Osmoza

32 Nanofiltracja (0,5 3 MPa)

33 Ultrafiltracja (0,3 1,0 MPa)

34 Elektrodializa

35 Membrany do uzdatniania wody

36 Membra ny do odwróco nej osmozy

37 Biologiczne metody uzdatniania wody (wykorzystanie mechanizmów samooczyszczania wody) obniżają koszt uzdatniania usuwają wiele zanieczyszczeń, zwłaszcza czynników generujących biologiczną niestabilność wody zmniejszają zagrożenie biologiczne urządzeń zmniejszają zapotrzebowanie na utleniacze wymagają mniej skomplikowanych urządzeń (wykorzystuje się flokulację mikroorganizmów lub adhezję do powierzchni; tzw. błony biologicznej) umożliwiają powrót do filtracji powolnej

38 Biologiczne metody uzdatniania wody (filtry powolne) W filtracji powolnej procesy biodegradacji dominują nad równolegle działającymi mechanizmami cedzenia i absorpcji. Biodegradacja zachodzi w błonie biologicznej, którą tworzą: bakterie grzyby wiciowce