Dokážeme ji připravit opravdu čistou???

Dokážeme ji připravit opravdu čistou ???

VODA - Dokážeme ji připravit opravdu čistou???

• • • • •

Voda pitná průmyslová užitková odpadní srážková

Metody úpravy (obecně) • aerace • mechanická separace nečistot, filtrace • aplikace iontoměničů • reverzní osmóza

VODA - Dokážeme ji připravit opravdu čistou??? –- v případě deficitu O2 ve vodě –- pro odpachování vody (H2S)

Aerace

–- odkyselení vody odvětráním CO2 –- odželezňování a odmanganování - v případě, kdy se odvětráním CO2 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

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

Čiření



Chemie čiření: 1) Kyselé čiření - aplikované flok. činidlo Fe2(SO4)3: - probíhá neúplná hydrolýza Fe3+ iontů, pravděpod. podle rce: Fe3+ + 2,5 H2O → Fe(OH)2,50,5+ + 2,5 H+ (pH cca 3,5) 2) Neutrální a zásadité čiření - úplná hydrolýza Fe3+ iontů, probíhá podle rovnice: Fe3+ + 3 H2O → Fe(OH)3 + 3 H+ (pH je třeba regulovat)

Sedimentace



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

Schéma úpravny vody

statorový mísič rozdělovač pískové filtry

usazovací nádrže I. stupeň

CaO, Ca(OH)2,,KMnO4, Cl2

mísič vymírací nádrž ozonu

ozonizace otevřené filtry s granulátem aktivního uhlí Fe2(SO4)3 CaO, Ca(OH)2

akumulační nádrže CaO, Ca(OH)2,,Cl2

kalové laguny

II. stupeň ozonizace

Některé další možnosti chemické úpravy - odkyselování - Odkyselování vody

Odstranění nežádoucích iontů

- Odželezování a odmanganování - Odstraňování NH3, NO2- a NO3- Dechlorace - Ztvrzování a změkčování - Ozonizace

Odkyselování vody: - ve vodě je ustanoven rovnovážný stav mezi HCO3-, Ca2+, CO32- a volným CO2 CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca2+ + 2HCO3CaCO3 ↔ CO32- + Ca2+ - je-li ve vodě více volného CO2 než odpovídá rovn. stavu, rozpouští se CaCO3 a nadbytečný CO2 působí agresivně na stavební materiály a kovy - je-li méně CO2 než v rovn. stavu, vylučuje se CaCO3 v podobě inkrustací

Některé další možnosti chemické úpravy - odkyselování

Odstranění nežádoucích iontů Odkyselování vody:

- Odkyselování vody - Odželezování a odmanganování - Odstraňování NH3, NO2- a NO3- Dechlorace - Ztvrzování a změkčování - 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: CaCO3 + MgO + 3CO2 + 2H2O → Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3Ca2+ + 2HCO3- + MgO → CaCO3 + MgCO3 + H2O - odkyselování pomocí CaO: CaO + 2CO2 + H2O → Ca2+ + 2HCO3Ca2+ + 2HCO3- + CaO → 2CaCO3 + H2O

Některé další možnosti chemické úpravy - odželezování a odmanganování



Odželezování a odmanganování vody - v přírodních vodách jako Fe2+ a Mn2+, v případě vyššího obsahu je třeba zvláštní zařízení - při všech způsobech odstranění Fe2+ a Mn2+ se jedná o hydrolýzu iontů a oxidaci vzniklých hydroxidů. Vznikající H+ ionty se odstraňují alkalitou vody (HCO3-) nebo přídavkem CaO. Reakce probíhají při pH 7 - 8, vznikají koloidní soli vyšších hydroxidů Fe i Mn, které koagulují a tvoří vločkový mrak. Fe2+ + Mn2+ + 4H2O ↔ Fe(OH)2 + Mn(OH)2 + 4H+ 2 Fe(OH)2 + Mn(OH)2 + O2 + 2H2O ↔ 2Fe(OH)3 + Mn(OH)4 - při vylučování Mn je třeba pH > 8, proto se přidává CaO

Některé další možnosti chemické úpravy - odstraňování NH3, NO2- a NO3-



Odstraňování NH3, NO2- a NO3- největší problémy úpravy pitné vody - pro odstranění NH4+ se používají oxidační metody (Cl2, KMnO4) a adsorpce (aktivní uhlí, Fe(OH)3 a Al(OH)3). Nejlepší výsledky adsorpcí na MnO2. - dusitany se oxidují Cl2 nebo KMnO4 na dusičnany, pro odstraňování dusičnanů se používají buď iontoměniče nebo redukce v silně alkalickém prostředí, nejčastěji Fe2+ solí. Dále se používá metoda biologické redukce dusičnanů na elementární dusík.

Některé další možnosti chemické úpravy - dechlorace



Dechlorace - 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 ↔ CO2 + 2H+ + 2Cl- pro dechloraci se používají i na Na2SO3, Na2S2O3, SO2 atd.

Některé další možnosti chemické úpravy - 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 CO2 jako plyn, bezprostředně po nadávkování plynu se dávkuje vápno - vznikají karbonáty - nepřímý: zdrojem CO2 je CaCO3 ve formě jemně mletého vápence. Z něho se přímo vyrábí CO2 reakcí s kysele reagující látkou změkčování: pro pitnou vodu netypické, typické pro průmysl - změkčuje se přidáním vápna - vysrážení Ca, CO2 i karbonátů, používají se iontoměniče, magnetická úprava (ovlivňuje krystalizaci rozp. solí).

Některé další možnosti chemické úpravy - ozonizace



Ozonizace - při zvýšeném znečištění vody - odstranění látek, které způsobují zápach, zabarvení, příchuť - O3 se vyrábí přímo v provozu elektrickým výbojem v O2 za přít. N2 - ozonizací lze odbourat např. fenoly (po následující chloraci nevzniká chlorfenolový zápach vody), snižuje se oxidovatelnost 0 5 - 30% a odstraňuje se barva vody.

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

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

Reverzní osmóza V případě 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:

posm = RT c = ∆hρg

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)

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

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) - 1944 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

Výměna iontů Struktura divinylbenzenstyrenového měniče: X - iontová skupina vázaná na různá místa na benzenovém jádře (SO3-H+ nebo CH2N+(CH3)3Cl-).

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%.

Typy skupin v iontoměničích Organické nosiče: - mimo SO3-H+ a -CH2N+(CH3)3Cl- se používá: iminodiacetát -CH2N(CH2COOH)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. 1955 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 137Cs.

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: (C9H19)2C10H5SO3H - dinonylnaftalensulfonová kyselina

Kinetika iontové výměny: rovnovážná iontově-výměnná reakce:

v rovnováze:

Dokážeme ji připravit opravdu čistou???

Recommend Documents