Technologia Wody Wykład 12(6) Zmiękczanie wody Politechnika Koszalińska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Studia Zaoczne, 4 rok
Zużycie Wody w Polsce Przeznaczenie Zużycie w latach (hm 3 ) 1988 1993 1996 Przemysł 9220 8140 8320 Gosp. komunalna 2590 1395 1425 R i L 1540 1395 1425 hm 3 =?
Wskaźniki jakości wody fizyczne (temperatura) mikrobiologiczne chemiczne (zw. biogeniczne, POP s RZO)
Wartości dopuszczalne wybranych wskaźników zanieczyszczeń Wskaźnik Jednost. W. chemiczne Metale µg/l S. pozos. mg/l Detergenty mg/l N og mg/l P og mg/l Zawiesina mg/l Biologiczne Indeks Coli l/100cm 3 Fizyczne Temperat. C Dopuszczalne wartości Rol Chło Hod Wod 0,1 0,01 1 500 2000 700 4 2 1 5 0,5 20 1,5 20 1000 10 6 < 2 5
Woda dla przemysłu Sucha pozostałość Cl - Fe i Mn Zawiesina Barwa Metale ciężkie Detergenty 50-2500 mg/dm 3 50-1000 0-1 5-100 0-100 brak brak
Charakterystyka wód Wskaźnik zanieczyszczenia Zawiesina Mętność Barwa I. coli Eks. eterowy Detergenty ChZT BZT 5 P og N og Kadm Ołów WWA Jednostka W.wod. Śc.miej. Śc. m.b.ocz. g/m 3 mg/dm 3 mg/dm 3 L/100 cm 3 mg/dm 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 g/m 3 mg/dm 3 0,0 1 5 0 0,06 0 3 0 0,02 0,1 0,001 0,03 0,0 400 100 120 10 8 2500 100 800 300 15 70 0,7 0,5 10 50 45 75 10 5 5 0,1 60 25 10 35 0,005 0,085 1 W.pow. III kl. 50 naturalna 10 4 15 1,0 100 12 15 0,4 0,1 0,05 2
Skład wód sączenie woda 0,5 µm Rozpuszczone Zawiesina nieorganiczne organiczne detrytus organizmy s. biogen. m. ciężkie zasolenie aniony całkowite (ChZT, RWO) labilne (BZT 5 ) ekstrakt eter mikro-zaniecz. (WWA, PCB...) aminokwasy, cukry saprobowe chorobotwórcze
Zasolenie Przyrost soli nieorganicznych w ściekach miejskich: 300 g/m 3 20 g N + 20 g Ca 2+ 60 g Na + 60 g Cl - 30 g SO 4 2-40 g CO 3 2-10 g K + 10 g Mg 2+
Największe ilości wody stosuje się do celów chłodniczych i wytwarzania pary. Wody te muszą charakteryzować się małą twardością Usuwanie twardości wody nazywamy zmiękczaniem.
Zmiękczanie - definicja Całkowite lub częściowe usunięcie twardości Twardość - definicja Właściwość wody powodująca, że się nie pieni po dodaniu mydła Suma kationów wielowartościowych w wodzie (głównie Ca 2+ i Mg 2+ )
Twardość jest związana z obecnością Ca 2+ w wodzie CO 3 2 (węglanowa) SO 4 2, Cl (niewęglanowa)
Wykres pasmowy Ca 2+ Mg 2+ K + Na 2+ Inne CO 2 2- HCO 3 - SO4 Cl Inne Tw węglan. Inne możliwości? Tw niew.
Jednostki twardości mval/l N
napięcie powierzchniowe mydło C n H 2n+1 COOH Ca 2+ Ca Ca mydło + Ca 2+
Podział metod zmiękczania 1. Fizyczne termiczna odwrócona osmoza 2. Chemiczne
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
Ca(HCO 3 ) % 100 80 60 rozp w 20 C 75 C zależy od temperatury zależy od czasu wynika z rozpuszczalności ograniczony stopień usuwania ze względu na rozpuszczalność 40 90 C 20 100 C 20 40 60 t (min) CaCO 3 trudno krystalizuje a) podwyższamy temperaturę b) zarodki
Szybkość usuwania twardości węglanowej Ca(HCO3)2 w zależności od czasu i temperatury: a) wrzenie powolne, b) wrzenie intensywne
Schemat reaktora do termicznej dekarbonizacji wody 1- dopływ wody, 2- dopływ pary grzejnej, 3- odpływ wody zdekarbonizowanej 4- spust osadów, 5- dopływ odmulin powrotnych, 6- odpowietrzenie, 7- reaktor powolny 8-kaskadowy podgrzewacz wody
ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNEpodział metod usuwania Sedymentacja/Flotacja Filtracja przegrody -kraty -sita -µ -sita -przegrody -membrany złoża porowate -liczba warstw -jednowarstwowe -wielowarstwowe -szybkośc filtracji -powolne -szybkie złoża namywane -perforowane -siatkowe Metody membranowe -µ -filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO) -ciagłość pracy -ciągłe -okresowe(płukane) -specjalne -odżelazianie -wymiana jonowa -adsorpcja
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) 10 10-4 -3-2 -1 0 1 1 2 3
2.2. Składniki wód w przyrodzie -6-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm) 10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 1 10 10 2 10 3 j.pr. kwasy fulwowe j.złożon e minerały ilaste kwasy huminowe wirusy bakterie krzemionka glony cysty
Π 1. 2. 3. Π > Π Odwrócona Osmoza-OO/RO 1-2-3-4-5 4. 5.
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
Schemat reaktora stożkowego do zmiękczania wody metodą wapnowania 1- dopływ wody surowej, 2- dopływ wody wapiennej, 3- odpływ wody zdekarbonizowanej, 4- hydroelewator, 5- dopływ wody uzdatnianej, 6- dopływ masy kontaktowej, 7- komora wirowa, 8- spust osadów
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
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
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.
Schemat instalacji do zmiękczania metodą wapno-soda 1- rozdzielacz wody, 2- zbiornik do rozpuszczania węglanu sodu z dozownikiem, 3- sytnik wapna, 4- reaktor, 5- mieszacz, 6- kaskadowy podgrzewacz wody, 7- filtr, 8- dopływ wody uzdatnianej, 9- dopływ pary, 10- odpływ wody zmiekczonej, 11- odprowadzenie oparów
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
Schemat instalacji do zmiękczania fosforanami metoda pośrednią 1- rozdzielacz wody, 2- zbiornik do rozpuszczania sody z dawkownikiem, 3- sytnik wapna, 4- kaskadowy podgrzewacz wody, 5- reaktor sodowo-wapniowy, 6- mieszacz wapna, 7- reaktor fosforanowy, 8- zbiornik do rozpuszczania i dozowania fosforanów, 9- filtr, 10- dopływ wody uzdatnianej, 11- odpływ wody, 12- dopływ pary, 13- odprowadzenie oparów
Zmiękczanie i demineralizacja za pomocą wymiany jonowej Jonity nierozpuszczalne polimery zasobne w grupy funkcyjne
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.
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
Zakres zastosowania - usuwanie twardości - odżelazianie(?) - demineralizacja
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
Regeneracja jonitów SO 3 SO 3 Fe +3Na + SO 3 SO 3 Na SO 3 Na + SO 3 Na Fe 3+ Fe 3+ + 3OH - Fe(OH) 3 + 3HCl FeCl 3 + 3H 2 O
Zakres zastosowania - usuwanie twardości - odżelazianie(?) - demineralizacja
Wymiana jonowa jest kłopotliwa w eksploatacji, jeżeli w oczyszczanej wodzie obecny jest tlen rozpuszczony. Wytrącające się wówczas koloidalne i zawieszone formy żelaza skracają efektywny czas pracy kationów, blokując grupy funkcyjne i kapilary wymieniacza jonowego. Jony żelaza mogą również katalizować tlenową degradację anionitów, na które woda kierowana powinna być po kationicie pracującym w cyklu wodorowym. Fe 2+ + 1/2O 2 + H 2 O = Fe 3+ + 2OH - Fe(OH) 3
Krzywa elucji C Ca 2+ C maksymalne(początkowe) C dopuszczalne V przebicia V całkowite t V = Q t
Zmiękczanie wody za pomocą 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
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
Zagadnienia 1. Twardość (definicja, jednostki) 2. Twardość (usuwanie; met.fizyczne/chemiczne) 3. Reakcje chemiczne w usuwaniu twardości 4. Wymiana jonowa w usuwaniu twardości