Ocena brak

Mechaniczne i fizyczno-chemiczne uzdatnianie wody

Autor /kokosanka Dodano /30.01.2014

Woda w stanie surowym na ogół nie odpowiada wymaganiom stawianym przez użytkownika. Dlatego istnieje potrzeba jej uzdatniania (oczyszczania).

Metody uzdatniania wody dzielą się na mechaniczne i fizyczno-chemiczne. Do mechanicznych sposobów oczyszczania wody zalicza się usuwanie zawiesin za pomocą sedymentacji, filtrowanie, odgazowanie i usuwanie zapachów za pomocą napowietrzania. Procesy fizyczno-chemiczne obejmują m.in. koagulację, zmiękczanie, demineralizację, odżelazianie, odmanganianie, dezynfekcję (chlorem, ozonem oraz filtrację).

Do usuwania zawiesin stosuje się kraty (dla grubszych zawiesin) i sita. Zawiesiny drobne, łatwo odpadające, usuwa się za pomocą osadników poziomych, pionowych i radialnych (odśrodkowych). Filtry służą do usuwania zawiesin trudno opadających. Złoże filtracyjne składać się może z piasku kwarcowego o różnej granulacji.

Rozpuszczone w wodzie gazy C02 i 02 nadają jej właściwości korozyjne, a siarkowodór wywołuje nieprzyjemny zapach i smak wody. Powyższe gazy mogą

być usunięte przez degazaeję wody (odgazowanie). Do usuwania gazów są stosowane metody fizyczne i chemiczne. Metoda fizyczna polega na napowietrzaniu wody pod ciśnieniem atmosferycznym lub pod zmniejszonym ciśnieniem. Inną metodą usuwania gazów jest metoda termiczna polegająca na mieszaniu odgazowywanej wody z parą, pod zredukowanym ciśnieniem.

Koagulacja. Związki koloidalne nadają wodom naturalnym barwę i mętność, których nie można usunąć metodami mechanicznymi. Dodanie koagulantu, np. A12(S04)3, do wody zawierającej cząstki koloidalne, przeważnie o ujemnym ładunku elektrycznym powoduje powstawanie drobnych kłaczków (flokulacja), a następnie utworzenie z nich dużych* kłaczków Al(QH):v

Zmiękczanie. Twardość wody jest spowodowana obecnością głównie jonów wapnia i magnezu. Jony żelaza, manganu i glinu również nadają wodzie twardość. Jednak z powodu małych ilości tych jonów w stosunku do zawartości jonów wapnia i magnezu, tego rodzaju twardości zwykle nie bierze się pod uwagę. Istnieje kilka metod zmiękczania wody: metoda termiczna, metoda chemiczna (zmiękczanie przy użyciu wapna, wapna i sody, ługu sodowego oraz sody - Na2C03) oraz metody wymiany jonowej.

Zmiękczanie termiczne stosuje się do wód o dużej twardości węglanowej (przemijającej). W podwyższonej temperaturze (do 100°C) wodorowęglany ulegają rozpadowi i wytrącają się w postaci osadu. Na przykład Ca(HC03)2 —> CaC03i + H20 + C02t Dekarbonizacja jest chemiczną metodą zmiękczania wody. Odbywa się przez działanie na wodę wapnem w postaci mleka wapiennego Ca(OH)2 Ca(HC03)2 + Ca(OH)2 -> 2CaC03i + 2H20

Twardość niewęglanową powodowaną obecnością jonów wapnia i magnezu, powiązanych z innymi jonami niż węglanowe, usuwa się zgodnie z reakcjami: CaCl2 + Na2C03 -> CaC03^ + 2NaCl CaS04 + Na2C03 -> CaC03i + Na2S04MgCl2 + Na2C03 -> MgC03i + 2NaCl MgS04 + Na2C03 MgC03^ + Na2S04

Powyższa metoda nie usuwa całkowicie twardości, pozostaje bowiem tzw. twardość szczątkowa.

Zmiękczanie wody na jonitach (wymieniaczach jonowych). Metoda ta opiera się na zdolności nierozpuszczalnych substancji stałych lub płynnych do wymiany jonowej z rozpuszczonymi jonami obecnymi w wodzie. Substancje o takich właściwościach (j ono wymiennych) nazywa się jonitami. Substancje wymieniające kationy nazywają się kationitami, wymieniające aniony - anionitami.

Jonity, sorbując jony obecne w wodzie, oddają równoważną ilość jonów, którymi zostały nasycone. Grupy chemicznie czynne (funkcjonalne) jonitów decydują o przebiegu reakcji wymiany jonowej. Jonity dzieli się na organiczne

i nieorganiczne (mineralne). Oba typy mogą być pochodzenia naturalnego lub syntetycznego. Do naturalnych jonitów nieorganicznych należą bentonity i glinokrze-miany metali alkalicznych (zeolity), do organicznych np. węgle brunatne i torf. Do zmiękczania wody są używane kationity mające do wymiany jon sodowy (ka-tionit sodowy) lub jon wodorowy (kationit wodorowy). Reakcja przebiega następująco (Kt oznacza część kationitu nie ulegającą zmianie):

2KtNa + Ca(HC03)2 -» Kt2Ca + 2NaHC03 2KtNa + CaS04 Kt2Ca + Na2S04

2KtNa + MgCl2 -> Kt2Mg + 2NaCl

Po wyczerpaniu pojemności wymiennej przeprowadza się regenerację kationitu, np. 5-10 proc. roztworem NaCl.

Demineralizację wody za pomocąjonitów (odsalanie) prowadzi się w dwóch etapach. W pierwszym usuwa się kationy, a następnie filtrat po kationicie przepuszcza się przez anionit. Do demineralizacji wody stosuje się także inne metody: destylację, dializę elektrochemiczną i odwróconą osmozę.

Odżelazianie i odmanganianie wody. Zasada chemicznego odżelaziania polega na utlenieniu żelaza dwuwartościowego i odfiltrowaniu wytrąconego Fe(OH)3. Utlenianie związków żelaza dwuwartościowego może być przeprowadzone wieloma metodami. Najprostszym sposobem jest napowietrzanie wody. Podczas napowietrzania usuwa się C02 i utlenia żelazo, które ulega wytrąceniu. Napowietrzanie odbywa się w specjalnych urządzeniach otwartych lub zamkniętych.

Odmanganianie. W wodach naturalnych oprócz żelaza występują związki manganu w ilościach znacznie mniejszych od żelaza. Usuwanie manganu jest znacznie trudniejsze niż żelaza, ponieważ mangan trudno utlenia się pod wpływem tlenu z powietrza do nierozpuszczalnego Mn02. Mangan z wody można usunąć albo przez napowietrzenie wody zalkalizowanej do pH 9,5 i wyższego, albo przez filtrowanie przez złoże piaskowe uaktywnione tlenkami manganu. Zamiast uaktywnionego złoża piaskowego można stosować podobne złoże z dowolnego kationitu, po przefiltrowaniu przez nie roztworów chlorku manganu MnCl2

i nadmanganianu potasu KMn04.

Usuwanie azotynów i azotanów, stosowane jako odrębny zabieg oczyszczania wody, jest coraz częściej spotykanym zabiegiem w przemyśle spożywczym. Powodem jest ich duże stężenie w wodzie, wynikające z intensywnego nawożenia mineralnego oraz wyjątkowa szkodliwość dla organizmu człowieka.

Dezynfekcja (odkażanie) wody. Wody naturalne, a szczególnie powierzchniowe, z reguły zawierają bakterie, wśród których mogą występować również patogenne. Aby przeprowadzić skuteczne odkażanie wody, przeprowadza się je po uprzednim fizyczno-chemicznym uzdatnieniu. Termin dezynfekcja oznacza w praktyce zniszczenie zdecydowanej większości bakterii. Całkowite zniszczenie mikroorganizmów można uzyskać przez sterylizację. Dezynfekcję wody można prowadzić środkami fizycznymi lub chemicznymi. Do środków fizycznych zalicza się metody termiczne, działanie promieniowania nadfioletowego, promieniowania jonizującego, ultradźwięków i ultrafiltrację. Do metod chemicznych zalicza się stosowanie silnych utleniaczy (chloru i jego związków, jodu, bromu i ozonu) oraz metodę oligodynamiczną, w której stosuje się sole srebra i miedzi.

Najprostszą metodą fizyczną niszczenia bakterii jest gotowanie wody, np. przez 10-20 min. Stosowana jest też metoda pasteryzacji, polegająca na ogrzewaniu wody do temp. 100°C, ochłodzeniu do 35°C, pozostawieniu w tej temperaturze przez

2 godz. i ponownym ogrzaniu. Zabieg ten powtarza się kilkakrotnie.

Większość bakterii ma wymiary 1-2 fim, dlatego filtracja wody przez przegrodę o wymiarach porów mniejszych od 1 \im może usunąć z niej bakterie, w tym również patogenne. Mikrofiltracji można poddać tylko wodę klarowną bez zawiesin, ponieważ mogą zatykać pory filtru. Przez wiele lat stosowano filtry ceramiczne lub porcelanowe. Obecnie stosuje się membrany różnej generacji: z estrów celulozy, ceramiczne i metalowe.

Inne metody fizyczne - stosowanie promieniowania nadfioletowego, promieniowania jonizującego, ultradźwięków, mają ograniczone zastosowanie w warunkach przemysłowych.

Najbardziej rozpowszechnioną chemiczną metodą dezynfekcji wody jest jej potraktowanie chloraminą B (pochodną benzenu). Stosowany jest także dwutlenek chloru (C102). Do dezynfekcji stosuje się najczęściej wodne roztwory chloru gazowego, które są wytwarzane w aparatach zwanych chlorownicami albo chlo-ratorami. Chlor rozpuszczony w wodzie ulega hydrolizie, w wyniku której powstaje bardzo słaby kwas podchlorowy i kwas solny:

Cl2 + H20-> HCIO + HC1 HCIO —» CIO" + H"

Po wprowadzeniu chloru do wody pewna jego część zostaje zużyta do zniszczenia bakterii, inna do utleniania związków organicznych i nieorganicznych, część łączy się z azotem amonowym, tworząc chloraminy:

NH3 + Cl2 -> NH2C1 + HC1

Największą aktywność bakteriobójczą ma kwas podchlorowy HCIO, który łatwiej przenika przez błony komórkowe niż jon CIO" i niszczy w ten sposób system enzymatyczny bakterii.

Dwutlenek chloru C102 jest skutecznym środkiem dezynfekującym. Jest to gaz łatwo rozpuszczający się w wodzie. Jest silnym związkiem utleniającym. Stosowany jest do uzdatniania i dezynfekcji wody zanieczyszczonej fenolem i jego pochodnymi (chlor gazowy Cl2 tworzy z fenolem nieprzyjemny apteczny smak i zapach). Właściwości bakteriobójcze C102 w zakresie pH 7,5-8,5 są2,5-krotnie większe niż chloru. Chlorowanie wody dużymi dawkami (powyżej 0,1 mg Cl/dmJ) jest skuteczne, lecz konieczne jest wówczas usunięcie jego nadmiaru (lub całości). Usuwanie nadmiaru chloru nazywa się dechloracją. Przeprowadza się ją metodami fizycznymi na sorbentach (np. na węglu aktywnym) lub metodami chemicznymi, redukując chlor do chlorków.

Konkurencyjnym środkiem dezynfekującym dla chloru jest ozon. Ozon 03 jest bardzo silnym utleniaczem. Podczas dezynfekcji wody (wprowadzany jest razem z powietrzem metodą barbotażu) niszczy bakterie, wirusy i cysty. Ponadto ozonowanie wody usuwa zapach i smak pochodzący od fenoli, chlorofenoli i innych substancji i niszczy niektóre związki chemiczne uważane za rakotwórcze, na przykład 3,4-benzopiren. Ozon wytwarza się z powietrza w urządzeniach zwanych ozonatorami.

 

Podobne prace

Do góry