Dokážeme ji připravit opravdu čistou???

Transkript

1 Dokážeme ji připravit opravdu čistou???

2 VODA - Dokážeme ji připravit opravdu čistou??? pitná Voda průmyslová užitková odpadní srážková Metody úpravy (obecně) aerace mechanická separace nečistot, filtrace aplikace iontoměničů reverzní osmóza

3 VODA - Dokážeme ji připravit opravdu čistou??? Aerace - v případě deficitu O 2 ve vodě - pro odpachování vody (H 2 S) - odkyselení vody odvětráním CO 2 - odželezňování a odmanganování - v případě, kdy se odvětráním CO 2 poruší redox rovnováha a sloučeniny Fe a Mn se vylučují v podobě sraženin Výhody: - dosažení technologického účinky úpravny bez použití dalších chemikálií -velmi účinné odpachování vod (podzemní vody) Nevýhody: - vhodné pouze pro některé druhy vod - neúčinné odpachování povrchových vod v důsledku biologické kontaminace - odstranění Fe a Mn pouze v případě vazby sloučenin karbonátovou vazbou

4 Čiření Mechanická separace nečistot Metody jsou založené na mechanickém odstraňování nečistot - zejména koloidních - tvorbou vločkového mraku a zachycováním na něm. Vločkový mrak vzniká aplikací koagulačních činidel v prostředí o určitém ph (rozlišujeme kyselé, neutrální a zásadité čiření). Čiření: 1) přidání koagulačních činidel do vstupující vody 2) flokulace (v případě nutnosti použití flokulačních činidel) 3) vznik vločkového mraku 4) záchyt nečistot na vločkovém mraku 5) odtah části vločkového mraku z čiřiče

5 Čiření Mechanická separace nečistot Metody jsou založené na mechanickém odstraňování nečistot - zejména koloidních - tvorbou vločkového mraku a zachycováním na něm. Vločkový mrak vzniká aplikací koagulačních činidel v prostředí o určitém ph (rozlišujeme kyselé, neutrální a zásadité čiření). Chemie čiření: 1) Kyselé čiření - aplikované flok. činidlo Fe 2 (SO 4 ) 3 : - probíhá neúplná hydrolýza Fe 3+ iontů, pravděpod. podle rce: Fe ,5 H 2 O Fe(OH) 0,5+ 2,5 + 2,5 H + (ph cca 3,5) 2) Neutrální a zásadité čiření - úplná hydrolýza Fe 3+ iontů, probíhá podle rovnice: Fe H 2 O Fe(OH) H + (ph je třeba regulovat)

6 Sedimentace Mechanická separace nečistot Metody jsou založené na mechanickém odstraňování nečistot - zejména koloidních - tvorbou vločkového mraku a zachycováním na něm. Vločkový mrak vzniká aplikací koagulačních činidel v prostředí o určitém ph (rozlišujeme kyselé, neutrální a zásadité čiření). Sedimentace: 1) přidání koagulačních činidel do vstupující vody 2) koagulace, vznik vločkového mraku 3) záchyt nečistot na vločkovém mraku, sedimentace 4) po sedimentaci vločkového mraku na dně nádrže odpuštění kalů

7 Schéma úpravny vody rozdělovač statorový mísič pískové filtry usazovací nádrže CaO, Ca(OH) 2,, KMnO 4, Cl 2 I. stupeň mísič ozonizace otevřené filtry s granulátem aktivního uhlí vymírací nádrž ozonu II. stupeň ozonizace Fe 2 (SO 4 ) 3 CaO, Ca(OH) 2 akumulační nádrže CaO, Ca(OH) 2,, Cl 2 kalové laguny

8 Některé další možnosti chemické úpravy - odkyselování Odstranění nežádoucích iontů Odkyselování vody: - Odkyselování vody - Odželezování a odmanganování -Odstraňování NH 3, NO 2- a NO Dechlorace - Ztvrzování a změkčování - Ozonizace - ve vodě je ustanoven rovnovážný stav mezi HCO 3-, Ca 2+, CO 3 2- a volným CO 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca HCO 3 - CaCO 3 CO Ca 2+ - je-li ve vodě více volného CO 2 než odpovídá rovn. stavu, rozpouští se CaCO 3 a nadbytečný CO 2 působí agresivně na stavební materiály a kovy - je-li méně CO 2 než v rovn. stavu, vylučuje se CaCO 3 v podobě inkrustací

9 Některé další možnosti chemické úpravy - odkyselování Odstranění nežádoucích iontů - Odkyselování vody - Odželezování a odmanganování -Odstraňování NH 3, NO 2- a NO Dechlorace - Ztvrzování a změkčování Odkyselování vody: - Ozonizace - fyzikální (mechanické) a chemické způsoby - fyzikální - skrápění, rozstřikování, aerace - chemické -přímé dávkování CaO nebo filtrace přes různé materiály (mramor, magnezit). Zvyšuje se uhličitanová tvrdost vody: CaCO 3 + MgO + 3CO 2 + 2H 2 O Ca 2+ + Mg HCO 3 - Ca HCO 3- + MgO CaCO 3 + MgCO 3 + H 2 O - odkyselování pomocí CaO: CaO + 2CO 2 + H 2 O Ca HCO 3 - Ca HCO 3- + CaO 2CaCO 3 + H 2 O

10 Některé další možnosti chemické úpravy - odželezování a odmanganování Odstranění nežádoucích iontů - Odkyselování vody - Odželezování a odmanganování -Odstraňování NH 3, NO 2- a NO Dechlorace - Ztvrzování a změkčování - Ozonizace Odželezování a odmanganování vody -v přírodních vodách jako Fe 2+ a Mn 2+, v případě vyššího obsahu je třeba zvláštní zařízení -při všech způsobech odstranění Fe 2+ a Mn 2+ se jedná o hydrolýzu iontů a oxidaci vzniklých hydroxidů. Vznikající H + ionty se odstraňují alkalitou vody (HCO 3- ) nebo přídavkem CaO. Reakce probíhají při ph 7-8, vznikají koloidní soli vyšších hydroxidů Fe i Mn, které koagulují a tvoří vločkový mrak. Fe 2+ + Mn H 2 O Fe(OH) 2 + Mn(OH) 2 + 4H + 2 Fe(OH) 2 + Mn(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O 2Fe(OH) 3 + Mn(OH) 4 -při vylučování Mn je třeba ph > 8, proto se přidává CaO

11 Některé další možnosti chemické úpravy - odstraňování NH 3, NO 2- a NO 3 - Odstranění nežádoucích iontů - Odkyselování vody - Odželezování a odmanganování - Odstraňování NH 3, NO 2- a NO Dechlorace - Ztvrzování a změkčování - Ozonizace Odstraňování NH 3, NO 2- a NO největší problémy úpravy pitné vody - pro odstranění NH 4+ se používají oxidační metody (Cl 2, KMnO 4 ) a adsorpce (aktivní uhlí, Fe(OH) 3 a Al(OH) 3 ). Nejlepší výsledky adsorpcí na MnO 2. - dusitany se oxidují Cl 2 nebo KMnO 4 na dusičnany, pro odstraňování dusičnanů se používají buď iontoměniče nebo redukce v silně alkalickém prostředí, nejčastěji Fe 2+ solí. Dále se používá metoda biologické redukce dusičnanů na elementární dusík.

12 Některé další možnosti chemické úpravy - dechlorace Odstranění nežádoucích iontů - Odkyselování vody - Odželezování a odmanganování -Odstraňování NH 3, NO 2- a NO Dechlorace - Ztvrzování a změkčování Dechlorace - Ozonizace - chlor se používá pro desinfekci při úpravě vody obsahující mikroorganismy -v případě vyššího obsahu mikroorganismů je nutné vodu přechlorovat - tu však nelze dodávat spotřebiteli - nutná dechlorace - používá se aktivní uhlí (GAU): C + 2HClO CO 2 + 2H + + 2Cl - - pro dechloraci se používají i na Na 2 SO 3, Na 2 S 2 O 3, SO 2 atd.

13 Některé další možnosti chemické úpravy - ztvrzování a změkčování Odstranění nežádoucích iontů - Odkyselování vody - Odželezování a odmanganování -Odstraňování NH 3, NO 2- a NO Dechlorace - Ozonizace Ztvrzování a změkčování - Ztvrzování a změkčování -slabě mineralizovaná voda se musí pro účely dopravy a zásobování ztvrzovat (rekarbonizovat). 2 způsoby: -přímý: do vody se dávkuje CO 2 jako plyn, bezprostředně po nadávkování plynu se dávkuje vápno - vznikají karbonáty -nepřímý: zdrojem CO 2 je CaCO 3 ve formě jemně mletého vápence. Z něho se přímo vyrábí CO 2 reakcí s kysele reagující látkou změkčování: pro pitnou vodu netypické, typické pro průmysl -změkčuje se přidáním vápna - vysrážení Ca, CO 2 i karbonátů, používají se iontoměniče, magnetická úprava (ovlivňuje krystalizaci rozp. solí).

14 Některé další možnosti chemické úpravy - ozonizace Odstranění nežádoucích iontů Ozonizace - Odkyselování vody - Odželezování a odmanganování -Odstraňování NH 3, NO 2- a NO Dechlorace - Ztvrzování a změkčování - Ozonizace -při zvýšeném znečištění vody - odstranění látek, které způsobují zápach, zabarvení, příchuť -O 3 se vyrábí přímo v provozu elektrickým výbojem v O 2 za přít. N 2 - ozonizací lze odbourat např. fenoly (po následující chloraci nevzniká chlorfenolový zápach vody), snižuje se oxidovatelnost % a odstraňuje se barva vody.

15 Předchozí způsoby umožňují vodu vyčistit převážně tak, že se zdá čistá pouze našemu oku a některým méně citlivým přístrojům. Co když ale potřebujeme opravdu čistou vodu??? Iontoměniče Reverzní osmóza

16 Reverzní osmóza - založena na principu filtrace, použit je ale velmi jemný filtr -umožňuje filtrovat částice o průměru zlomků nanometrů (větší ionty...) - jako filtr jsou používány semipermeabilní membrány (polymery, zeolity) - široké využití v domácnostech - domácí miničističky, i v průmyslu - rychlá a velice účinná filtrace - pro domácí použití není potřeba dalších zařízení pro provoz (čerpadla, ventily) - vysoká kvalita permeátu za relativně nízkou cenu

17 Reverzní osmóza Vpřípadě normální osmózy se rozpouštědlo snaží proniknout přes semipermeabilní membránu do té části nádoby, kde je větší koncentrace iontů rozpuštěných v roztoku - pohyb molekul rozpouštědla proti koncentračnímu gradientu. Pohyb molekul ustane v případě, kdy rozdíl hladin ve spojených nádobách způsobí takový tlak, že další molekuly už pronikat nemohou - osmotický tlak. Vztah pro výpočet osmotického tlaku se odvozuje z van t Hoffovy rovnice: p osm = RT c = hρg

18 Reverzní osmóza Při reversní osmóze se na část roztoku před membránou, kde je vyšší koncentrace rozpuštěných iontů působí tlakem vyšším než osmotickým, který způsobí, že molekuly rozpouštědla začnou pronikat přes membránu ve směru klesajícího koncentračního gradientu. V prostorách za membránou tak získáme permeát, který obsahuje minimální množství rozpuštěných iontů. Fotografie filtru pro reverzní osmózu vs. normální filtr. (400x)

19

20 Reverzní osmóza Filtrační zařízení pro reversní osmózu 1) přívod znečištěné vody 2) nečistoty jsou zachyceny membránou 3) tlak vody před membránou protlačí molekuly vody skrz 4) vyčištěná voda se skladuje v zásobníku 5) odtok nečistot + čistící systém membrány Velikost nečistot odstranitelných RO: velikost póru v RO membráně: 0,6 nm

21 Výměna iontů -výměna iontů pracuje na principu zachytávání daných iontů na absorpčním materiálu - iontoměniči - a uvolněním jiných iontů dochází k výměně - rozlišuje se kationická a anionická výměna - podle typu měněných iontů - první iontoměnič byl vyroben v Anglii z pryskyřice podobné bakelitu kondenzací fenolů nebo fenolsulfonových kyselin s formaldehydem (1935) patentován divinylbenzen-styrenový polymer, látka s velkými síťovitými molekulami. Má tvar malých kuliček, které po vložení do vody nabobtnají na velikost od několika mikronů až po 1-2 mm - podle typu použití

22 Výměna iontů Struktura divinylbenzenstyrenového měniče: X - iontová skupina vázaná na různá místa na benzenovém jádře(so 3- H + nebo - CH 2 N + (CH 3 ) 3 Cl - ). Divinylbenzen zde plní úlohu zesíťovací látky, která zaručuje trojrozměrnou strukturu. Podle poměru DVB / Styren získáme užší či širší strukturu polymeru, nejčastěji se používá měnič s poměrem 8%.

23 Organické nosiče: Typy skupin v iontoměničích -mimoso 3- H + a -CH 2 N + (CH 3 ) 3 Cl - se používá: iminodiacetát -CH 2 N(CH 2 COOH) 2 -tvoří cheláty se všemi kovy vyjma alkalických karboxy skupina -COOH -hlavně v medicíně a biochemii, jako nosič ale polymethakryláty celulosa - zavedením různých iontových skupin jako nosič hlavně v biochemii Organické měniče jsou známy již od r. 1905! Anorganické nosiče: aluminosilikáty: Od r jsou známy fosfáty, molybdenáty a arsenáty titanu, zirkonu a thoria a komerčně používány v jaderných elektrárnách a závodech. Jsou stálé vůči záření a chovají se selektivně např. k 137 Cs.

24 Výměna iontů - jako další materiály pro výměnu se používají molekulová síta z krystalizovaných aluminosilikátů s dobře definovanou strukturou - zeolity. Jsou známy i kapalné iontoměniče, které však mohou být spíše označeny jako organická rozpouštědla: (C 9 H 19 ) 2 C 10 H 5 SO 3 H - dinonylnaftalensulfonová kyselina Kinetika iontové výměny: rovnovážná iontově-výměnná reakce: v rovnováze: