Procesy membranowe. Zmikczanie.. PK, WBiI, SZ, SIS, IIIrok

Transkrypt

1 Procesy membranowe. Zmikczanie.. PK, WBiI, SZ, SIS, IIIrok

2 8. cedzenie filtracja (powolna) sedymentacja zawiesiny dezynfekcja napowietrzanie wirusy bakterie zapach rolinny elazo, mangan mikrofauna CH 4 ; H 2 S H 2 O twardo metale zw. organiczne sedymentacja filtracja (szybka) CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mtno koagulacja wizanie chemiczne sorpcja utlenianie

3 2. Rozmiary substancji rozpuszczonych i zawiesin 2.1. Rozmiary i masy czsteczkowe lg Φ Φ (µm) M. czstecz. (D) czstki rozpuszczone koloidy zawiesiny

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

5 2.2. Składniki wód w przyrodzie lg Φ Φ (µm) j.pr. kwasy fulwowe j.złoone minerały ilaste kwasy huminowe wirusy bakterie krzemionka glony cysty

6 3. Odwrócona osmoza zjawisko definicja symbole

7 Odwrócona osmoza (1) błona półprzepuszczalna równowaga dynamiczna osmoza roztwór soli c ( n c m )

8 Odwrócona osmoza (2) osmoza roztwór soli c ( n c m ) Π cinienie osmotyczne Π = k c rozcieczenie roztworu soli

9 Odwrócona osmoza (3) Π cinienie osmotyczne Π = k c n rozcieczenie roztworu soli Π odwrócona osmoza

10 Odwrócona osmoza (4) Π odwrócona osmoza > Π zatenie roztworu soli

11 Π Π > Π Odwrócona Osmoza-OO/RO

12 1. Rozpowszechnienie 1.1. Na wiecie uzdatnianie wody słonej oczyszczanie cieków przemysłowych uzdatnianie cieków komunalnych 2.2. W Polsce uzdatnianie wody (laboratoria, przemysł, gospodarstwo domowe) oczyszczanie odcieków

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

14 4. Charakterystyka ilociowa współczynnik retencji (stopie zatrzymania, współczynnik eliminacji) R s = C z -C Cz stopie konwersji p Y = Q p (100%) Q z

15 przepływ objtociowy I v = V r t S m [m 3 /m 2 d] L = I v [m 3 /m 2 dmpa] p V objto t czas S powierzchnia L przepływ hydrauliczny I v przepływ objtociowy

16 5. Przepływ objtociowy a selektywno przepływ objtociowy wody I w = - A ( P - Π) przepływ substancji rozpuszczonej I s = - B C Π cinienie osmotyczne P cinienie robocze A, B = f (T, P, C, memb) C stenie

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

18

19 Technologia Wody Wykład 12(6) Zmikczanie wody Politechnika Koszaliska Wydział Budownictwa i Inynierii rodowiska Studia Zaoczne, 4 rok

20 Twardo jest zwizana z obecnoci Ca 2+ w wodzie CO 3 2 (wglanowa) SO 4 2, Cl (niewglanowa)

21 Wykres pasmowy Ca 2+ Mg 2+ K + Na 2+ Inne CO 2 2- HCO 3 - SO4 Cl Inne Tw wglan. Inne moliwoci? Tw niew.

22 Jednostki twardoci mval/l N

23 napicie powierzchniowe mydło C n H 2n+1 COOH Ca 2+ Ca Ca mydło + Ca 2+

24 Podział metod zmikczania 1. Fizyczne termiczna odwrócona osmoza 2. Chemiczne

25 Dekarbonizacja termiczna usuwanie twardoci wglanowej CO 2 + H 2 O H H + + HCO - 2H + + CO 2-2 CO Ca 2+ + Ca 2+ Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 Ca(HCO 3 ) 2 temp CaCO 3 + H 2 O + CO 2

26 Ca(HCO 3 ) % rozp w 20 C 75 C zaley od temperatury zaley od czasu wynika z rozpuszczalnoci ograniczony stopie usuwania ze wzgldu na rozpuszczalno C C t (min) CaCO 3 trudno krystalizuje a) podwyszamy temperatur b) zarodki

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

28 Zmikczanie wglanem i wodorotlenkiem sodu (c.d.) b) usuwanie twardoci niewglanowej CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + Na 2 SO 4 c) obliczanie iloci 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 uwzgldniamy wglan sodu powstajcy przy usuwaniu twardoci wglanowej Pozostaje twardo szcztkowa na poziomie 0,2-0,2 mval/dm 3

29 Zmikczanie za pomoc wapna i sody dodajemy Na 2 CO 3 i Ca(OH) 2 zachodzce 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 iloci 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.

30 Zmikczanie fosforanami sodu znikoma rozpuszczalno 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 szcztkowa twardo 0,02 mval/dm 3 zwykle dwustopniowe

31 Zmikczanie i demineralizacja za pomoc wymiany jonowej Jonity nierozpuszczalne polimery zasobne w grupy funkcyjne

32 Wymiana jonowa Usuwanie jonów wapniowych zapewnia równie wymiana jonowa na kationitach. Jony Ca (II) s bardzo łatwo wymieniane na jednowartociowe jony ruchliwe grup funkcyjnych jonitu. Najwikszy stopie wymiany zapewniaj kationity silnie kwane,pracujce w cyklu wodorowym. Wówczas, poza wapniem, usuwane s inne kationy, głównie mangan, elazo i magnez. Woda po dekationizacji charakteryzuje si du kwasowoci i powinna by skierowana na anionity.

33 Wymiana jonowa - w technologii wody proces jednostkowy stosowany w celu obnienia mineralizacji wody - reakcja chemiczna polegajca na wymianie ruchliwych jonów ponidzy faz stał i ciecz Pojcia: -wymieniacz jonowy, kationit, anionit -zdolno jonowymienna -obito przebicia, ładunek przebicia -regeneracja -popłuczyny

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

35 Regeneracja jonitów SO 3 SO 3 Fe +3Na + SO 3 SO 3 Na SO 3 Na + SO 3 Na Fe 3+ Fe OH - Fe(OH) 3 + 3HCl FeCl 3 + 3H 2 O

36 Wymiana jonowa jest kłopotliwa w eksploatacji, jeeli w oczyszczanej wodzie obecny jest tlen rozpuszczony. Wytrcajce si wówczas koloidalne i zawieszone formy elaza skracaj efektywny czas pracy kationów, blokujc grupy funkcyjne i kapilary wymieniacza jonowego. Jony elaza mog równie katalizowa tlenow degradacj anionitów, na które woda kierowana powinna by po kationicie pracujcym w cyklu wodorowym. Fe /2O 2 + H 2 O = Fe OH - Fe(OH) 3

37 Krzywa elucji C Ca 2+ C maksymalne(pocztkowe) C dopuszczalne V przebicia V całkowite t V = Q t

38 Zagadnienia 1. Twardo (definicja, jednostki) 2. Twardo (usuwanie; met.fizyczne/chemiczne) 3. Reakcje chemiczne w usuwaniu twardoci 4. Wymiana jonowa w usuwaniu twardoci

39 TECHNOLOGIA WODY III - WYKŁAD 4 - Kamie kotłowy

40 ph S ph wody stabilnej czyli taka warto ph wody dla której ma miejsce równowaga midzy: jonami wglanowymi, wodorowglanowymi i dwutlenkiem wgla ph rz rzeczywiste ph wody ph S ph rz = I I indeks Langeliera czyli miara odchylenia od ph S

41 I = 0 woda stabilna I > 0 wytrcanie CaCO 3 I < 0 rozpuszczanie CaCO 3

42 MATERIAŁY ULEGAJCE KOROZJI (c.d.) c) indeks Ryzmer a IR = 2pH s - ph rz IR>6,8 (woda korozyjna)

43 Obliczanie phs oraz I -sucha pozost. 140 mg/dm3 -twardo wapn. 1,4 mval/dm S = zasodowo 0,4 mval/dm3 -temperat. 20oC -odczyn ph 6,8 phs = lg (5, / 4, ) - lg 0,4 - lg 1,4 + 0,11 = 8,9 I =ph - phs = 6,8-8,9 = -2,1

44 GŁÓWNE PROBLEMY WYNIKAJCE Z niestabilnej wody w przewodach korozja kamie kotłowy muły mikroorganizmy

45 PROBLEMY Korozja Osady organiczne Kamie kotłowy Organizmy krystaliczny bezpostaciowy

46 RODZAJE OSADÓW osady krystaliczne osady bezpostaciowe

47 Struktura osadów w rurocigach wody pitnej Strefa tlenowa Warstwa przejciowa Strefa beztlenowa ~~~~~ α FeOOH MnO 2 CaCO 3 CaSO 4 2H 2 O α FeOOH Fe 3 O 4 α FeOOH γ FeOOH FeCO 3 FeS Fe 3 (PO 4 ) 2 6H 2 O Strefa redukcyjna eliwo FeCO 3 FeO C SiO 2 Fe 3 P Fe

48 Rozpuszczalno 1. Mineralizacja kationy Na +, Ca 2+, Mg 2+ aniony SO 4 2-, Cl -, HCO 3- a) mineralizacja / siła jonowa b) mineralizacja / zasolenie

49 Iloczyn rozpuszczalnoci K S CA [C + ]+[A ] IR = C A ( ) [ ] [ ] CaCO 3 Ca 2+ + CO 3 2 K S = KS = 4,8 10 [ 2 + ] + [ ] 2 Ca CO -8 3

50 PRZYKŁADY ILOCZYNÓW ROZPUSZCZALNOCI K S Rozpuszczalno mg/dm 3 NaCl CaCl BaCl CaCO 3 4, CaSO 4 6, BaSO 4 1, ,2 Ca 3 (PO 4 ) 2 1, Fe(OH) 2 1, Fe(OH) 3 1,

51 b) mechanizm tworzenia kamienia kotłowego warunkiem koniecznym jest przekroczenie iloczynu rozpuszczalnoci (przesycenie roztworu) dwia etapy powstawania kamienia 1. tworzenie zarodków 2. faza wzrostu

52 fosforany (wapnia i magnezu) / Ca 3 (PO 4 ) 2 Mała rozpuszczalno. Aniony fosforanowe pochodz z wody rozcieczajcej lub substancji inhibujcych korozj (polifosforany). siarczan wapnia / CaSO 4 krzemionka / SiO 2, krzemiany / MgSiO 3 Mała rozpuszczalno przy małym ph i wysokiej temperaturze. Tworz twarde, przylegajce i dobrze termicznie izolujce osady. Czsto tworz je krzemiany magnezu MgSiO 3.

53 WŁACIWOCI I RODZAJE KAMIENIA KOTŁOWEGO Wskaniki charakteryzujce kamie kotłowy a) porowato b) ciar właciwy c) twardo d) przewodnictwo e) cieplne f) skład chemiczny

54 ad a Porowato kamienia kotłowego n = rz poz = 100 % poz γ rz rzeczywisty ciar właciwy kamienia kotłowego (po odliczeniu porów) γ poz pozorny ciar właciwy kamienia kotłowego (bez odliczenia porów)

55 ad b Ciar właciwy = m m w v 1 v ( 3 g/cm ) m k masa kamienia m w masa wody v objto (cm 3 ) g ciar właciwy (rzeczywisty lub pozorny)

56 ad c Twardo dziesiciostopniowa skala twardoci talk gips spat ist. fluoryt apatyt ortoklaz kwarc topaz korund diament twardo kamienia kotłowego mieci si w przedziale od 4 do 7

57 ad d Przewodnictwo cieplne im mniejsze jest przewodnictwo cieplne tym wiksza jest szkodliwo kamienia kotłowego zaley od właciwoci kamienia i sposobu jego powizania z powierzchni przewodu ad e Skład chemiczny wglany siarczany krzemiany

58 2. Bezpostaciowe osady mineralne i organiczne (muły) Obejmuj wszystkie osady, które nie maj charakteru krystalicznego, a s wynikiem akumulacji zawiesin tworzcych luzowate i muliste depozyty (czstki gliny, mikroorganizmy, materia organiczna). Osady tego typu s z reguły mikkie i słabo przylegaj do cianek przewodów. Typowe problemy wywołane a) zmniejszeniem przewodnoci cieplnej b) przegrzanie c) zwikszenie oporów przepływu d) tworzenie kolonii mikroorganizmów e) korozja pod warstw osadu

59 OCHRONA PRZED kamieniem kotłowym POLIMERY STOSOWANE JAKO INHIBITORY TWORZENIA ORAZ DYSPERGENTY Niezbdne właciwoci polimerów 1. zmiana progu granicznej rozpuszczalnoci 2. deformacja kryształów 3. dyspersja wytrconych osadów

60 ad 1 Zmiana progu granicznej rozpuszczalnoci zarodki kryształów mog pojawi si po przekroczeniu granicy iloczynu rozpuszczalnoci inhibitory zapobiegaj tworzeniu kryształków wg mechanizmu progowego

61 H C H 2 C H C H 2 C H C H 2 C H C H 2 C H C Łacuch polikarboksylanowy C C C C C O O O O O O O O O O ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Siatka krystaliczna ma miejsce zatenie inhibitora na powierzchni kryształów ilo inhibitora waha si w granicach od 1 do 5 mg/l

62 ad 2 Deformacja kryształów polimery adsorbuj si na powierzchni kryształów dalszy wzrost jest niesymetryczny kryształki s nietypowe: płatki, wielociany osad jest mikki

63 ad 3 Dyspersja wytrconych osadów sorpcja na zawiesinach powoduje wzrost ładunku ujemnego zawiesin/kryształków, a przez to zapobiegaj ich łczeniu si optymalne polimery organiczne zawieraj a) grupy karboksylowe o słabych właciwociach kwasowych b) grupy sulfonowe o silnych właciwociach kwasowych c) grupy funkcyjne nie podlegajce jonizacji

64 mechanizm a) b) c)

65 DOBÓR POLIMERÓW nie ma polimerów uniwersalnych skuteczne polimery s z reguły specyficzne kryterium oceny: stosunek skutków do kosztów kryteria dla oceny skutków: 1 osad 2 korozja

66 Wglan wapnia CH 2 CH M w = COOH n n =? efekt progowy M w 2000 (czsto polifosforany) dyspersja M w 4500 (czsto poliakrylany) obecnie: kopolimery (zakaz uycia polifosforanów)

67 Tlenki elaza dezaktywuj inhibitory korzysta si z tripolimeru akrylo-sulfono-niejonowego (AA/S/NS)

68 Krzemionka i krzemian magnezu osady trudno-usuwalne (fluorowodorowy kwas) usuwanie SiO 2 i Mn 2+ z wody zastosowanie polikarboksylanu (M cz = 5000) zapobiega wytrcaniu kamienia, do stenia SiO mg/l

69 Struktura osadów w rurocigach wody pitnej Strefa tlenowa Warstwa przejciowa Strefa beztlenowa ~~~~~ α FeOOH MnO 2 CaCO 3 CaSO 4 2H 2 O α FeOOH Fe3O 4 α FeOOH γ FeOOH Strefa redukcyjna eliwo FeCO 3 FeS Fe 3 (PO 4 ) 2 6H 2 O FeCO 3 FeO C SiO 2 Fe 3 P Fe

70 Obróbka magnetyczna 1. Urzdzenie naley dobra indywidualnie w zalenoci od właciwoci wody 2. Jest tym skuteczniejsza im wiksza jest nierównowaga wglanowa 3. Urzdzenie naley dobra w zalenoci od warunków pracy

71 Metody chemicznej stabilizacji wody 1. Szczepienie kwasami i rekarbonizacja obnienie zasadowoci 2. Dozowanie substancji o właciwociach dyspergujcych (polimery) - utrzymuj zawiesiny 3. Dozowanie stabilizatorów (zw. fosforoorganiczne, fosforany, polimery organiczne) 4. Dozowanie nieorganicznych inhibitorów korozji (chromianów, zw. cynku i krzemianów) 5. Dozowanie biocydów (chlor, zw. miedzi) 6. Dozowanie zwizków prowadzcych do rozpuszczania kamienia (sole amonowe lub kwasy)

72 CZYNNIKI WARUNKUJCE INTENSYWNO OSADZANIA SI ZANIECZYSZCZE 1. Natenie przepływu wody 2. Twardo wody 3. Temperatura 4. Rodzaj powierzchni 5. Zmiany w czasie

73 FIZYCZNO-MECHANICZNE METODY UZDATNIANIA WODY 1. Metoda ultradwikowa 2. Metoda mechaniczna 3. Metoda chemiczna 4. Metoda magnetyczna

74 Pole magnetyczne wywiera wpływ na proces krystalizacji osadów powstawanie centrów krystalizacji w objtoci cieczy znaczna dyspersyjno osadów m/r (mg/µm) H 1 H 1 = 3 H 2 H 2 H 2 = A/m 0,5 1,0 1,5 r (µm)

75 Czynniki warunkujce skuteczno 1. Natenie pola magnetycznego 2. Szybko przepływu 3. Gradient pola magnetycznego

76 Podatno wody 1. Wody o małej twardoci tw. og. < 6 mval/dm 3 tw. wgl. > 4 mval/dm 3 stenie soli > 600 mg/dm 3 H A/m 2. Wody o znacznej twardoci tw. og. > 10 mval/dm 3 tw. wgl. > 7 mval/dm 3 stenie soli > 1000 mg/dm 3 H A/m

77 Czynniki obniajce efekt obróbki magnetycznej elazo > 5 mg/dm 3 krzemionka > 40 mg/dm 3 stenie soli > 2000 mg/dm 3 zbyt niskie ph napowietrzanie wody zbyt due stenie Cl i SO 2 4

78 Urzdzenia WC P F F - filtr - hydrocyklon - magnetoodmierzacze P - pompa M - magnetyzer WC - wymiennik ciepła M

79 1 Schemat magnetyzera doprowadzenie napicia 2 - izolacja olejowa 3 - cewka 4 - rdze elektromagnesu 5 - rura sitowa 6 - dopływ wody 7 - odpływ wody