A VIZEK NA-ION CSÖKKENTÉSÉNEK EGY LEHETSÉ GES MEGOLDÁSA

A Miskolci egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 72. kötet (2007)

A VIZEK NA-ION CSÖKKENTÉSÉNEK EGY LEHETSÉ GES MEGOLDÁSA Dr.Takács János Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet 1.

BEVEZETÉS

Az ásványvizek legtöbb típusa nátrium-hidrokarbonátos, fosszilis eredetű, azaz nagy oldott ásványi anyagot tartalmazó víz, melynek összetételét a geológiai adottságok befolyásolják. A víz nagyon jó oldószer, és a különböző kőzettípusokon átáramolva, a víz kémiai jellegétől, hőmérsékletétől, sebességétől függően a leg különbözőbb összetevőket oldja ki. Az 1. táblázatban egy kút vizének összetételét a ásványvizekre jellemző határértékeket (MSz 11394: 1995) láthatjuk. A víz kémiai összetételének a határértékekkel történő összehasonlítása alapján megállapítható, hogy összes ásványi anyag tartalma szerint „igen nagy ásványi anyag tartalmú" (3967,6 mg/l, de mutattak már ki közel 5400 mg/l-es értéket is), de nem éri el a fogyaszthatóság felső határát, a 6000 mg/l értéket. Az összetevők közül a Na+ tartalom 1000 mg/l körül ingadozik (1040 - 1110 mg/l -t is mértek). Ez nagyobb mint a fogyaszthatóság megengedett legfelsőbb értéke (1000 mg/l). A Ca*4" tartalomban 255-187 mg/l közötti értékeket mértek a különböző elemzések alkalmából. Ezek az értékek közel vannak a fogyasztási előírás nélküli fogyaszthatóság határértékéhez (250 mg/l), de a szabvány nem ad határértéket a fogyaszthatóság felső határául. Az összevetéséből látható, hogy amennyiben a víz Na+ tartalmát sikerül megbízhatóan 1000 mg/l alá szorítani a gyógyvíz jelző mellett már az ásványvíz fogalmát teljesítő feltételeknek is megfelelne. így a Tanszék feladata egyértelműen az volt, hogy víz Na+ tartalmát lényegesen, megbízhatóan (a gazdaságosság figye lembe vétele mellett) csökkentse 1000 mg/l alá úgy, hogy a víz jellege ne változ zon, azaz egyéb kémiai jellemzőiben lényeges változás ne következzen be, ill. az alkalmazott módszer, eljárás ne vezessen más összetevő koncentrációjának jelentős növekedéséhez.

177

Dr. Takács János

A VÍZ NA + ION TARTALMÁNAK CSÖKKENTÉSI LEHE TŐSÉGEI

2.

A vizek anorganikus sótartalmának csökkentésére több módszer alkalmaz ható, melyek a következők: - Kicsapatás és fázisszétválasztás, amely elsősorban a változó kemé nységet csökkenti, azaz elsősorban a Ca^ és Mg4"* sók eltávolítására használhatók. Ipari víz előkészítésnél rendszerint alkalmazzák előtisz tításként, ha a technológia során lágy vízre van szükség. Desztillálás, fagyasztás, melyek szintén nem szelektív eljárások. Fordított ozmózis, egy membrán eljárás, melynél az ozmózis nyomás nál nagyobb nyomás hatására a tiszta víz a membránon át távozik, és visszamarad egy nagy sótartalmú koncentrátum. Elektrodialízis, szintén membrán eljárás, melynél az elektródák közé helyezett membránokon át a víz alkotó ionok töltésüknek megfelelően a megfelelő elektródák felé vándorolnak és keletkezik egy sószegény „tiszta" víz. Ioncsere, adszorpció. A két eljárás rokon jelenség, melynél egy szilárd fázis felületén kötődnek meg (különböző módon) a nem kívánatos ionok. Az ioncserére, adszorpcióra használatos szilárdfázis lehet természetes és mesterséges. A természetes szilárdfázis hátránya, hogy összetétele egy bizonyos mértékben ingadozik, nem állandó, viszont szelektívvé tehető, szemben a mesterségesen e célra előállított úgynevezett műgyantákkal szemben. Ez utóbbiak viszont könnyebben regenerálhatok és így újra felhasználhatók, viszont stabilitásuk talán kisebb, ami bizonyos mértékű beoldódást eredményezhet. Összehasonlítva, értékelve a különböző sotalanítasi eljárásokat megállapítható: -

178

a Na+ tartalom a vízből kicsapatással nem távolítható el; a desztillálás, fagyasztás, fordított ozmózis, elektrodialízis amellett, hogy költséges eljárások, nem elégítik ki azt a feltételt, hogy csak a Na+ tartalom csökkenjen és maradjon a víz ásványi jellege; az ioncsere mesterséges töltetű berendezésben nem jöhet szóba, mert egy kationcserélővel nem lehet, ill. nagyon nehezen szelektíven leválasztani a Na+ tartalmat úgy, hogy a feltételeink teljesüljenek.

A vizek Na-ion csökkentésének egy lehetséges megoldása

1. táblázat:

Egy kútvíz néhány elemzési adata és az ásványvíz mi nősítéshez szükséges szabványban előírt határértékek Mért adatok

Összetevők Na+ mg/l Ca2+ mg/l Mg2+ mg/l Li+ mg/l Fe2+ mg/l K+ mg/l Mn2+ mg/l As3+ mg/l PO2 mg/l NH4 mg/l S0 4 mg/l bepárlási maradék g/l Metabórsav mg/l N0 3 mg/l N0 2 mg/l HCO3 mg/l F" mg/l Cl" mg/l

r mg/l S2" mg/l H 2 Si0 3 mg/l Br' oxigén fogyasztás KOI pl

1.

2.

1040 1110 253 187 69 70 2,80 2,9 <0,10 126 121 0,17 < 0,001 <0,04 0,04 < 0,001 12,7 1006 580 3,9676 5,363 2,67 1,8 1,15 2422 1,0 364 0,14 <0,01 56 nem mért nem mért

Szabvány határértéke * Fogyasztási előírások nélkül

Fogyaszthatóság felső határértéke

200 250 100

1000 -

2,0 0,2 -

0,02

300 3000

1000 6000

-

13 2960 0,92 260 0,33 0,61

1,5 0,5 1,0 -

20,0 0,2 5 -

-

-

5

A szakirodalmazások alapján megállapítható, hogy a víz Na+ tartalmának csökkentésére esetünkben a természetes zeolitokkal történő megkötés alkalmaz179

Dr. Takács János

ható, amely képes a Na-iont szelektíven megkötni (adszorbeálni, ill. minimálisan ioncserélni). A zeolitok ioncsere, adszorpciós kapacitása függ a zeolit típustól, de értéke 2-2,8 mekv/g között változik, amelyből a Na+ megkötő kapacitás 0,5-0,6 mekv/g-re tehető. Mindezeket figyelembe véve a feladat megoldására - azaz a víz Na+ tar talmának csökkentése úgy, hogy a víz jellege minimálisan változzon csak - az adszorpciót-ioncserét javasoljuk, melynek szilárdfázisa, adszorbense a természetes zeolit. 3.

AZ ADSZORPCIÓ

Adszorpció gáz, gőz, oldott anyagok (adszorptív) szilárd felületen (adszor bens) történő megkötődést jelent. Bizonyos molekulák, ionok koncentrációja egy szilárd felületen megnő, ahol szabad kötőerők léteznek szemben a belső atomokkal, és mind aktív központ a gáz, ill. folyadékban lévő molekulákkal, ionokkal kölcsön hatásba lép. Megkülönböztethetünk fizi-, ill. kemiszorpciót. Fiziszorpciónál elektrosztatikus vonzóerő vagy Van der Wals - cserehatás jön létre és közben mint exoterm folyamat 10-760 kJ/mól adszorpciós hő keletkezik. A ké miai kötésnél, kemiszorpciónál viszont 200 kJ/mól hő fejlődik. Az adszorpciós folyamat során az adszorptívum először az adszorbens felületén kötődik, lamináris diffúzióval egy határfelületi film alakul ki, majd megindul a diffúzió a pórusok felé, a pórusokban, ahol a leválasztandó ion, molekula gyorsan megkötődik. Az adszorpció mértéke hőmérséklet és koncentráció függő, de befolyásolják a kísérő vegyületek típusa és azok koncentrációja is. A folyadék és a szilárd fázis felületén kialakult koncentráció ismeretében a folyamat az úgynevezett adszorpciós egyensúllyal, adszorpciós izotermával jelle mezhető, amely kísérleti adatokkal felvehető. A legfontosabb adszorbensek az aktív szén, aktív koksz, szilika gél, zeolit (természetes, mesterséges), melyek közül elsősorban a zeolit alkalmazása javasol ható e probléma megoldására a termikus stabilitása, szelektivitása miatt. A zeolit magas Si, Al és O2 tartalmú tetraéderből álló gyűrűs vegyület (de azon kívül számtalan vegyületet is tartalmaz, köztük Ca, Na). Mintegy 40 féle zeolitásvány vált ismert, melyek különböző minőséggel rendelkeznek. Mivel az Alatom negatív töltésű, úgy elsősorban a kationokat hajlamos megkötni, de megfelelő felületi kezeléssel az anionok kötése is alkalmassá tehető. A zeolit különlegessége abban áll, hogy a nagyobb pórusok mellett számtalan szubmikroszkópikus pórussal is rendelkezik. A pórusok mérete a vázszerkezettől 180


függően 0,6-1,2 nm, Nagy porozitásúk miatt sűrűségük viszonylag kicsi (2,0 - 2,3 g/cm3) és fajlagos felületük pedig 800-1000 m2/g. A zeolitok ion, molekula megkötése szelektív, amely eltérő szerkezeti sa játosságaiból adódik, befolyásolja: - az A104 tetraéderek száma (teljes ioncsere kapacitás); - a Si/Al - arány nagysága (az elektrosztatikus térerő nagysága); - a Si/Al - eloszlás egyenletessége (mono- vagy polifunkciós ioncserélő) - a csatornák mérete (ionszűrő képesség), - a csatornaméretek egyenletessége (részleges ionszűrő képes ség). A felsorolásból látható, hogy a zeolit kation megfogó képességére jellemző az ionszűrés. Ez a fogalom azt jelenti, hogy a zeolit pórusméreteinél nagyobb hidratált ionok nem tudnak a folyadékkal vagy gázzal tovább áramlani, a póruson vagy a pórusban szűrőhatással visszamaradnak. A Magyarországon található és adszorbensként szóba jöhető zeolit típusok között a két legjellemzőbb a követke zők: Modernit: (Na2, K2, Ca) [Al2Sii0O24]*7H2O képletű csak 1970-es évektől ta nulmányozott ásvány. Sajátos sugaras hajszálvékony fenn nőtt kristályai, szálszerű alkatuknál fogva alapjaiban különböznek a zeolitok többi, rendsz erint vaskosabb alkatú kristályaitól. Sűrűségük tömör állapotban meghaladja a 2 g/cm3-t. Kémiai összetételükben a Na+ és a Ca"^ ionon kívül a K+ -ion is szerepet kap, mint a [Si, AI/O4] tetraéder gyűrűk által kialakított pórustér rendszerint részben, vagy egészen kicserélhető, vagy kioldható, kimozdítható kationja. A kationcsere jelensége a szilikátváz belső pórusaiban levő, csak kevésbé kötött alkálifém és alkáli földfém kationok méreteinek a csator naméretekhez hasonlítva, viszonylag alacsony értékein (Na: 0,98 Á; K: 1.33 Á; Ca: 1,08 Á) és a kationok kiszorításán alapszik. Klinoptilolif. (Ca, Na) [Al2SÍ70ig].6H20 képlettel jellemezhető, monoklin prizmás kristályszerkezetű ásvány. A kristályok sűrűsége 2,1-2,2 g/cm3. 700 c° -ig rácsszerkezetében stabilan viselkedik. Kémiai összetétel szempontjából 61,8 % Si0 2 tartalom és a Na+ ion viszonylag túlsúlya jellemzi a Ca-ionnal szem ben. A klinoptilolit belső szerkezetét Si0 4 tetraéderek gyűrűiből álló láncolat adja. A pórustere alkalmas a vízmolekula és a hasonló mérettartományú mole kulák, pl. C 0 2 szorpciójára. A kristályszerkezetéből fakadó másik karakterisz181

Dr. Takács János

tikus tulajdonság, hogy a kation a tetraéder gyűrűn belül, a környezet szabad kation-koncentrációjától függően, kicserélődnek annak függvényében, hogy milyen jellegű kationcsere történik, a pórustér 10-15 %-ban változtatható. A klinoptilolit pórustere savas, vagy lúgos kezeléssel befolyásolható. A modernit és a klinoptilolit elemi celláját és jellemző pórusméreteit néhány más zeolittal összehasonlítva, az alábbi 2. táblázat tünteti fel: 2. táblázat: Zeolit ásvány

Különböző zeolitféleségek és főbb jellemzőik

Elemi cella szerinti képlet

Csatorna méretek

loncsere kapacitás

0

A

mekv/gr

modernit

(Na,Ca)4(Na,K)4 Al8Si40O96).24H2O

2,9x5,7

2,29

klinoptilolit

(Ca,Na)8(Al8Si40O96).24H2O

3,9x5,4

2,54

analcim

Na 1 6 (Al l 6 Si 3 2 0 % ).16H 2 0

2,6

4,54

chabazit

(Na2) Ca)6 (Al12Si24072).27 H20

3,7x4,2

3,81

erionit

(Na, Ca5.K)9 (Al9Si27072).27 H20

3,6x5,2

3,12

phillipsit

(Na.KíjoíA^oSbO«)^ OH 2 0

4,2x4,4

3,87

A vizek Na+ tartalmának csökkentése zeolittal még a szakirodalmakban sem teljesen tisztázott, hogy adszorpció ill. ioncsere folyamat-e. Amennyiben a folyamat ioncsere, a kezelt víz sótartalma gyakorlatilag nem csökken, az adszorpció alkalmával viszont igen. A kísérleteink alapján a vízben egy zeolitos kezelés során bizonyos adszorpció és ioncsere is lejátszódik. A további vizs gálataink során így nem beszélhetünk egyikről vagy másikról, hanem a kettőről együtt. A folyamat vizsgálatára egy laboratóriumi berendezést építettünk meg, anyagokat szereztünk be és elvégeztük a vélemény nyilvánításhoz szükséges kísér leteket. 4.

LABORATÓRIUMI K Í S É R L E T E K

A laboratóriumi vizsgálatokhoz első lépésben megterveztük a szükséges berendezést, majd elkészítettük. Beszereztünk különféle típusú zeolitot és össze182


gyűjtöttük, megállapítottuk azok főbb jellemzőit, majd a hozott vízmintákkal elvégeztük a megtervezett kísérleteket és azokat értékeltük. 4.1.

A laboratóriumi technológia ismertetése

A laboratóriumi kíséreti berendezést, technológiát, méreteket az 1. és 2. ábrák szemléltetik. Ennek legfőbb része az adszorpciós oszlop, amelyben a zeolit adszorbenst helyeztük el. Az oszlop üvegcsőből készült, és alul tölcséresre alakítot tuk ki. A zeolit oszlop tartására a kúpos rész fölött egy szűrőbetétet (pórusmérete 150 um) használtunk. A kísérletek során az első lépés a zeolitok desztillált vízzel történő át mosása volt, melynek eredményeként a um körüli ill. alatti finom zeolit frakciót választottuk le. A következő lépés az adszorpciós ágy elkészítése (tömörítéssel), majd a víz feladása, átszűrés következett. A kezelendő vizet felül adtuk fel, amely a gravitáció és az oszlop hidrauli kus ellenállásából adódó sebességgel az oszlopon átszivárgott, átszűrődött. A kezelt vízből mintát vettünk és elküldtük nátrium és kalcium ion elemzésre. A víz kezelési technológiai kísérleteknél az oszlop aránylagos rövidsége miatt többszöri felöntéssel, újrafelöntéssel is végeztünk kísérleteket, amelyeket a kísérletek jellemzőit, eredményeit tartalmazó táblázatokban meg is jegyeztünk. 4.2. Az adszorbensként alkalmazott zeolitok fő jellemzői A kísérletek során a Tokaj-hegységből származó zeolit féleségeket használ tunk fel. Elsősorban modernitet, de néhány kísérletet végeztünk klinoptilolittal is. A Tokaj-hegység megkutatott zeolit jellemző összetételét a 3.-4. táblázatok tartal mazzák. 3. táblázat:

Klinoptilolit Mordenit Kvarcit Montmorillonit Iliit Vulkáni üveg Földpát

A Tokaj-hegység zeolitjainak ásványtani összetétele Mordenites zeolit 55-70 10-15 5-7 3-5 15-20 3-4

Klinoptilolitos zeolit 45-70 3-10 10-15 6-8 4-7 8-10 -

183

Dr. Takács János

4. táblázat:

A zeolitok kémiai összetétele (Tokaj-hegység)

Si0 2 A1203 Ti0 2 Fe 2 0 3 MnO FeO CaO MgO K20 Na 2 0

73-76 10-12 0,1 -0,2 0,5- 1,2 0,03 0,05-0,1 1,5-3,7 0,1- 1,1 0,2 - 4,1 0,7- 1,5 0,04 7,0 - 8,0

P2O5

Izzítási veszteség

68-72 10- 13 0,1 - 0,4 1,1-2,5 0,03 - 0,04 0,05-0,1 1,1 -2,4 0,3- 1,8 2,7 - 4,3 0,5 - 2,0 0,03 5,0 - 8,0

A beszerzett zeolitok szemcseméret-eloszlása különböző volt. Az adszorpciós folyamatoknál lényeges paraméter, hogy a fix ágyas adszorber esetén mennyi a folyadék tartózkodási ideje, ill. az átáramlási sebessége. E paramétert a „szűrőközeg" (zeolit) szemcseeloszlása befolyásolja, és a szemcseeloszlásra jellemző un. egyenlőtlenségi tényező alapján megítélhető. Az egyenlőtlenségi tényező az alábbi képelttel határozható meg: p

_

ahol:

X

60

X

10

x60 X10

a 60 %-os szemcseméret, a 10 %-os szemcseméret.

5. táblázat: Szemcseméret [mm] + 5 4-5 3-4 2-3

A kísérletnél felhasznált zeolitok jellemzői

Mordenit IF

- 2 + 2

184

Kommulált tömeghányad mF [%] Mordenit II. Klinoptilolit Mordenit ID 100,0 99,4 90,6 58,4 4,9

100,0

100,0

-


1,6-2

99,3

98,0

100,0

1-1,6

98,7

97,3

98,0

0,63 - 1

54,7

58,8

17,0

-0,63

8,1

16,4

0

Tényleges sűrűség

2,25 g/cm3

2,25 g/cm3

2,3 g/cm3

2,15 g/cm3

Térfogati sűrűség

0,97 g/cm3

0,86 g/cm3

0,99 g/cm3

0,95 g/cm3

Az egyenlőtlenségi tényező értékei: Et M iF = 1,58; Et M ID = 1,44; Et M n = 2,02; Et K = 1,39. Az egyenlőtlenségi tényezők szerint a zeolit minták jó szűrőközegnek mondhatók, kis fajlagos ellenállással rendelkeznek. Az adszorpció szempontjából talán a kissé rosszabb (nagyobb) egyenlőtlenségi tényezőjű zeolit lenne megfe lelőbb, mert a nagyobb fajlagos ellenállás nagyobb, hosszabb tartózkodási időt eredményez, azaz több idő áll rendelkezésre az adszorpció lejátszódására. A durvább, szemcseeloszlású zeolit használata gazdaságosságosabb, a fi nomabb viszont drágább fajlagos előállítási költsége mellett nagyobb fajlagos felületűek.

5.

A LABORATÓRIUMI K Í S É R L E T E K É S EREDMÉNYEI NEK ÉRTÉKELÉSE

A különböző zeolit segítségével a nyers és a C0 2 -vei dúsított vízzel vég zett kísérleteket és eredményeiket a 6-9. táblázatban foglaltuk össze és a 4-10. ábrák teszik azokat szemléletesebbé. A kísérleteknél felhasznált kétféle szemcseméretű zeolitnál (0,63-2 mm és 2-5 mm) az átáramlást a gravitáció segítette a hidraulikus ellenállással szemben. Az így kialakult szűrési teljesítmények 10-35 m3/m2h ill. 40-87 m3/m2h értékek közé adódtak számításaink szerint, míg a zeolit ionszűrő-ágyon való átáramlás (ver tikális) sebességek 2-8 cm/s közötti értékek voltak. A kísérleteknél az egymást követő felöntések azt jelentik, hogy az átszűrődött vizet recirkuláltattuk és adtuk fel többször, a táblázatokban szereplő felöntés számnak megfelelően, ugyanarra a zeo lit oszlopra. A 6. táblázatban a Mordenit IF és ID -vei a nyers és C0 2 tartalmú vízzel végzett kísérletek eredményei láthatók. A nyersvíz kezdeti 1010 mg/l Na+ -ion 185

Dr. Takács János

tartalma a nyersvíz, a finom szemcseméretű zeolit esetében már 42 másodperces tartózkodási idő után biztosította a 800 mg/l alatti Na+ -ion koncentrációt. A CO2 tartalmú víz kezelése ezzel szemben kevésbé volt eredményes, a koncentráció csökkenés csak 171 mg/l volt. Hasonló eredményhez vezetett a durvább mordenitet tartalmazó adszorbensek alkalmazása is. A kísérleti eredmények alapján , hogy a koncentráció az alkalmazott pa raméterek és nyersvíz minták mellett kb. 50 másodperces tartózkodási ideig biz tosít jelentős koncentráció csökkenést és a zeolit Na+ -ion megkötő kapacitása is itt állandósul, értéke 0,2658 mekv/g. Amennyiben ugyanerre a zeolitra újabb, friss nyers vizet adtunk volna fel, az ionmegkötő kapacitás tovább emelkedett volna. A kísérletek során a víz hőmérséklet hatását vizsgáltuk, függ-e a Na+ tartalom csökkenése a víz hőmérsékletének változtatásával. A 30 °C feletti szoba hőmérsékleten végzett kísérleteknél a hűtött víz első feladásnál mért hőmérséklete 19 és 9 °C fok volt, míg a 6. táblázat adatai 25 °C-nél adódtak. Az eredményeket összevetve megállapítható, hogy a víz hőmérséklete az ionmegkötést, leválasztást lényegében nem befolyásolja. Igaz ugyan, hogy a szűrési sebesség minimális értékkel csökken (alacsonyabb hőmérséklet, nagyobb visz kozitás), ugyan ilyen aránnyal nő a tartózkodási idő, de ez még nem elegendő a jelentős eredmény változáshoz. A Na -ion megkötésfögg a kiindulási koncentráció értékétől. A zeolit ionmegkötő kapacitását az alábbi egyenlet alapján számoltuk:

Na+ -ion koncentráció 'k

=

h Na+ -ion tömeg/Na - ion vegyérték

S' k m

186

zeolit

9,78 = 0,0494 mekv/g. 198


6. táblázat: Na-ion tartalom csökkentési kísérletek eredménye mordenit IF típusú zeolittal. A feladott víz Na-ion tartalma: 1010 mg/l,Ca = 273 mg/l, hőmérsék lete: 24,6 °C; A kezelt víz térfogata indulásnál: 5,5 dm3; A zeolit töltettömege: 199 g.

S.s z.

Felöntések

Oszlop Átszűrődött víz

Megkötött Na-ion

száma

ma Na+ Ca++ gasság [cm] tartalom [mg/l]

mennyisége [mg]

[mekv]

[mekv/g] 0,2053

1.

1 .feltöntés

31

840

241

935

40,65

2.

2. felöntés

31

822

236

1026,8

44,64

3.

3. felöntés

31

795

224

1153,7

50,16

0,2533

4.

4. felöntés

31

790

223

1174,2

51,05

0,2578

5.

5., 6. felönt.

31-31

785

364

1193,2

51,88

0,2620

6.

7., 8. felönt.

31-31

780

197

1210,7

52,64

0,2658

7.

1. felöntés

31,5

880

275

708,5

30,80

0,1556

8. 9. 10. 11. 12.

2. felöntés 3. felöntés I. felöntés II. felöntés III. felöntés

31,5 31,5 31 31 31

860 840 809 825 825

276 268 333 288 284

810,5 904,5 897,7

35,24 39,33 39,03

0,1780 0,1986 0,1971

728,5

31,67

0,1600

0,2255

1-9 kísérletek nyersvízzel végzett kísérletek 10-12 kísérletek C02 tartalmú vízzel végzett kísérletek (Na+ = 980 mg/l; Ca = 253 mg/l) A 7-9 kísérletnél a mordenit ID - használtuk mint ionszűrő zeolit

187

Dr. Takács János

7. táblázat:

Na-ion tartalom csökkentési kísérletek klinoptilolittal (x - 0,63 - 2 mm) A feladott víz Na-ion tartalma: 1010 mg/l, Ca - 273 mg/l, CO2 = 0 mg/l A zeolit töltet tömege: 199 g.

Felöntések S.sz

száma

Ossz. tart. idő [s]

Átszűrődött víz Na+ | Ca ++ tartalom [mg/l]

Megk
Megjegyzés

1.

I. felöntés

13,5

845

300

495

0,1086

Indulási hőm.

2. 3.

26,5 50,0

845 825

311 325

495 545

0,1191

11,2°C, az utolsó felöntés

4.

11. felöntés I1I-IV. felöntés V-VI.felöntés

72,5

830

297

I. felöntés II. felöntés

15 28,5

900 870

289 293

710 747,5

0,1559 0,163

után pedig 18°C

5. 6. 7.

III-IV. felöntés I. felöntés

54,5

875

285

-

-

15

865

293

965

0,2119

8.

Tind = 8,5 C T •• = 14 5 °C 1

9. 10.

II-III-IV. felö. I. felöntés

52 24

855 830

280 305

11. 12.

II. felöntés III-IV. felönt.

43 77

815 785

310 320

977,5 287,5 321,25 381,25

vegso

iT)~* *-•

Tind ~ 6,8 C , .. = 13 1 T

0,2136 0,0631

T

0,0705 0,0833

*• végső ~ 1 0,1 L-

L

vegso

| J

)'

*-'

Tind = 6,6 °C

1-9 -ig egy töltetessel történő átszürődés 10-12-ig másik töltet, C0 2 tartalmú víz (Na" = 945 mg/l; Ca = 397 mg/l) A 7. táblázat kísérleteinél ionszürőként klinoptilolit tartalmú zeolitot al kalmaztunk nyers víz és CO2 tartalmú víz kezelésére. A nyert eredmények alapján, összevetve az előző kísérletek eredményeivel az alábbi megjegyzéseket tehetjük: A klinoptilolit kevésbé csökkenti a víz Na+-ion tartalmát, mint modernites zeolit. - Ha ugyanarra a zeolit töltésre újabb nyers vizet adunk fel, az ion meg kötés jellege a zeolit telítődéséig hasonló. A teljes zeolit kimerülés kimérése még nagyobb mennyiségű víz és elemzés szükséges. A kísérletek eredményei alapján itt is beigazolódik, hogy a CO2 tar talmú vízből kisebb, azaz rosszabb az Na+-ion megkötés. Ennek valószínűleg oka lehet az is, hogy a vízből felszabaduló és felszálló

188


CO2 fellazítja a zeolit szűrőágyat és csökken az ion kiszűrődés lehető sége. A szilárdágyas adszorpció mellett olyan kísérleteket is végeztünk, amelyeknél egy főzőpohárba bemért kezelendő vízhez adagoltuk be a különböző típusú és szemcseeloszlású adszorbens. A keveréket folyamatos lassú keverésben tartottuk, időközönként azokból mintákat vettünk, melyeket Na-ion tartalomra megelemeztettünk. A vizsgálati eredmények segítségével megrajzoltuk az adszorpciós izotermákat is (1-4 ábrák), különböző szemcseeloszlású montmorillonit (bem) és klinoptilolit adszorbens alkalmazására. A ieoJil (bem) összkapacttása 1 g/l koncentáció esetén B2 idő függvényében, szemesemére! szerint felbontva

A zeolit (re), kev) összkapaertása 1 g/t koncentáció esetén az idő függvényében, szemcsemérwi szertrrt felbontva •rclS-10 -ÍCI2-5 rci 0.63-2 mm rcio.S-imm • kev 0,63- 2 mm

•-bem 5-10 I-bem 2-5 bem 0,8^-2 mm <- bem 0.5-1 mm 1 bem 0,1-0.5 mm

Idő (h)

Idő (h)

A zeolit {bem) összkapacttása 2 g/l koncentáció esetén az idő fuga vényében, szemcseméret szerint felbontva

A zeolit (rcl, kev) összkapacitésa 2 g/l koncentáció esetén a2 ídő függvényében, szemcseméret szerint felbontva -*-rd6-10 -«-rel2-5 rcf 0,63-2 min ---'- rci 0,5-1 mm •»-kev 0.83-2 mm

•bem 5-10 - bem 2-5 bent 0.63-2 mm bem 0.6-1 mm - bem 0.1-0.5 mm

táő tóra)

idő (h)

1-4. ábrák Az adszorpciós izotermák alakulása különböző Na-ion koncentráció és adszorbens alkalmazása esetén modell víznél. Az ábrákból jól látható, hogy a megkötött Na-ion mennyisége mindegyik esetben jelentős értékű, és gyakorlatilag nem függött az adszorbenstől (kivétel talán a nagyobb nátrium koncentráció és a durvább szemcseméretű klinoptilolitnál tapasztalható). Ami viszont jól látható, hogy a 2 mm alatti szemcseméret esetén (a nagyobb fajlagos felület következtében) azonnal elkezdődik az adszorpció folya mata, és sokkal rövidebb idő alatt be is fejeződik, mint a 2 mm feletti frakciók

189

Dr. Takács János

esetében. Hasonló kísérletet és értékelést végeztünk „nyers" gyógyvízzel is a két féle adszorbens felhasználásával. A kapott eredményeket ábrázoltuk a 4-6. ábrák ban feltüntetett izotermákban. A zeolit ( b o r ) ősszkapacilása nyers gyógyvíz esetén az 'dő függ vényében, szetrxr.seiréröt szerint felbontva

Wő (h)

A zeoíit írd, knv) ösEzkapacitäsa nyers gyogyvi? esetén az idő függvényében szemcse T>e ret szerint felbontva

tdo (h)

5-6. ábrák Az adszorpciós izotermák alakulása különböző adszorbens alkalmazása esetén ,, nyers " gyógyvíznél. A függvények alakulásából kitűnik, hogy a kútvíz esetében a más sótartal mak befolyásolják ugyan a függvények alakulását, azaz a jelentős adszorpciós folyamat beindulása a finom szemcsefrakciójú adszorbenseknél is később indul be, de még így is lényegesen korábban mint a durva frakcióknál. Hasonló módon jelentős a különbség a megkötött Na-ion tartalomban is, de még a durvánál is elér hető a 40%-os megkötödés. A jelenség oka az, hogy az alkalmazott adszorbensek jelentősen eltérő fajlagos felülettel rendelkeznek. 6.

ÖSSZEGEZÉS

A rendelkezésünkre álló vízmintákat elvégzett kísérletek eredményeit megállapítható, hogy a BORSOD VÍZ Na+-ion tartalmának csökkentésére a mordenit típusú zeolit az alkalmasabb és a szemcsefrakciók közül a 0,63-2 mm megfe lelőbb. A nagyobb szemcsefrakciók kapacitása kisebb, a kisebb szemcseméretek előállítása viszont jelentős költséget jelent, és jelentősen nehezebb feladatot jelent ez utóbbi esetben az adszorpciót követő fázisszétválasztás is. A vizek közül kezelni a nyers vizet érdemes, mert a CO2 lassítja a szűrőágyat, az Na+-ion leválasztás mértéke kisebbre adódott. Célszerűnek látszik a szürőoszlop és a tartózkodási idő növelés is. A kísérleti eredményekből látható, hogy a zeolit töltet kisebb részben ioncsere, nagyobb részben adszorpciós folyamattal csökkenti a kezelt víz Na+-ion koncentrációját. Az ioncsere következménye a Ca^-ion nagyobb és a Mg kis190


mértékű emelkedése. A többi kation típus koncentrációjában minimális csökkenés volt megfigyelhető (Li, K, Mn), míg a Fe és As esetében a mennyiség kimutathatóság alatt volt. így az esetleges csökkenés sem észlelhető. Jelentős azonban a bepárlási maradék (3240 mg/l-ről 2960 mg/l-re), valamint a HCO3 tartalom (1537 mg/l-ről 897 mg/l-re) csökkenése. A zeolitok közül a Mezőzombor-Hangács-tetői 0,63-2 mm -es zeolit csök kentette jelentősebben a nyers víz Na+.ion tartalmát, így az üzemi megvalósításnál is elsősorban ennek a mordenites zeolitnak az alkalmazását javasoljuk.

191

A VIZEK NA-ION CSÖKKENTÉSÉNEK EGY LEHETSÉ GES MEGOLDÁSA

Recommend Documents