TECHNOLOGIA WODY - WYKŁAD

Transkrypt

1 TECHNOLOGIA WODY Odkwaszanie Odelazianie Zmikczanie - WYKŁAD 5 - PK, WBiI, SZ, SIS-Vsemestr

2 Wody wgłbne Studnia głbinowa Depresja/Lej Woda gruntowa Warstwa nienasycona / nasycona Warstwa nieprzepuszczalna Migracja w.powierz. Dziesitki lat Woda wgłbna Warstwa wodonona

3 Prawidłowe Wysortowanie? Scementowanie? Warstwa wodonona (nasycenia/saturacji)

4 Infiltracja. Procesy zachodzce w warstwie wodononej A.Strefa areacji. Warstwa o małej miszoci - ok. 2m 1.Reakcje chemiczne: 2Fe 2 S O 2 4FeSO 4 + H 2 SO 4 C 6 H 12 O 6 +3O 2 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 2NO 3-6CO 2 + 6H N 2 10Fe NO H 2 O N Fe(OH) H + H 2 SO 4 + 2HCO 3 - SO CO 2 + H 2 O

5 B. Strefa saturacji. Strefa beztlenowa 1. Warstwa o duej miszoci (kilkaset metrów) 2. Zachodzi redukcja azotanów 10Fe NO H 2 O N Fe(OH) H + C 6 H 12 O 6 + 2NO 3-6CO 2 + 6H N 2 3. Zakwaszenie- dalsze 10Fe NO H 2 O N Fe(OH) H + 4.Wzrost stenia manganu 6MnO 2 + C 6 H 12 O 6 6Mn CO 2 + 6H 2 O 5. Wzrost stenia elaza 2Fe(OH) 3 + 2NO - 2 2Fe(OH) 2 + 2NO 3- + H 2 O

6 CO 2 CO 2 atmosferyczny W wodach wgłbnych.. 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 przynaleny Tak wyglda uproszczona `równowaga wglanowa w wodzie wgłbnej

7 Wody podziemne. Podsumowanie 1. Dua mineralizacja 2. Duo rozpuszczonych gazów 3. Znaczna twardo 4. Obecno Fe, Mn 4. Zawarto agresywnego CO 2 5. Brak mikrozanieczyszcze 6. Brak mikroorganizmów 7. Klarowne (barwa, mtno) Wniosek: - wymagaj specyficznych metod oczyszczania

8 Technologia Wody Odkwaszanie wody Politechnika Koszaliska Wydział Budownictwa i Inynierii rodowiska Studia Zaoczne, 4 rok

9 Odkwaszanie. Zakres zastosowania Odkwaszanie jest zwykle niezbdne w układach technologicznych uzdatniania wód wgłbnych i wód infiltracyjnych. Odkwaszanie jest pierwszym procesem w układzie technologicznym oczyszczania tych wód W przypadku wód powierzchniowych agresywny CO 2 pojawia si podczas koagulacji (hydroliza soli - powstanie silnych kwasów-reakcja z składnikami naturalnej zasadowoci Przy zmikczaniu i demineralizacji wód do celów kotłowych, po kationicie wodorowym, stosuje si te usuwanie agresywnego CO 2

10 Metody odkwaszania Odkwaszanie polega na usuwaniu CO 2 wolnego (agresywnego) Metody odkwaszania dzielimy na: fizyczne (stosowane dla wód wgłbnych) chemiczne (uzupełnienie metod fizycznych dla wód wgłbnych, jedyny sposób oczyszczanie dla wód powierzchniowych)

11 Metody fizyczne cco 2 = H x pco 2 CO 2 Gaz ~~~~~~~~~~~ H = const. CO 2 Gaz Nastpuje wyrównanie cinie czst. w wodzie i atmosferze (powietrzu) W przypadku nadmiaru CO 2 w wodzie (wody wgłbne) nastpi przejcie nadmiaru CO 2 do powietrza.

12 Istota metody fizycznej odkwaszania polega zatem na przejciu CO 2, obecnego w wodzie, do powietrza. Efekt ten uzyskuje si poprzez kontakt tych mediów Od czego zaley przeniesiony ładunek-l? L = S t F Natenie strumienia (szybkoprzejcia przez gran rozdz faz) Czas trwania procesu Powierzchnia rozdziału faz

13 L = f ( S, t, F) Czynniki zalene i niezalene od technologa? Powierzchnia rozdziału faz - S Czas trwania procesu - t Natenie strumienia - F (szybkoprzejcia przez gran rozdz faz) Od czego zaley natenie strumienia F? F = f ( T, z, H, c, l ) Temperatura Zasolenie Grubo filmu Rónica cinie czst.w wodzie i pow Rodzaj gazu (stała Henryego)

14 Procesy towarzyszce 1. Nastpuje usuwanie wszystkich substancji lotnych siarkowodór LZO (lotne zwizki organiczne) 2. Nastpuje napowietrzenie wody (wyrównanie cinie czstkowych wszystkich gazów z powietrzem atmosferycznym) wzrost stenia tlenu prowadzi do utlenienia składników zredukowanych, np.: 4Fe 2+ + O 2 + 2H 2 O = 4Fe OH - Fe(OH) 3

15 Zasada doboru urzdze do odkwaszania Rodzaj napowietrzania ( urzdzenia) Kocowe stenie CO 2 mg/l Zasadowo val/l Cinieniowe > 5 Otwarte wytryski. zwyk dysze zdeeniowe złoa ociekowe c.n. złoa ociekowe c.w

16 Zalety metody fizycznej odkwaszania 1. Dua wydajno 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

17 Metody chemiczne odkwaszania wprowadzamy gdy zachodzi konieczno usuwania resztkowego wolnego CO 2 polega na dodatku chemikaliów wicych 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

18 Metody chemiczne odkwaszania wprowadzamy gdy zachodzi konieczno usuwania resztkowego wolnego CO 2 Zalety metody chemicznej wyczerpujce usuwanie wolnego CO 2 Wady metody chemicznej dodatek chemikaliów kosztowna wymaga nadzoru Ponadto moe zachodzi : wytrcanie CaCO 3 w sieci alkalizacja wody (ph ) wzrost twardoci (10 mvalcaco 3 /l)

19 Odkwaszenie wody w wyniku filtracji przez złoe 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

20

21 Usuwanie elaza i manganu Wystpowanie elaza i manganu Usuwanie elaza z wody Usuwanie manganu z wody Urzdzenia stosowane do usuwania elaza i manganu

22 Wystpowanie Fe i Mn Wody podziemne: Fe iloci ladowe 100 mg/l Mn 0-10 mg/l Wody infiltracyjne Wody powierzchniowe

23 Czynniki wpływajce na usuwanie elaza Stenie elaza Rodzaj i stenie jonów towarzyszcych Odczyn wody Stenie tlenu w wodzie Stenie dwutlenku wgla Prdkofiltracji Rodzaj, uziarnienie i wysokozłoa

24 Usuwanie Fe z wody Hydroliza zwizków elaza Fe(HCO 3 ) 2 + 2H 2 O=Fe(OH) H 2 CO 3 FeSO 4 + 2H 2 O = Fe(OH) 2 + H 2 SO 4 Usuwanie kwanych produktów reakcji Wapnem hydratyzowanym H 2 SO 4 + Ca(OH) 2 = CaSO 4 + 2H 2 O Wglanem sodu Na 2 CO 3 + H 2 O = 2NaOH + CO 2 Wodorotlenkiem sodu 2 NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O NaOH + CO 2 = NaHCO 3 Utlenianie Fe(II) do Fe(III) 4Fe 2+ + O H 2 O = 4Fe(OH) 3 + 8H + 2Fe 2+ + Cl 2 + 6H 2 O=2Fe(OH) 3 + 2Cl - + 6H +

25 ph 7 Fe < 8mg/L, Fe > 8mg/L Metody odelaziania aeracja + filtracja (+ dezynfekcja) aeracja + sedymentacja + filtracja (+ dezynfekcja) ph<7 napowietrzanie + alkalizacja + filtracja (+ dezynfekcja) elazo w postaci kompleksów organicznych Koagulacja + sedymentacja + filtracja (+ dezynfekcja)

26 W zakresie ph 6-8 potrzebne jest około 0,5-1,0 mgo 2 /L

27 Odelaziacze Fe<2 mg/l odelaziacze jednostopniowe Fe>2 mg/l odelaziacze dwustopniowe warstwa górna z materiału kontaktowego d=3-5 mm (h<2m) warstwa dolna z materiału filtracyjnego d=0,6-1,5 mm (h<1,2m)

28 Usuwanie z wody manganu W procesie utleniania Potencjał oksydacyjno redukcyjny układu Mn 2+ /Mn 4+ przy ph = 7 wynosi +0,5 V przy ph = 9,5 wynosi ok.. +0,25 V Na wpracowanym złou piasku kwarcowego Na aktywnych złoach filtracyjnych

29

30 W procesie filtracji wody, ju po dwutygodniowym wpracowaniu złoa zachodz przemiany biochemiczne. Na złou rozwijaj si bakterie chemoorganotroficzne (bakterie z rodziny Siderocapsaceae), autotroficzne bakterie siarkowe (Thiobacillus ferrooxidans), czy mikroorganizmy magnetotaktyczne (Magnetospirillum magnetotacticum, Magnetospirillum gryphiswaldense i Magnetobacterium bavaricum) i inne biorce udział w wizaniu i utlenianiu zarówno Fe(II) jak i Mn(II)

31 Tabela 2. Wystpowanie elaza i manganu w wodach podziemnych (wg Z. Płochniewskiego, 1973) [7], Typ rodowiska. Hydrogeochemicznego Wody w utworach wodnolodowcowych Pod glinami zwałowymi Wody w utworach wodnolodowcowych bez przykrycia glinami zwałowymi Wody w utworach rzecznych, torfach lub Madach Wody w utworach rzecznych bez torfów i mad Rodzaj ujcia wody Studnie wiercone ródła rednia waona Studnie wiercone Studnie kopane rednia waona Studnie wiercone Studnie kopaneednia Studnie wiercone Studnie kopane rednia Studnie wa ona wiercone Studnie kopane rednia wa ona Wartoci rednie mg/dm 3 elazo mangan 2,66 0,19 1,81 0,16 2,56 0,19 1,50 0,17 0,77 5,04 1,27 3,49 2,06 0,21 1,52 0,20 0,04 0,10 0,50 0,28 0,40 0,35 0,16 0,30 Wody w utworach deltowych 9,97 0,93 Wisły (2uławy Wilane) 1,83 0,68 8,24 0,89 Wody w utworach wydmowych (Kampinos) Studnie kopane 0,08 0,03

32 Zakres stosowania Problem odelaziania wystpuje zwykle w oczyszczaniu wód podziemnych i infiltracyjnych oraz sporadycznie przy oczyszczaniu wód powierzchniowych. Jeeli istnieje potrzeba usuwania elaza z wód powierzchniowych, to zwykle wystarczajce efekty uzyskuje si w procesach koagulacji, sedymentacji i filtracji.

33 Jeeli woda jest napowietrzana, wówczas jony Fe (II) utleniane s tlenem rozpuszczonym w wodzie zgodnie reakcj: 4Fe 2 + O H 2 O = 4Fe(OH) 3 + 8H +. Jeeli natomiast woda nie jest napowietrzana, to w celu utlenienia Fe (II) stosuje si utleniacze chemiczne, którymi najczciej s 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 +.

34 Powstajcy wodorotlenek elazowy (Fe(OH) 3 ) jest znacznie trudniej rozpuszczalny ni Fe(OH) 2, a ich minimalne rozpuszczalnoci w wodzie wynosz odpowiednio: 4,3 x 10-5 g Fe/m 3 oraz 0,67 g Fe/m 3. Jak wynika z reakcji utlenianiu jonów Fe (II) towarzyszy zakwaszenie wody, std istotna jest rola ph oczyszczanej wody decydujca o iloci wytrconego trudno rozpuszczalnego Fe(OH) 3. Rozpuszczalno Fe(OH) 3 maleje ze wzrostem ph do ok. 8, a nastpnie zwiksza si. Wyrane zwikszenie rozpuszczalnoci przy ph>10 wynika z przejcia Fe(OH) 3 do rozpuszczalnego anionu Fe(OH) 4-. Problem ten jest do pominicia w odniesieniu do wód do picia, w których wartoph<10.

35 1-napowietrzanie otwarte,2-komora reakcji do wytworzenia kła c z k ó w F e( O H ) 3 lub osadnik do zatrzymania wytr c o n e j z a w ie s in y F e (O H ) 3,3-filtracja na filtrach ze zło e m p ia s k o w y m p o k r y ty m tlenkami e la z a i m a n g a n u, 4 - d e z y n f e k c ja Rys.9. Grawitacyjny ukła d o c z y s zc z a n ia w ó d p o d zie m n y c h [ 1 2 ]. 1-napowietrzania cinieniowe,2-filtracja cinieniowa,3-dezynfekcja Rys.10. Cinieniowy układ oczyszczania wód podziemnych[12] 1-napowietrzanie,2-filtr kontaktowy,3-dezynfekcja Rys.12. Oczyszczania wód podziemnych z napowietrzaniem i filtracj kontaktow [12

36 Rys.23 Schemat urzdzenia do napowietrzania wody przez rozdeszczowanie[17] Rys.24 Schemat napowietrzania wody na ociekaczach przy odelazianiu wody[16] 1-studnia, 2-pompyI stopnia, 3-ociekacz, 4-osadnik, 5-filtr popieszny, 6-zbiornik wody czystej, 7-przewod ssawny pomp II stopnia

37

38 Odelazianie 1. Wystepowanie 2. Substancje towarzyszce 3. Koncepcja odelaziania 4.Chemizm odelaziania 5. Schematy technologiczne 6. Urzdzenia do odelaziania

39 Technologia Wody Zmikczanie wody Politechnika Koszaliska WydziałBudownictwa i Inynierii rodowiska Studia Zaoczne, 4 rok

40 Woda dla przemysłu Sucha pozostało Cl - Fe i Mn Zawiesina Barwa Metale cikie Detergenty Ca mg/dm brak brak obnione

41 Najwiksze iloci wody stosuje si do celów chłodniczych i wytwarzania pary. Wody te musz charakteryzowa si mał twardoci Usuwanie twardoci wody nazywamy zmikczaniem.

42 Zmikczanie - definicja Całkowite lub czciowe usunicie twardoci Twardo - definicja Właciwo wody powodujca, e si nie pieni po dodaniu mydła Suma kationów wielowartociowych w wodzie (głównie Ca 2+ i Mg 2+ )

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

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

45 Jednostki twardoci mval/l N

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

47 Podziałmetod zmikczania 1. Fizyczne termiczna odwrócona osmoza 2. Chemiczne

48 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

49 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

50 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

51 Zmikczanie wglanem i wodorotlenkiem sodu nieznaczna twardo wglanowa / dua twardo niewglanowa a) usuwanie twardoci wglanowej 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 te zmikcza Ca(HCO 3 ) 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + 2NaHCO 3

52 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 Hg + 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

53 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.

54 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 CaCO 3 + Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + Na 2 CO 3 CaSO 4 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3Na 2 SO 4 szcztkowa twardo 0,02 mval/dm 3 zwykle dwustopniowe

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

56 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.

57 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

58 Zakres zastosowania - usuwanie twardoci - odelazianie(?) - demineralizacja

59 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

60 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

61 Zakres zastosowania - usuwanie twardoci - odelazianie(?) - demineralizacja

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

63 Zmikczanie wody za pomoc kationitu Cykl H + 2 KtH + Ca(HCO 3 ) 2 Kt 2 Ca + 2H 2 O + 2CO 2 Cykl Na + 2KtNa + Ca(HCO 3 ) 2 Kt 2 Ca + 2NaHCO 3

64 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 + CaCl 2 odgaz CaCl 2 Na + MgCl 2 NaCl MgCl 2 NaCl MgCl 2 NaCl Słabo kwany kationit Na 2 SO 4 NaCl

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