Úprava podzemních a povrchových vod. Úprava podzemních a povrchových vod 2/0, Zk (3 kr.)

Transkript

1 Úprava podzemních a povrchových vod Úprava podzemních a povrchových vod /0, Zk (3 kr.) Martin Pivokonský Ústav pro hydrodynamiku V ČR, v. v. i. Tel.: pivo@ih.cas.cz Texty přednášek na: Zkouška:. Písemný test. Ústní pohovor

2 Úprava podzemních a povrchových vod Program přednášky. Složení a vlastnosti přírodních vod z hlediska úpravy pitné vody, požadavky na jakost pitné vody. Disperzní soustavy a jejich stabilita, koagulace hydrofilních a hydrofobních koloidů, stanovení optimální dávky koagulantu sklenicová zkouška 3. Tvorba separovatelných agregátů, vliv míchání na charakter a strukturu agregátů, vlastnosti agregátů s ohledem na jejich separaci, test agregace 4. Praktická ukázka sklenicové zkoušky 5. Jednostupňová a dvoustupňová separace agregátů, separace usazováním, čiřiče, separace agregátů pomocí FLGM a flotace 6. Separace agregátů filtrací (teorie filtrace, filtrační materiály, druhy filtrace a typy filtrů, délka filtračního cyklu, kalová kapacita filtrů, praní filtrů) 8. Membránové procesy při úpravě vody 9. Odželezňování a odmanganování vody 0. Biologické metody úpravy vody, odstraňování amoniaku a dusičnanů. Oxidace organických látek přítomných ve vodě, odstraňování organických látek adsorpcí. Desinfekce vody (sloučeniny chloru, ozón, UV záření atd.), vedlejší produkty desinfekce 3. Dostupnost pitné vody, vývoj spotřeby vody, balené vody atd. 4. Exkurze

3 Úprava podzemních a povrchových vod Doporučená literatura Pivokonský, M., a kol.: Tvorba suspenze při úpravě vody. Teorie a praxe. Sovak, Praha, 0. Bache, D. H., Ross, G.: Flocs in water treatment. IW Publishing, London, 007. Bratby, J.: Coagulation and flocculation in water and wastewater treatment. IW Publishing, London, 008. Tesařík, I., a kol.: Vodárenství. SNTL, Praha, 985. Pitter, P.: Hydrochemie. Vydavatelství VŠCHT Praha, 009. Stumm, W., Morgan, J. J.: quatic chemistry. Wiley, New York, 996.

4 Úprava vody

5 Úprava vody cílem úpravy vody = odstranění nežádoucích příměsí z vody a její hygienické zabezpečení Základní schéma technologie úpravy vody z povrchových zdrojů adsorpce, membránové procesy!!! ne všechny technologické prvky musejí být nutně zahrnuty do procesu úpravy vody, v závislosti na kvalitě surové vody mohou být některé vynechány

6 Složení a vlastnosti přírodních vod. Fyzikálně chemické vlastnosti vody struktura molekuly vody, vodíkové můstky, rozpouštění a hydratace, hustota, viskozita, povrchové napětí, vodivost, tepelné vlastnosti atd.. Chemické složení a) minerální látky chemismus l, Fe, Mn, Si, N, Ca a Mg b) NOM huminové látky, OM Viz. přednáška hydrochemie, ZS 0/

7 Disperzní systémy nalyticky disperzní (rozpuštěné látky) Ø < 0-8 m mangan; nízkomolekulární organické látky (peptidy, fulvokyseliny...); mikropolutanty = pesticidy, polychlorované bifenyly (PCB), polyaromatické uhlovodíky (PU), těžké kovy,... Koloidně disperzní - Ø = m hlinitokřemičitany, amorfní oxid křemičitý, huminové kyseliny, polysacharidy, proteiny, řasy, sinice, bakterie, viry huminová voda sinice Microcystis sp. (Hracholusky, 003) Hrubě disperzní (nerozpuštěné látky) - Ø > 0-6 m zrna písku a půdy, nerozložený biologický materiál, mikroorganismy

8 Koloidní disperze = heterogenní systémy složené z několika fází jednotlivé dispergované částice nejsou volné molekuly, ale shluky mnoha molekul, kterým lze přisoudit veškeré termodynamické vlastnosti fáze vznik fázového rozhraní je podmíněn nerozpustností (velmi malou rozpustností) jedné fáze ve druhé vlastnosti: vysoký stupeň disperzity, rozptyl světla, opalescence (Tyndallův jev), pomalá difúze, malý osmotický tlak, možná dialýza, agregátní nestálost, Brownův pohyb, obvykle elektroforetické vlastnosti často mezi koloidy řadíme i pravé roztoky vysokomolekulárních látek, LE částice v nich obsažené se neskládají z množství malých molekul jsou to jednotlivé molekuly

9 Koloidní disperze ) hydrofobní koloidy nemají schopnost molekulárně interagovat s vodou (např. pomocí vodíkové vazby) => mají ostře vymezené fázové rozhraní jsou tvořeny převážně anorganickými látkami, nevznikají samovolně a bez dodatečné stabilizace jsou termodynamicky nestálé ) hydrofilní koloidy mohou molekulárně interagovat s vodou, fázové rozhraní je rozprostřeno do větších šířek většinou jsou tvořeny vysokomolekulárními organickými látkami, vznikají samovolným rozpouštěním a jsou termodynamicky stabilní často se označují jako koloidní roztoky

10 Koloidní disperze 3) asociativní (micelární) koloidy vznikají spojováním molekul povrchově aktivních látek jsou tvořeny jak lyofilní tak lyofobní částí v povrchových vodách např. soli mastných kyselin nebo saponáty (alkylsulfáty, alkylbenzensulfonany) 4) gely mají schopnost přecházet z kapalné formy do pevného stavu tvorba pevných trojrozměrných síťových struktur tvořit gely mohou některé lyofobní a řada lyofilních koloidů, např. intracelulární polysacharidy

11 Copyright Forschungszentrum Dresden Copyright Forschungszentrum Dresden Koloidní látky ve vodách o jílové minerály (hlinitokřemičitany), amorfní oxid křemičitý, hydratované oxidy kovů (hydrolyzovaná destabilizační činidla) o mikroorganismy (řasy, sinice) o huminové látky, polysacharidy, proteiny FM snímek huminových kyselin nanesených na povrch slídy pomocí spin-coating SEM snímek huminových částic na 00-nm Nuclepore filtru

12 Richardson, W. D., Mills,. D., Dilworth, S. M., Laskey, R.. and Dingwall, C. (988): Cell 5, Copyright Cell Press Copyright Dentisse, Inc., Indiana Copyright Koloidní látky ve vodách částice kaolínu hydratovaný oxid železitý kaučukové částice proteiny a koloidní částice Copyright Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz

13 Původ povrchového náboje koloidních částic většina částic obsažených ve vodě nese povrchový náboj charakter a velikost náboje určuje povahu a míru interakcí mezi částicemi = ovlivňuje jejich agregátní stabilitu původ náboje je dán: a) rozpouštěním iontů b) povrchovou ionizací c) izomorfní substitucí d) specifickou adsorpcí iontů

14 Původ povrchového náboje koloidních částic Rozpouštění iontů málo rozpustné sloučeniny (uhličitan vápenatý, jodid stříbrný atd.) rozdílná rozpustnost iontů g + větší tendence vstupovat do vodné fáze než I -, částice gi pozvolna získávají záporný náboj změnou koncentrace g + (např. přídavkem gno 3 ) nebo I - (např. přídavkem NaI) lze měnit povrchový náboj gi tak, že celkový povrchový náboj částice bude nulový izoelektrický bod (IEB) Pozn. Pokud se na náboji povrchu podílejí pouze H + a OH - ionty nulový bod náboje (NBN)

15 Původ povrchového náboje koloidních částic Povrchová ionizace organické látky kyselé nebo zásadité funkční skupiny na povrchu, které v závislosti na ph mohou přijímat nebo odevzdávat protony (H + ) např. proteiny obsahují kyselé karboxylové (COOH) i zásadité aminové (NH ) skupiny disociace v závislosti na ph roztoku nízké PH karboxylové skupiny nedisociují aminové skupiny jsou protonované 0 + vysoké PH karboxylové skupiny disociují aminové skupiny nejsou protonované - 0 R CH NH 3 + C O OH R CH NH 3 + C O O R CH C O NH O NBN rostoucí ph

16 Původ povrchového náboje koloidních částic Povrchová ionizace organické látky izoelektrický bod = hodnota ph, při které je počet kladně nabitých a záporně nabitých skupin v rovnovážném stavu Povrchová ionizace oxidy kovů např. l O 3, Fe O 3, TiO tvorba amfoterních skupin l-oh, Fe-OH na jejich povrchu M OH + M OH M O NBN rostoucí ph

17 Původ povrchového náboje koloidních částic Izomorfní substituce přebytek náboje koloidních částic (jílové minerály kaolinit) střídání tetraedrických vrstev Si s oktaedrickými vrstvami l ve vstvách křemíku mohou být kationty Si 4+ nahrazeny kationty l 3+ a ve vrstvách hliníku kationty l 3+ např. Mg + výměna Si za l vede k přebytku záporného náboje, který musí být vyvážen vhodným počtem kompenzujících kationtů, např. Ca + (nejsou v mřížce kaolinitu, zůstávají pohyblivé) tzv. kation-výměnné vlastnosti jílů

18 Původ povrchového náboje koloidních částic Specifická adsorpce iontů v případě, že koloidní částice nemá vlastní náboj ani ionizovatelné skupiny může získat náboj specifickou (tj. jinou než elektrostatickou) adsorpcí iontů z roztoku např. adsorpce iontů povrchově aktivních látek hydrofobní uhlovodíková část minimalizuje kontakt s vodou adsorpcí na hydrofobní koloidní částici bez náboje a hydrofilní ionizovaná část s nábojem určuje náboj koloidní částice

19 Odstř. Gravitace Stabilita koloidních částic Kinetická (sedimentační) stabilita = schopnost disperzní soustavy uchovávat rovnoměrné rozdělení částic v celém objemu = odolnost částic vůči působení gravitačního nebo odstředivého pole při nezměněném stupni disperzity hrubé disperze (nízký stupeň disperzity) = kineticky nestálé, sedimentují analytické disperze (vysoký s. d.) = kineticky vysoce stálé, nesedimentují koloidní disperze = přechodné, leží mezi dvěma výše uvedenými extrémy Usazování částice (d =,0.0-6 m, ρ =, kg.m -3 ) gravitačním a odstředivém poli T [ o C] u S [m.s - ],39.0-8,68.0-8, t S [s],88.0 6,38.0 6, [hod] 7,99.0 6,6.0 5,70.0 [dny] 33, 7,6 3,7 u o [m.s - ],9.0-5,3.0-5, t o [s],74.0 3,45.0 3,5.0 3 [min] 9, 4, 0,8

20 Interakce mezi částicemi gregátní stabilita = schopnost disperzního systému zachovávat stupeň své disperzity = schopnost odolávat procesům, které vedou ke vzájemnému spojování ve větší kineticky nestálé agregáty určena povahou interakcí mezi koloidními částicemi při jejich srážkách převažují-li přitažlivé síly částice agregují do větších celků převažují-li odpudivé síly systém zůstává v dispergovaném stavu

21 Interakce mezi částicemi ) nekovalentní interakce o elektrostatické interakce o van der Waalsovy síly o elektrická dvojvrstva o hydrofobní efekt o hydratační efekt o interakce s polymery stérické interakce polymerní můstky depleční interakce ) chemická (kovalentní) vazba

22 Elektrostatické interakce interakce mezi nabitými částicemi E( h) Q Q 4 0 r interakce nabitá částice permanentní dipól E( h) Q p 96 k 0 B T r 6 interakce nabitá částice indukovaný dipól E( h) Q 3 0 r 6

23 van der Waalsovy síly Keesomovy-van der Waalsovy (orientační) síly = interakce permanentní dipól permanentní dipól Debyeovy-van der Waalsovy (indukční) síly = interakce permanentní dipól indukovaný dipól Londonovy-van der Waalsovy (disperzní) síly = interakce indukovaný dipól indukovaný dipól

24 van der Waalsovy síly o energie vdw interakcí = nepřímo úměrná šesté mocnině vzdálenosti částic (molekul, atomů) E( h) ij h 6 E(h) = potenciální energie interakce h = vzdálenost mezi dvěma molekulami ij = Londonova konstanta záporné znaménko => přitažlivé síly ij p p i j 0i 0 j p i 0 j j 0i 4 3k BT i 0 j p 3 h P i j 0 = permitivita vakua, p i, p j = molekulární dipólové momenty, k B = Boltzmannova konstanta, T = teplota, 0i a 0j = elektrické polarizovatelnosti, h P = Planckova konstanta, i a j = absorpční frekvence kvantifikace vdw interakcí dva teoretické přístupy: o Hamaker mikroskopický přístup o Lifshitz makroskopický přístup

25 van der Waalsovy síly - Hamaker Hamakerův přístup předpoklad: přitažlivá síla mezi dvěma částicemi (každá se skládá z mnoha atomů) je suma interakcí mezi každými dvěma atomy v těchto částicích energie interakce na jednotku plochy (!) mezi rovinnými povrchy z různých materiálů vzdálenými délku h ve vakuu E a ( h) h s použitím Derjaguinovy aproximace byly odvozeny vztahy pro celkovou interakční energii [J] mezi dalšími objekty plocha koule dvě různé koule dvě stejné koule dva různé válce E( h) 6h a E aa h) a a ( 6h E( h) a h E( h) 6h a a

26 van der Waalsovy síly - Hamaker určení Hamakerovy konstanty N N N, = Hamakerova konstanta pro interakci dvou stejných materiálů ve vakuu = Hamakerova konstanta pro interakci dvou různých materiálů ve vakuu N a N = počet molekul na jednotku objemu ve dvou různých materiálech = Londonova konstanta pro interakci molekul z materiálů a interakce dvou rozdílných fází (materiálů a ) v kapalině (vodě) (3) interakce dvou identických fází () v kapalině (vodě) (3) / / 3 33

27 Úprava podzemních a povrchových vod. přednáška Lifshitzův přístup atomová struktura koloidů není uvažována; pevné látky a kapaliny jsou brány jako kontinuální media; obecné výrazy pro interakční energii i nadále platí, mění se jen způsob určení Hamakerovy konstanty interakce dvou různých, resp. stejných, materiálů (,) ve vakuu 3/ n n n n h T k e P B k B = Boltzmannova konstanta T = absolutní teplota pokud ~ => = geometrický průměr a interakce dvou pevných látek (,) v daném mediu (3) zjednodušeně:,3 = permitivita pevné fáze a oddělujícího media e = absorpční frekvence atomu (frekvence oběhu elektronu) n,,3 = indexy lomu pevných fází a oddělujícího media van der Waalsovy síly - Lifshitz 3 7 n n n n h P 64 7 n n h P

28 vdw síly Hamaker vs. Lifshitz Hamaker - příklad: CCl 4 ~ J.m -6 (Londonova konstanta) N = 0,6.0 8 m -3 (počet částic na jednotku objemu) => ~ 5,3.0-0 J Lifshitz příklad: CCl 4 =,4; 3 = (permitivita) e =,7.0 5 s - (absorpční frekvence) n =,460; n 3 = (index lomu) => ~ 5,6.0-0 J 3 4 k 3 T 3 B 3h 6 P Hamakerovy konstanty většiny kondenzovaných fází leží v rozsahu (0,4 4).0-9 J e n n3 n n 3/ k B =, J.K - h P = 6, J.s T = 93,5 K (0 C) 3

29 van der Waalsovy síly - retardace Keesomovy a Debyeovy interakce = elektrostatické povahy Londonovy interakce = elektromagnetické povahy => podléhají relativistickému efektu retardace ( zpožďování ) Geometrie Výraz pro energii vzájemné interakce Podmínky dvě plochy E a ( h) neretardované, () h nekonečná tloušťka dvě plochy plocha koule plocha koule dvě koule 5,3h E ( h) h () a E( h) 6h (3) a 4h E ( h) (4) 6h aa E( h) a a (5) 6h retardované, pouze L vdw neretardované, D, h<<a retardované, pouze L vdw, D, h<<a neretardované, D, h<<a dvě koule a a E( h) a a 5,3h ln 6h 5,3h (6) retardované, pouze L vdw, D, h<<a