Környezettechnika eljárásai gyakorlat

Moduláris korszerű szakmai gyakorlatok környezetvédelmi területre

Környezettechnika eljárásai gyakorlat II/14. évfolyam tanulói jegyzet

A TISZK rendszer továbbfejlesztése – Petrik TISZK TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

Moduláris korszerű szakmai gyakorlatok környezetvédelmi területre • Környezettechnika eljárásai gyakorlat TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

környezettechnika eljárásAI gyakorlat II/14. évfolyam tanulói jegyzet

A kiadvány a TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011 azonosító számú projekt keretében jelenik meg.

Szerző: Mitykó János Lektor: Molnár Ferenc

Borító és tipográfia: Új Magyarország Fejlesztési Terv Arculati kézikönyv alapján

A mű egésze vagy annak részletei – az üzletszerű felhasználás eseteit ide nem értve – oktatási és tudományos célra korlátozás nélkül, szabadon felhasználhatók.

A tananyagfejlesztés módszertani irányítása: Observans Kft. Budapest, 2009. Igazgató: Bertalan Tamás Tördelés: Király és Társai Kkt. • Cégvezető: Király Ildikó

Tartalomjegyzék Bevezetés ...........................................................................................................................................................7 Ülepítés................................................................................................................................................................9 Hőmérséklet........................................................................................................................................................................ 10

A hőmérséklet mérése...................................................................................................................................10 Hőmérsékleti skálák.....................................................................................................................................12 Sűrűség................................................................................................................................................................................ 13

Sűrűségmérés................................................................................................................................................13 Viszkozitás.......................................................................................................................................................................... 14

A viszkozitás mértékegységei.......................................................................................................................14 Viszkozitás mérése.......................................................................................................................................14 Felhajtóerő........................................................................................................................................................................... 16

Mintapélda....................................................................................................................................................16 Közegellenállás................................................................................................................................................................... 18 Ülepítők vizsgálata............................................................................................................................................................. 19

Ülepítő típusok.............................................................................................................................................19 Ülepítők jellemzői, méretezése ....................................................................................................................19 Foszfor eltávolítása szennyvizekből................................................................................................................................... 20

Ortofoszfát formájú foszfor eltávolítása.......................................................................................................20 Foszfáttartalom mérése fotométerrel............................................................................................................21 A témakörrel kapcsolatos fogalmak és kifejezések............................................................................................................ 22 Gyakorlatok................................................................................................................................................................ 23 1. gyakorlat • Gyakorló feladat......................................................................................................................... 23 2. gyakorlat • Gyakorló feladat......................................................................................................................... 25 3. gyakorlat • Gyakorló feladat......................................................................................................................... 27 4. gyakorlat • Gyakorló feladat......................................................................................................................... 29 5. gyakorlat • Ülepítési próba lipcsei típusú ülepítővel.................................................................................. 31 6. gyakorlat • Foszforeltávolítás..................................................................................................................... 326

ivóvíztisztítás............................................................................................................................................... 34 Vízhozam mérése................................................................................................................................................................ 34

Feladatok......................................................................................................................................................35 Gázok kihajtása................................................................................................................................................................... 36

Gázok a vízben.............................................................................................................................................36 Abszorpció....................................................................................................................................................37 A vizsgált gáz koncentrációjának mérése.....................................................................................................37 Feladatok......................................................................................................................................................38 Derítés................................................................................................................................................................................. 39

Kolloid rendszerek........................................................................................................................................39 Derítés...........................................................................................................................................................40 PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

3

Derítési próba...............................................................................................................................................40 Flokkteszter..................................................................................................................................................40 Arzénmentesítés................................................................................................................................................ 41 Szűrés................................................................................................................................................................ 42 Szűrési sebesség...........................................................................................................................................42 Állandó szintű gyorsszűrő............................................................................................................................43 Feladatok......................................................................................................................................................43 Vas- és mangántalanítás....................................................................................................................................44 Gyakorlatok.............................................................................................................................................. 45 1. gyakorlat • Gyakorló feladat........................................................................................................45 2. gyakorlat • Mélységi víz szabad szén-dioxid tartalmának eltávolítása, mérése..................... 47 3. gyakorlat • Felszíni víz derítése...................................................................................................50 4. gyakorlat • Arzénmentesítés derítéssel....................................................................................... 52 5. gyakorlat • Gyakorló feladat........................................................................................................54 6. gyakorlat • Ivóvíz vasmentesítése levegőztetéssel és szűréssel.................................................. 57

Ivóvíz vasion tartalmának meghatározása............................................................. 59

A témakörrel kapcsolatos fogalmak és kifejezések...........................................................................................60 szennyvíztisztítás...................................................................................................................................... 62 Szennyvizek fizikai, kémiai, biológiai jellemzői............................................................................................... 62 Természetes szennyvíztisztítás.....................................................................................................................63 Szennyvizek tisztításának mechanikus módszerei, műtárgyai (I. fokozat)...................................................... 63 Biológiai szennyvíztisztítás (II. fokozat)...........................................................................................................64 Eleveniszapos szennyvíztisztítás..................................................................................................................64 Csepegtetőtestes szennyvíztisztítás..............................................................................................................64 Utólagos biológiai tisztítás...........................................................................................................................65 Iszapkezelés..................................................................................................................................................65 elválasztó műveletek.............................................................................................................................. 67 Extrakció............................................................................................................................................................ 67 Szilárd-folyadék extrakció és berendezései..................................................................................................67 Folyadék-folyadék extrakció és berendezései..............................................................................................69 Bepárlás. Desztilláció........................................................................................................................................ 70 Rektifikálás...................................................................................................................................................71 Vízgőz-desztilláció.......................................................................................................................................71

4

környezettechnikai eljárások gyakorlat • tanulói jegyzet

II/14. évfolyam

gyakorlatok.............................................................................................................................................. 72 1. gyakorlat • Kioldás talajmintából................................................................................................ 72 2. gyakorlat • SZOE meghatározása talajvízből........................................................................... 74 3. gyakorlat • Oldószer visszanyerése extraktumból..................................................................... 76 4. gyakorlat • Növények illóolajtartalmának meghatározása....................................................... 77 felúsztatás, flotálás............................................................................................................................... 78 A felúsztatás...................................................................................................................................................... 78 Flotálás............................................................................................................................................................... 79 Centrifugális erőtér............................................................................................................................................ 79 Gyakorlatok.............................................................................................................................................. 82 1. gyakorlat • Gyakorló feladat .......................................................................................................82 2. gyakorlat • Gyakorló feladat........................................................................................................... 84 Vízlágyítás...................................................................................................................................................... 86 Csapadékos vízlágyítás...................................................................................................................................... 86 Ioncsere.............................................................................................................................................................. 87 Kation cserélő műgyanta..............................................................................................................................87 Az anion cserélő műgyanta...........................................................................................................................88 A víz lágyítása..............................................................................................................................................88 Gyakorlatok.............................................................................................................................................. 89 1. gyakorlat • Csapadékos vízlágyítás. .............................................................................................. 89 2. gyakorlat • Vízlágyítás ioncserélővel........................................................................................... 91 3. gyakorlat • Ioncserélő regenerálása.............................................................................................93 Függelék........................................................................................................................................................... 95 Ellenőrző adatok a viszkozitásmérési gyakorlatokhoz...................................................................................... 95

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

5

Bevezetés A környezettechnikai eljárások gyakorlaton végre azt fogjuk tenni, amire a környezettechnika való. Az eddig elsajátított elméleti ismereteknek sem az volt az egyetlen és fő funkciója, hogy tudományos adatbázisunkat növelje, hanem azokat a gyakorlatban hasznosítanunk kell. Meg kell találnunk annak a módját, hogy az általunk, emberek(?) által a környezetbe kijuttatott szennyezőanyagok mennyiségét csökkentsük! Ezzel a tananyagcsomaggal szeretnénk hozzájárulni ahhoz, hogy az itt található ismeretek felhasználásával, a gyakran játékos formában elvégzett gyakorlatokon keresztül a következő szakképzési célok teljesüljenek: –– Tudjon megbízhatóan, precízen dolgozni, kialakuljon a munkához szükséges kézügyessége. –– Szakszerűen tudja használni a munkájához szükséges mérőeszközöket. –– Képes legyen átlátni a fizikai törvényszerűségeket, a logikus következtetésekre. –– Fejlődjön a problémamegoldó képessége –– Tudjon a mintafeladatok alapján önállóan, hasonló ismeretekre épülő feladatot megoldani. –– Képes legyen módszeres munkavégzésre, meg tudja tervezni munkáját. –– Ismerje a fizikai műveletek és kémiai eljárások berendezéseit. –– Tudjon fizikai és kémiai eljárásokhoz kapcsolódó méréseket végezni a környezettechnikai mérőszobában. –– Képes legyen az üzemlátogatáson szerzett tapasztalatait alkalmazni a képzés irányának megfelelő munkahelyen. A fenti ikonnal a későbbiekben is találkozhat, amikor egy-egy konkrét témakörrel kapcsolatos célokat fogalmazunk meg. További ikonok is meg fognak azonban jelenni. Mindegyik a tanulás, az eligazodás és a megértés megkönnyítését igyekszik szolgálni. Ilyenek: A kiemelten fontos szabályok, összefüggések, következtetések kerülnek ide.

Olyan példák, amelyek szemléletessé tehetik az egyes ismereteket, problémákat.

Tanulást megkönnyítő ötleteket és kérdéseket tartalmaz. Ahhoz, hogy a célok megvalósuljanak, sajnos követelményeket is kell állítani, és teljesíteni. Egyik ilyen követelmény a gyakorlatok dokumentálása, amely elősegíti többek között a mérési módszerek, az összefüggések későbbi előkeresését, felidézését. A dokumentálást jegyzőkönyvben kell teljesíteni. A nagy alakú füzetben elkészített jegyzőkönyv formai és tartalmi előírása:

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

7

Sorszám

Gyakorlat címe

Dátum

1. mérés elve 2. munka menete 3. szükséges anyagok, eszközök 4. munkavédelem

5. rajz, diagram 6. számítások 7. eredmény 8. következtetés 9. javaslat

A kinyitott füzet bal oldala

jobb oldala

A tananyagcsomag akkor érte el célját, ha teljesítése után képes lesz a következő feladatok elvégzésére: Eljárások

Mérések, vizsgálatok, számítások

Ülepítés, szűrés, centrifugálás

Hőmérséklet, sűrűség, viszkozitás, ülepedési sebesség

Abszorpció, deszorpció, sztripping

Mohlman-index, víztartalom, hatásfok,

Derítés, flotálás

Szabad CO2-tartalom

Desztillálás, bepárlás, extrahálás

Vas- és foszfáttartalom

Vas-, mangán- és foszfor eltávolítás

Vízkeménység, pH

Csapadékos és ioncserés vízlágyítás

Gyantakapacitás

8


II/14. évfolyam

Ülepítés Az ülepedés egy természetes, mozgással járó folyamat, amely durva diszperz rendszerekben (mint a szuszpenziók és emulziók) önként végbemegy. A mozgásokat a következő törvényszerűségek irányítják és jellemzik: –– a 0,01 mm-nél nagyobb szemcsék a vízben, ha annál nagyobb sűrűségűek, akkor ülepednek, ha kisebb sűrűségűek, akkor felúsznak; –– a mozgásuk kezdetben gyorsuló, majd állandó sebességű; –– a szemcse mozgása, mint minden fizikai testé a ráható erők eredőjétől függ. Az ülepedés sebessége függ: –– az ülepedő szemcsére ható gravitációs erőtől (g), –– a szilárd anyag és a folyadék sűrűség-különbségétől (ρsz–ρf ), –– a folyadék viszkozitásától (ami viszont hőmérsékletfüggő) (η), –– valamint a szemcse átmérőjétől (d). Gömb alakú szemcsék esetében a Stokes-törvény jó közelítéssel adja meg az ülepedési sebességet:

Az ülepedéshez szükséges idő tehát a körülményektől függ. Amennyiben időt akarunk nyerni, és meg akarjuk gyorsítani a folyamatot, akkor meg kell vizsgálnunk a körülményeket. Mérnünk kell a paramétereket, fel kell ismernünk a törvényszerűségeket. Ebben a témakörben el szeretnénk érni, hogy az itt található információk segítségével a gyakorlatok elvégzése és értékelése után: 1. Ismerje a mérési elveket, a mérési technikákat és mérőeszközöket. 2. Tudjon mérni –– hőmérsékletet, –– sűrűséget, –– időt, –– viszkozitást –– sebességet. 3. El tudja magyarázni a leggyakoribb ülepítők működési elvét. 4. Képes legyen ülepítőt kezelni, hatásosságát jó irányba befolyásolni. 5. Képes legyen az ülepítőt jellemző tulajdonságok mérésére, számítására: –– ülepedési sebesség, –– Imhoff-index, –– iszap víztartalma, –– Mohlman-index, –– ülepítés hatásfoka.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

9

Hőmérséklet A hőmérséklet az anyagok egyik fizikai jellemzője. Az anyagot felépítő részecskék mozgási energiájával kapcsolatos mennyiség, amely azonban nem additív. Ez azt jelenti, hogy ha két különböző hőmérsékletű rendszert egyesítünk, akkor a hőmérsékletek nem összeadódnak, hanem kiegyenlítődnek, vagyis az új érték a két hőmérséklet súlyozott átlaga lesz. Két különböző hőmérsékletű tárgy között megindul a hő átadása, amely a kiegyenlítődés irányába hat. (Télen amikor „majd lefagy” az ujjunk, akkor a hideg víz is kellemesen langyosnak tűnik.) Ugyanez történik akkor is, ha egy rendszeren belül a hőmérséklet eloszlása nem homogén. A folyamat, önként lejátszódik és kiegyenlítődéshez vezet. A hőmérséklet tehát olyan állapotjelző, amely megszabja a hőáramlás irányát. A hő kizárólag a nagyobb hőmérsékletű helyről a kisebb hőmérsékletű irányába áramlik. Ha meg akarjuk fordítani ezt a folyamatot, akkor nagy mennyiségű munkát kell végeznünk. A hűtés mindig többe kerül, mint a fűtés. Ez alól kivételt képeznek a hőszivattyús rendszerek, amelyeknél a hűtésnél keletkező hőt máshol hasznosítani tudják.

A hőmérséklet mérése A hőmérsékletet tapintással való hőérzékeléssel észleljük, vagy hőmérővel mérjük. Hőmérséklet mérésére, vagyis hőmérőként használható minden olyan fizikai jelenség, vagy tulajdonság, amely láthatóan, illetve kimutathatóan változik a hőmérséklet változásakor. Ilyen jelenségek vagy tulajdonságok pl. a hőtágulás, relatív sűrűség, az elektromos vezetőképesség (vagy ellenállás), termoelektromosság, anyag színe, olvadáspontja, forráspontja stb. Bármivel is végezzük azonban a mérést arról nem szabad megfeledkeznünk, hogy a hőmérő mindig saját anyagának hőmérsékletét mutatja! A mérendő környezetbe helyezve időre van szükség ahhoz, hogy annak hőmérsékletét felvegye. Ehhez annál több időre van szükség, minél nagyobb a hőkapacitása: C = c∙m, ahol „c” a fajhő, „m” pedig a tömeg. A hőmérő és a mérendő rendszer között tehát termikus egyensúlynak kell beállni. Az egyensúly úgy áll be, hogy hő áramlik a kettő között mindaddig, amíg azonos hőmérsékletűek nem lesznek. A mérésnél használt anyag hőmérséklete tehát megváltozik, és ennek következtében annak valamilyen fizikai tulajdonsága pl. térfogata is megváltozik. Mit gondol, mi lehet az a szó, amely a két alábbi kérdésre egyaránt helyes indoklást adna? 1. Miért nem szabad a benzines kannát teljesen tele, „csurig” tölteni? 2. Miért melegítik meg a vasabroncsot, mielőtt a hordóra húzzák?

10


II/14. évfolyam

Hőmérési elvek Hőmérő típusa

Folyadéktöltésű

Gáztöltésű

Elve

Alkalmazhatósága Előnye, hátránya

Állandó nyomáson a térfogat változása, vagy állandó térfogaton a nyomás változása.

Héliumtöltésű hőmérővel –270°C-ig lehet mérni. Nagy pontosságúak, kalibrálásra is használhatók.

Nagy helyet foglalnak, ezért csak laboratóriumokban használják.

–39°C-tól +300°Cig, ha légritka tér van a higany felett. Nitrogénnel, vagy szén-dioxiddal töltött kapilláris esetében akár 700°C-ig is.

Hirtelen bekövetkező nagy hőmérsékletkülönbség az üvegből készült kapilláris térfogatában csak lassan múló változást idéz elő.

Higany

Borszesz

A folyadék térfogatváltozása a hőmérséklet függvényében.

Pentán

Bimetall

Réz-konstantán Termoelem

Vas-konstantán Nikkel-krómnikkel

Platina-platinaródium

Ellenállás hőmérők

PETRIK TISZK

–60°C-tól +80°C-ig Hűléskor a belekevert színező anyag Akár –200°C-ig kiválhat, ilyenkor 1–2˚C-kal többet mutathat.

Két különböző hőtágulású fém egymásra hengerelve a hőmérséklet változásakor különböző mértékben mozdul el, így a kettő együtt görbül (vagy egyenesedik).

Hőszabályozókban (az elmozduló fém megszakítja, vagy zárja az áramkört). Meteorológiában a hőmérséklet regisztrálására

Csak ott használhatók, ahol elegendő az 1%-os mérési pontosság!

Seebeck-effektus: ha két összehegesztett, különböző fémből (ötvözetből) álló vezeték másik vége a hegesztési ponttól eltérő hőmérsékletű, akkor közöttük feszültségkülönbség mérhető.

–200 és +600°C

Ha a termoelemet folyamatosan magas hőmérsékleten tartjuk, akkor idővel a termofeszültség csökken, a termoelem „öregszik”

A fémek ellenállása a hőmérséklettel változik.

–200°C – +1000°C 0°C-tól +1200°C-ig 1700°C-ig

Vegyipari készülékekben is alkalmazhatók.

Aránylag nagy a hőtehetetlenségük, de távmérésre alkalmasak.

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

11

Hőmérő típusa

Elve

Termisztorok

Seger-gúla

Folyadékkristályok

Alkalmazhatósága Előnye, hátránya

Szintén az ellenállás változásán alapszanak, de itt félvezetőket használnak. Szinte mindenhol alkalmazhatók. Nehézfém-oxid kerámiákból készülnek. Attól függően, hogy az ellenállásuk a hőmérséklet növelésekor milyen irányba változik vannak: negatív hőmérsékleti együtthatójú ellenállások (NTK-ellenállások), és pozitív hőmérsékleti együtthatójú ellenállások (PTK-ellenállások).

Előnyük, hogy rendkívül pontosak. A gyors hőváltozást is követni tudják.

Legalább három egymástól 20°C-kal eltérő olvadáspontú anyagokat helyeznek el a mérendő hőmérsékletű térben. A felfűtés mértékét abból lehet látni, ahogy a gúlák sorban összerogynak.

Főleg kerámiák kiégetésénél használják a kemence hőmérsékletének mérésére. Általában 1300 és 1500°C között használják.

Előnye, hogy a teljes átmelegedéséhez és a testben lejátszódó folyamatokhoz idő kell. Így a megolvadása, összeomlása a kiégetendő kerámia állapotára is utal.

Változtatják a színüket.

Egyes anyagok, 2–3°C hőmérséklet-változásra a teljes színskálán keresztül változtatják a színüket, másoknál ehhez 10–20°C hőmérséklet-változás kell.

A gyakorlaton használt higanyos hőmérővel való hőmérsékletméréskor hibát követhetünk el, ha: 1. a leolvasáskor a meniszkusz nincs szemmagasságban. Ezt nevezzük parallaxis hibának; → 2. a mérőeszköz nem merül be teljesen a mérendő térbe, mert akkor a hőmérő saját hőmérséklete nem egyezik a mérendő hőmérséklettel.

Hőmérsékleti skálák 1. Kelvin (K): 1967. óta az SI alapegysége. 1 K hőmérsékletkülönbség az abszolút nulla fok és a víz hármasponti hőmérséklete közötti rész 1/273,16 része. 2. Celsius fok (°C): az SI által elfogadott hőmérséklet egység. Hőmérsékletkülönbség esetén 1°C = 1 K, de a jég olvadáspontja, azaz 0°C = 273,15 K 3. Fahrenheit fok (°F): az SI által megtűrt hőmérsékleti egység. Angol nyelvterületeken használt. A jég olvadáspontja: 32°F, a víz forráspontja: 212°F 4. Réaumur fok (°R): az SI által megtűrt hőmérsékleti egység. Francia és olasz nyelvterületeken használt. A jég olvadáspontja: 0°R, a víz forráspontja: 80°R Átszámításuk hőmérsékletkülönbség esetén: 1 K = 1°C = 1,8°F = 0,8°R

12


II/14. évfolyam

Más esetben K K

°C °C+273,15

°C

K–273,15

°F

K·1,8−459,67

°C∙1,8+32

°R

K∙0,8–218,52

°C∙0,8

°F

°R

(°F+459,67)/1,8

(°R+218,52)/0,8

(°F–32)/1,8

°R/0,8 (°R/0,444 )+32

(°F–32)∙0,444

Sűrűség Sűrűségnek nevezzük az egységnyi térfogatban lévő anyag tömegét. SI mértékegysége a kg/m3, de használható többek között a g/cm3 = kg/dm3 = t/m3 is. A legnagyobb sűrűségű elem az irídium. Ha ebből készítenénk egy 35,3 mm élhossszúságú dobókockát (elég drága lenne), akkor az a mérlegen egyensúlyt tartana egy liter vízzel. Meg tudná állapítani a sűrűségét? Bármely normálállapotú gáz sűrűségét megkapjuk kg/m3-ben, ha az (átlagos) molekulatömegét megszorozzuk 0,0446-al. Meg tudná mondani, hogy miből származtatható ez a szám?

Sűrűségmérés 1. Tömegmérésen alapuló A mai napig a legpontosabb sűrűségmérésre alkalmas laboratóriumi eszköz a piknométer, amely nem más, mint egy hőmérővel és kapillárissal ellátott üvegedény. A kapillárison található bekarcolt jel teszi lehetővé, hogy mindig ugyanannyi folyadékot töltsünk bele. A folyadék tömegét és térfogatát is tömegméréssel állapítjuk meg, majd számítással kapjuk meg a sűrűséget. A többi sűrűségmérésre alkalmas eszközt is piknométerrel hitelesítik. 2. Felhajtóerőn alapuló a) Areométer: elterjedten használják, főleg alkohol tartalmú oldatok mérésére (fokoló). b) Mohr–Westphal-mérleg: relatív sűrűség megállapítására alkalmas, ma már csak kevés helyen használják. 3. Rezgőcsöves sűrűségmérők Az teszi lehetővé a mérést, hogy mágneses erőtérrel rezegtetett cső frekvenciája megváltozik, ha folyadékot juttatunk bele. A változás mértéke arányos a sűrűséggel. A műszert digitális kijelzővel látják el, amely a hőmérsékletet is mutatja. Előnye, hogy hordozható, gyors és az 1 kg/m3-es pontossága is elegendő, főleg üzemi körülmények között. A kézi készülék kezelése rendkívül egyszerű. A rezgőcsőbe a folyadék egy hengerben mozgó dugattyúval juttatható. A rugóval ellátott dugattyút a hüvelykujjunkkal mozgathatjuk. Lefelé nyomva eltávolítjuk a benne lévő folyadékot. Ha elengedjük, akkor a rugó segítségével visszatér eredeti állásába, és közben felszippantja azt a folyadékot, amelybe a készülékhez csatlakoztatott műanyag csövet mártjuk. A mérés végeztével mindig mossuk át többször is desztillált vízzel! Mérés előtt viszont a mérendő folyadékkal öblítsük mindaddig, amíg két egymás utáni mérés ugyanazt az eredményt nem mutatja! PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

13

Viszkozitás A gázok és folyadékok lamináris áramlásakor a közeg egyes rétegei különböző sebességgel mozognak. A különböző sebességű rétegeknek el kell csúszniuk egymáson. Ezzel a csúsztató erővel szembeni belső ellenállást nevezzük viszkozitásnak. Az ideális folyadékoknak és gázoknak a viszkozitása nulla. A kis viszkozitású folyadékok könnyebben folynak, mint a nagy viszkozitásúak. Például az olajat csak lassabban lehet kiönteni egy kannából, mint a benzint, vagy vizet. A nagy viszkozitású anyagokat szokás sűrűnek nevezni. Ez azért helytelen, mert az anyag viszkozitása és sűrűsége nem arányos egymással. A higanynak pl. nagy a sűrűsége, de aránylag hígan folyós, a ricinusolajnak a sűrűsége kisebb, mint a vízé, a viszkozitása pedig kb. az ezerszerese. A folyadékok viszkozitása a hőmérséklet emelésével csökken. Ez teszi lehetővé többek között azt, hogy a mézet bele tudjuk tölteni egy palackba, vagy, hogy bitumenből utat készíthessünk. Vannak esetek azonban, amikor a viszkozitás csökkenése a hőmérséklettel nem előnyös a számunkra. Ilyen pl. a kenőolaj, amelynek különböző mozgó alkatrészek kenését kellene biztosítania a súrlódás csökkentése érdekében. A kenőhatás viszont csak szűk viszkozitáshatárok között megfelelő, mert ha túl kicsi, akkor kifolyik, ha pedig túl nagy, akkor gátolja a mozgást (amit elő kellene segítenie). A kenőolajokra vezették be egyébként a kinematikai viszkozitás fogalmát. Ezt úgy kapjuk meg, hogy a dinamikai viszkozitást osztjuk az anyag sűrűségével: ν = η/ρ. A kenőolaj jellemzésére azonban még ez sem elegendő, ezért ma már megadják az úgynevezett viszkozitási indexet is, amely megmutatja, hogy milyen mértékben változik a viszkozitás a hőmérséklet függvényében. (Minél nagyobb szám a viszkozitási index, annál „stabilabb”, annál kisebb mértékben változik a viszkozitás a hőmérséklet változásával.)

A viszkozitás mértékegységei Dinamikai viszkozitás: η –– A dinamikai viszkozitás SI egysége: Pa∙s = kg/(m·s). Kinematikai viszkozitás: ν = η/ρ –– A kinematikai viszkozitás SI egysége: m2/s.

Viszkozitás mérése Sem a dinamikai, sem a kinematikai viszkozitást közvetlenül nem lehet mérni, bármilyen mérési elvet alkalmazunk. A mérőműszert minden esetben kalibrálni kell ismert viszkozitású folyadékra. Kétféle elvet alkalmaznak, vagy a folyadékot áramoltatják, vagy egy testet mozgatnak a folyadékban. 1. A folyadék áramoltatása történhet kapillárisban, vagy kifolyónyíláson keresztül. Az utóbbi (az Engler-féle viszkoziméter) a sok bizonytalansági tényező miatt kevésbé pontos, ezért már nem használják. A kapillárissal ellátott mérők viszont eléggé elterjedtek, többek között azért, mert használatuk egyszerű és gyors. Ilyen a mellékelt ábrán látható módosított Ostwald-féle (Oswald-Fenske) viszkoziméter. Használata a következő: –– A vastagabb üvegcső alsó részén lévő gömbbe 10 cm3 mérendő folyadékot töltünk. –– Az üvegeszközt állványon rögzítjük úgy, hogy a három gömbközépvonala függőlegesen egybeessen. 14


II/14. évfolyam

–– A vékonyabb szárra Griffin-labdát helyezve a folyadékot a kapillárison látható felső bekarcolt jel fölé szívjuk. (Itt azért van két kiöblösödő rész kiképezve, hogy ne lehessen hirtelen az összes folyadékot „kirántani”.) –– A labdát levéve mérjük azt az időt, amely alatt a folyadék felszíne a kapilláris két jele közötti utat megteszi. –– Az eredményt a következő összefüggéssel számoljuk: η = k∙ρ∙t, ahol „k” a műszerállandó, amelyet a hitelesítéskor megállapítanak, és adják a mérőeszközzel együtt, de mi is meghatározhatjuk ismert viszkozitású folyadékra. (Lássuk, milyen pontosan tud dolgozni! Megpróbálkozik vele?) „ρ” a folyadék sűrűsége, „t” pedig az általunk mért idő. Az időmérésnél úgy helyezkedjünk el, hogy a szemünk először a kapilláris felső jelével legyen egy magasságban. Akkor indítjuk a stoppert, amikor a folyadék felszíne éppen ehhez a jelhez érkezik. Ekkor helyzetet változtatunk, hogy az alsó jel kerüljön szemmagasságba. A folyadékfelszín megérkezésekor leállítjuk a stoppert (1. gyakorlat). 2. Höppler-féle viszkoziméter A viszkozitás mérése golyó alakú esősúllyal történik Stokestörvényét felhasználva. Az ejtőcső helyzete a függőlegestől 10 fokkal tér el. Ez lehetővé teszi, hogy átlátszatlan folyadékok esetében is nyomon tudjuk követni a golyó útját. A cső belső átmérője: 15,94 mm, így a keresztmetszete éppen 200 mm2 = 2 cm2. Az üvegcsövön két, egymástól 100 mm távolságban lévő bekarcolt jel látható. A golyó süllyedési idejét a két jel között mérjük. A cső egyébként egy hőmérővel ellátott üvegedénybe van helyezve, amelyben vizet lehet cirkuláltatni, az állandó hőmérséklet biztosítására. A készülékhez különböző méretű és anyagú golyók tartoznak. A méréshez olyan golyót válasszunk, amelynél a süllyedési idő 30 és 300 másodperc közé esik. Ez lehet, hogy elsőre nem sikerül. Ilyenkor új golyóval kell próbálkoznunk, ha túl gyorsan esett, akkor nagyobb, ha túl lassan, akkor kisebb golyóra lesz szükség. (Kisebb golyó azért képes nagyobb sebességre, mert távolabb kerül a cső falától.) A különböző átmérőjű golyók egy része más anyagból is készül, így sűrűségük is más. A viszkozitást Stokes egyenletéből ki lehet számolni: A sebesség helyére a mért szakasz hosszának, és az eltelt időnek a hányadosát írva az egyenletünk a következőképpen alakul át: Azonos golyó és készülék esetében a „g”, az „l”, a „d” állandónak számít. Egy konstansba összevonva (18-cal együtt) a számolás leegyszerűsödik: η =K∙(ρg–ρf )∙t. Ismert viszkozitású és sűrűségű folyadék esetében a „K” golyóállandó számítható!

A mérést a következőképpen végezzük:

–– –– –– –– –– –– ––

a készüléket a lábakon lévő csavarokkal vízszintes helyzetbe állítjuk; megtöltjük a mérendő folyadékkal, és a csőbe helyezzük a kiválasztott golyót; a golyót úgy tudjuk beazonosítani, hogy tolómérővel mérjük az átmérőjét; megindítjuk a víz cirkulációját; mérjük a hőmérsékletet; kicsavarjuk a rögzítő csavart; a készüléket a tengely körül elforgatva „fejjel lefele” állítjuk;

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

15

–– a golyó lesüllyedése után eredeti helyzetébe hozzuk, és mérjük a süllyedési időt a két jel között (itt már egyenletes a mozgás). A készülék működésének begyakorlására a 2. gyakorlatban lesz lehetőség. Ennek a gyakorlatnak az információs lapja a témakör végén található.

Felhajtóerő Az a statikus erő, amely egy folyadékba merülő testet felfelé igyekszik elmozdítani. Az eredő erő két törvényszerűség következménye: 1. A folyadék belsejében a nyomás a hely függvénye. Egy adott pontban (felületen) a felette lévő folyadékoszlop magasságától függ. 2. A vizsgált pontban a nyomás minden irányból ugyanakkora. A felhajtóerő mértékét egy a jól ismert törvény fogalmazza meg. Fel tudná idézni Arkhimédész törvényét? A felhajtóerő közvetlen megfigyelésére, és a vele kapcsolatos kísérletek végzésére a 2. gyakorlatban lesz lehetőség! (Az információs lapja a témakör végén található.)

Mintapélda 8 mm vastag acéllemezből felülről nyitott kocka alakú hajót készítünk. Az acél sűrűsége: 7800 kg/m3, a víz sűrűségét pedig 1000 kg/m3-nek vesszük. 1. Mekkora lenne az a legkisebb, kocka formájú hajó, amely éppen nem süllyedne el? 2. Milyen mélységben merül a vízbe, ha a térfogatát megduplázzuk? Megoldás: a test akkor kerül egyensúlyba, ha a rá ható súlyerő és felhajtóerő nagysága megegyezik: m∙g = V∙ρ∙g → m = V∙ρ 1. A hajó tömege megegyezik a felhasznált acéllemez tömegével. A felül nyitott „a” élhosszúságú kockát 5 db a × a élhosszúságú lemezből készíthetjük el. Térfogata tehát: 5∙0,008 m∙a2 5∙0,008 m∙a2∙7800 kg/m3 = a3∙1000 kg/m3 /:a2, a ≠ 0 A kocka éle: a = 0,312 m 2. a3 = 2∙0,3123 m3 → a = 0,393 m 5∙0,008 m∙(0,393 m)2∙7800 kg/m3 = (0,393 m)2∙h∙1000 kg/m3 A bemerülés mélysége tehát: h = 0,312 m, vagyis a 39,3 cm magas hajóból 31,2 cm merül el.

16


II/14. évfolyam

Házi feladat 1. 8 mm vastag acéllemezből felülről nyitott téglatest alakú hajót készítünk.

Az acél sűrűsége: 7800 kg/m3, a víz sűrűségét pedig 1000 kg/m3-nek vesszük. a) Mekkora lenne az a legkisebb hajó, amely éppen nem süllyedne el? .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. b) Milyen mélységben merül a vízbe, ha a térfogatát megduplázzuk? .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. 2. 8 mm vastag acéllemezből olyan hajót készítünk, amelynek hosszmetszete trapéz. Az acél sűrűsége: 7800 kg/m3, a víz sűrűségét pedig 1000 kg/m3-nek vesszük.

a) Mekkora lenne az a legkisebb hajó, amely éppen nem süllyedne el? .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. b) Milyen mélységben merül a vízbe, ha a térfogatát megduplázzuk? .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. ..............................................................................................................................................

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

17

Közegellenállás Amennyiben egy test és az őt körbevevő közeg (folyadék vagy gáz) egymáshoz képest mozog, akkor olyan erő keletkezik, amely ezt a mozgást lassítani igyekszik. Ezt az erőt nevezzük közegellenállásnak, amelynek mértéke függ: –– a közeg és a test egymáshoz viszonyított sebességének négyzetétől, –– a közeg sűrűségétől, –– a haladási irányra merőleges legnagyobb keresztmetszettől, –– a test alakjától. Fk = ½∙ρAcv2

A test alakját a „c” közegellenállási tényezővel veszik figyelembe. Ez egy arányszám, amelynek nincs mértékegysége. Az egységnek a sima kört vették alapul, aminek a közegellenállási tényezője c = 1. Fel tud sorolni olyan eseteket, amikor a közegellenállás hasznos, vagy hasznunkra tudjuk fordítani? A közegellenállás a súrlódás egy speciális esetének tekinthető, amikor a szilárd test az őt körüláramló folyadékkal vagy gázzal súrlódik. Ez azonban csak kis sebességeknél van így. Minél nagyobb a sebesség, annál inkább a test előtt és mögött kialakuló nyomáskülönbség a visszahúzó erő. Ez abból alakul ki, hogy ekkor már nincs körbe áramlás. A test előtt „torlódik” a közeg, mögötte pedig „szétnyílik”, így előtte növekszik a nyomás, mögötte pedig jelentősen csökken. A kialakuló nyomáskülönbséget úgy lehet csökkenteni, ha megfelelő forma kialakításával turbulenciát idézünk elő, amivel elő tudjuk segíteni, hogy a közegből minél több tudjon a test mögé is áramlani. Így fejlesztették ki az eredetileg sima gömb formájúból a mostani golflabdát, amely messzebbre repül, mint az eredeti. Közegellenállással kapcsolatos kísérleteket végezhet a 4. gyakorlatban. (Az információs lapja a témakör végén található.) A kísérletnél súlysorozatot használunk idomok mozgatására. A használt súlyoknak a tömegét ismerjük. A tömegből a húzóerőt az F = m ∙ a összefüggéssel határozhatjuk meg, vagyis a jelen esetben ez: F= m ∙ g (kg ∙ m/s2 = N)

18


II/14. évfolyam

Ülepítők vizsgálata Ülepítő típusok Az ülepítők átfolyásuk szerint csoportosítva lehetnek: 1. Vízszintes átfolyásúak

A műtárgy hosszában (hosszanti átfolyású) és sugár irányban (radiális átfolyású) haladhat a víz. Jellemzőik: a) Vízszintes hosszanti átfolyásúak A hosszanti átfolyású ülepítőket 150–2000 m3/d teljesítményűre méretezik. 5000 m3/d feletti vízhozamok esetén célszerűen alkalmazhatók a kis helyigényű tömbös elrendezés megvalósíthatósága miatt. Legelterjedtebb változata a lipcsei-típusú ülepítő. A medencék hatásfoka 80% körüli, ez a medencék között a legjobb. Alkalmazhatók –– önálló mechanikai tisztítóberendezésként; –– biológiai szennyvíztisztításkor elő-, közbenső- és utóülepítőként; –– csapadékvíz ülepítőként; –– ipari víz mechanikai előkezelésére. b) Vízszintes sugárirányú átfolyásúak: Dorr-típusú ülepítő: 300–400 m3/d vízhozamok felett alkalmazhatók célszerűen; elő-, közbensőés utóülepítőként egyaránt. Hatásfokuk 70% körüli. A 18–40 m átmérőjű medencék alkalmazása a leggyakoribb. Nagyobb átmérő esetén a szél zavaró hatása miatt nehézkes a felúszó anyagok eltávolítása. A kiülepedett iszapot terelőlapátokkal ellátott keverő karok lassú forgással juttatják a középen kimélyített zsompba. 2. Függőleges átfolyásúak Dortmundi- típusú ülepítő: kis és közepes szennyvíztisztító telepeken 2500 m3/d szennyvízhozamig utóülepítőként alkalmazhatók. Átmérőjük kisebb vagy legfeljebb 8 m és legfeljebb 4 db-ot kapcsolnak párhuzamosan. A szennyvíz adagolása a középen lévő merülő-csövön keresztül történik a medence alsó harmadába. A medence alakja Dorr-ülepítővel ellentétben (amely hengeres) erősen kúpos. Az iszap eltávolítása az ülepítő aljára levezetett csövön keresztül történik szivattyúval. Az ülepítőkkel kapcsolatban bővebb anyagot találhat a Kempelen Farkas Digitális Tankönyvtárban, a következő címen: www.tankonyvtar.hu/konyvek/kornyezettechnika

Ülepítők jellemzői, méretezése Hosszanti átfolyású ülepítőnél a hossza: L, a szélessége: B, és a mélysége: H. –– Jól működő ülepítő: ha a tartózkodási idő megegyezik az ülepedési idővel. A tartózkodási idő viszont az ülepítő hosszának és a víz sebességének a hányadosa. Tehát: tt = tü = L/vk PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

19

–– Keresztmetszeti felület számítása: A k = B⋅H = Q  /vk –– Vízszintes felület számítása: A = L∙B figyelembe véve, hogy Q = V/tt = L∙B∙H/tt, de tt = tü, így vü = H/tt, tehát Q = B∙L∙vü = A∙vü –– Felületi vízhozam terhelés: Lvh = vü = Q/A –– Mohlman-index: Mi = Vi/Xi, ahol „Vi” az 1 dm3 mintából 30 perc alatt kiülepedett iszap térfogata (Imhoff-index), „Xi” a kiülepedett iszap szárazanyag-tartalma. Az ülepítési próbát és a kiülepedett iszap térfogatát (Vi) a mellékelt ábrán látható, pontosan egy liter térfogatú Imhoff-kehelyben végzik. Ennek az edénynek nincs talpa, állványba kell helyezni. Gyakran leeresztő csappal is ellátják.

Foszfor eltávolítása szennyvizekből Ortofoszfát formájú foszfor eltávolítása A szennyvízben jelenlévő foszfor az élővizekbe kijutva eutrofizációt idéz elő. Ez indokolja, hogy a környezetvédelmi hatóság foszfor kibocsátási határértéket ír elő a kommunális szennyvíztisztító telepek számára. A tisztított szennyvíz összes foszfortartalma az előírások szerint általában 2 mg/l lehet. Az átlagos szennyvíz összes foszfor koncentrációja 6 és 20 mg/l között változik, a lakosság vízhasználati szokásaitól függően. (A legtöbb foszfát a mosószerekből kerül a szennyvízbe.) A hagyományos biológiai szennyvíztisztítás jól működő telepek esetében is csak a foszfor 20–30%-ának eltávolítására alkalmas. A maradék (nem is kevés) foszfor eltávolítása kémiai kicsapatással oldható meg. Az eljárás és a vele kapcsolatos vizsgálatok kipróbálására a 6. gyakorlatban lesz lehetősége, amelynek információs lapja a témakör végén található. A foszfor kicsapása fémsókkal valósítható meg. A szóba jöhető vegyületek a következők: –– háromértékű vas sók (klorid vagy szulfát), –– alumínium sók (klorid vagy szulfát), –– kalcium, vagy magnézium sók, illetve mésztej. A lejátszódó reakciók a következők: FeCl3 + Na3PO4 = FePO4 + 3 NaCl AlCl3 + Na3PO4 = AlPO4 + 3 NaCl 2 Na3PO4 + 3 CaCl2 = Ca3(PO4)2 + 6 NaCl 2 Na3PO4 + 3 MgCl2 = Mg3(PO4)2 + 6 NaCl

A kalcium és magnézium sók alkalmazása hátrányos, mert a leválás csak lúgos közegben (10–11 pH) lenne megfelelő mértékű. A vas és alumínium sók adagolása a fenti reakcióegyenletek szerint 1:1 arányú, ám ennél jóval több kell. Ennek egyik oka az, hogy ezek mellett még másmilyen összetételű csapadék is keletkezik: 3 Fe3+ + 2 PO43– + 3 H2O = (FeOH)3(PO4)2 + 3 H+ 3 Al3+ + 2 PO43– + 3 H2O = (AlOH)3(PO4)2 + 3 H+

Ezek szerint (a sztöchiometria törvényei szerint) egy mólnyi foszfáthoz másfél mólnyi vas, illetve alumínium sóra lenne szükség. A gyakorlati tapasztalatok szerint azonban még ennél is jóval több kell. Ennek oka az, hogy a vas (alumínium) sók nagy része hidroxid formájában válik le, ami ugyan javítja az ülepítés hatásfokát, de ugyanakkor növeli a vegyszerköltséget, és a keletkező iszap mennyiségét. A kivitelezés módja Az adagolás helye szerint megkülönböztetjük a következő technológiákat: 1. Előkicsapás: a vegyszerek bekeverése az előülepítő előtt történik. A vegyszerfelhasználás nemcsak a foszfor eltávolítására fordítódik, hanem sok szerves anyaggal is reakcióba lép. Kevesebb szennye20


II/14. évfolyam

zőanyag kerül a biológiai tisztítóba (eleveniszapos medence), aminek következtében nő a biológiai lebontás hatásfoka, viszont csökken a mikroorganizmusok tápanyagellátása, és a rendszer bizonytalanná válhat. Hátránya továbbá, hogy a keletkező iszap összmennyisége jelentősen megnő. 2. Szimultán kicsapás: a vegyszerek bekeverése a levegőztető medencében történik. Ebben az esetben az előkezelt vízből már sok minden eltávozott, ami reakcióba léphetne. A legtöbb esetben ezt alkalmazzák, mert nincs szükség további ülepítőkre, és a vegyszerfelhasználás is gazdaságosnak mondható. 3. Utókicsapás: a már tisztított szennyvízhez adagolják a vegyszert, így itt van szükség a legkevesebbre. Hátránya, hogy még egy utóülepítőre is szükség van. Mérlegelni kell, hogy még egy műtárgy beépítésének költségei mennyi idő alatt térülnek meg a vegyszerköltségek megtakarításaiból (ill. fedezik-e az amortizációs költségeket). Mindenképpen meg kell említeni, hogy léteznek már korszerű biológiai foszforeltávolítási módok is, amelyeket néhány települési szennyvíztisztítóban már alkalmaznak. Általában tudják tartani a kibocsátási határértéket, de főleg télen, amikor a mikroorganizmusok életfunkciói lelassulnak (a vizet melegíteni pedig túlságosan költséges lenne), szükség van kiegészítő vegyszeres kezelésre.

Foszfáttartalom mérése fotométerrel A vizsgálathoz az LF 2400 jelzésű fotométert és a hozzá tartozó reagenseket használjuk. A mérés rendkívül egyszerű és gyors. Terepen is jól használható. A készülék tárolja a méréshez szükséges adatokat. A mérni kívánt komponens kiválasztása után a készülék a megfelelő hullámhosszon fogja mérni a reagenssel kezelt minta abszorbanciáját. Az eredményt saját adatbázisával összehasonlítva a koncentrációt mg/lben írja ki. A foszfát koncentrációját háromféle méréstartományban mérhetjük: 0,1–2,0 mg/l, 0,2–10 mg/l, valamint 3–120 mg/l. A méréseket a következő módon lehet elvégezni: Foszfát (B) koncentráció meghatározása. Méréshatár: 3–120 mg/l. 1. Töltsön két küvettába 5–5 ml vízmintát! 2. Öntsön 1,2 ml-t az 1-es reagensből az egyik küvettába, zárja le és rázza össze! 3. Nyomja meg az ON/OFF gombot a fotométer bekapcsolásához! 4. A nyilak segítségével válassza ki a foszfát B-t! 5. Helyezze be a reagens nélküli vízmintát (vakoldat) a berendezésbe, fedje le fényvédő kupakkal! 6. Nyomja meg a 0,000 gombot, amíg az OK felirat meg nem jelenik a kijelzőn! 7. Cserélje ki a két küvettát a készülékben, és fedje le fényvédő kupakkal! 8. Nyomja meg a mg/l gombot! Az eredmény a kijelzőről leolvasható. Foszfát (C) koncentráció meghatározása. Méréshatár: 0,2-10 mg/l. 1. Töltsön két küvettába 5–5 ml vízmintát! 2. A pH-t 6 és 8 közé kell beállítani (sósav, vagy nátrium-hidroxid felhasználásával)! 3. Adjon 10 cseppet az 1-es reagensből az egyik küvettába, zárja le és rázza össze! 4. Nyissa ki a küvettát, adjon hozzá 2 cseppet a 2-es reagensből, zárja le és rázza össze! 5. Nyissa ki a küvettát, adjon hozzá egy spatulahegynyit a 3-as reagensből, zárja le és rázza össze, majd várjon 15 percet! 6. Nyomja meg az ON/OFF gombot a fotométer bekapcsolásához! 7. A nyilak segítségével válassza ki a foszfát C-t! 8. Helyezzen be a reagens nélküli vízmintát (vakoldat) a berendezésbe, feje le fényvédő kupakkal! 8. Nyomja meg a 0,000 gombot, amíg az OK felirat meg nem jelenik a kijelzőn! 9. Cserélje ki a két küvettát a készülékben, és fedje le fényvédő kupakkal! 10. Nyomja meg a mg/l gombot! Az eredmény a kijelzőről leolvasható. PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

21

a témakörrel kapcsolatos fogalmak és kifejezések Diszpergálás

Aprítás. Nagyon finomra aprított szilárd anyagok eloszlatása folyadékban, vagy nagyon apró folyadékcseppek eloszlatása. Gázok esetében minél kisebb buborékok képzése.

Diszperz rendszer

Olyan heterogén rendszer, amelynél az egyik fázis egyenletesen van eloszlatva egy másik fázisban. Ilyenek az aeroszolok, (füst, köd), emulziók, szuszpenziók, szolok, gélek, habok. Ez utóbbiak egy speciális esete az aerogélnek elnevezett anyagszerkezet. Ezek a legkisebb sűrűségű szilárd anyagok, elvileg úgy tekinthetők, hogy olyan gélek, amelyekben a vizet gáz helyettesíti. Állítottak elő már 3 kg/m3 is kisebb sűrűségű anyagot is.

Emulzió

Folyadékban olyan másik folyadék van nagyon finom cseppekben eloszlatva, amely egyébként nem elegyedne vele. Az emulziók általában nem stabilak, idővel két elkülönülő folyadék fázisra esnek szét. (Ez meggátolható felületaktív anyagok bekeverésével.)

Eutrofizáció

A növényzet élővizekben tapasztalható túlburjánzása. Okozója a vízbe kerülő növényi tápanyagok mennyiségének növekedése.

Fajhő

Az a hőmennyiség, amely valamely anyag hőmérsékletét 1 C-kal emeli.

Griffin-labda

Gumiból készült szelepekkel ellátott labda, amely a pipetta felszívására fejlesztettek ki.

Fázisok

Az egymástól határfelülettel elválasztott, eltérő fizikai tulajdonsággal rendelkező részei valamely összetett anyagi rendszernek

Heterogén

Másfajta, különböző, egymáshoz nem illő

Homogén

Egynemű, azonos elemekből álló. Olyan egynemű anyag, amelyben nincsenek külön fázisok.

Konstantán

Általában 60% rézből és 40% nikkelből készült ötvözet. (Lehet 55% réz + 45% nikkel, vagy 58% réz + 41% nikkel + 1% mangán.)

Meniszkusz

A folyadék felszíne. Alakja felülről nézve nedvesítő folyadék esetében homorú, nem nedvesítőnél pedig domború.

Normálállapot

Amikor a gáz hőmérséklete 0°C (273,15 K), nyomása pedig éppen 1 atmoszféra, vagyis 101325 Pa.

Súlyozott átlag

Az egyes komponensek a mennyiségük arányával vesznek részt az átlagban.

Szuszpenzió

Szilárd anyag részecskéi vannak eloszlatva úgy, hogy nem oldódnak benne.

22


II/14. évfolyam

Gyakorlatok 1. gyakorlat

Gyakorló feladat Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat:

Koncentráció meghatározása Ostwald–Fenske-viszkoziméterrel Ennél a feladatnál az Ostwald–Fenske-viszkoziméter használatakor alkalmazott fogásokat, és a vele kapcsolatos egyéb méréseket (tömeg, térfogat, hőmérséklet, sűrűség) kell elsajátítania, begyakorolnia. A méréssel nyert adatokból számítással kapja meg a viszkozitást, melynek mértékét kinematikus és dinamikus viszkozitásként is meg kell adnia, így a számítások begyakorlására is lehetősége nyílik. A különböző koncentrációjú oldatok viszkozitását diagramon kell ábrázolnia. Egy ismeretlen koncentrációjú oldat viszkozitásának megmérése után, annak koncentrációját kell a diagram alapján megállapítania.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 60 perc A feladat elvégzéséhez szükséges anyagok: ioncserélt víz, glicerin Szükséges eszközök: viszkoziméter, állvány, fogó, 100 cm3-es mérőlombik (5 db), osztott pipetta, 10 és 20 cm3-es pipetta, táramérleg, hőmérő, rezgőcsöves sűrűségmérő, stopper

A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt 1. Mérés előkészítése, oldatkészítés: –– Táramérlegen kimér glicerinből 40,0 grammot, ioncserélt vízben feloldja, és 100 cm3-es mérőlombikban a jelig tölti ioncserélt vízzel! –– Oldatsorozatot készít úgy, hogy a törzsoldatból kimér 5, 15, 25 és 35 cm3-t, és szintén jelig tölti ioncserélt vízzel 100 cm3-es mérőlombikban! 2. Mérések elvégzése: a négy elkészített oldatnak, a törzsoldatnak és a gyakorlatvezetőtől kapott ismeretlen koncentrációjú oldatnak a következő paramétereit kell megmérni: hőmérséklet, sűrűség, viszkozitás (átfolyási idő). Vigyázat! Minden új vizsgálandó anyag mérése előtt, azzal kétszer-háromszor át kell öblíteni! 3. Számítások elvégzése: valamennyi oldatnak a dinamikus és kinematikus viszkozitását is ki kell számítania. 4. Diagram készítése, az eredmény leolvasása a diagramról Dokumentálás szempontjai: –– A mérés elvének és menetének leírása (tanulói jegyzet: Viszkozitás mérése fejezet) –– Számítások elvégzése, táblázatban való megadása: 1. oldat

2. oldat

3. oldat

4. oldat

Törzsoldat

Ismeretlen

Hőmérséklet Sűrűség Koncentráció (w%) Mért idő (s) Kinematikus viszkozitás (m 2/s) Dinamikus viszkozitás (Pa∙s)

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

23

–– Diagram

–– Következtetés: –– Eredmény (ismeretlen koncentráció): Értékelés szempontjai: –– eredmény pontossága; –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások, átváltások pontossága; –– a munka kivitelezése.

24


II/14. évfolyam

2. gyakorlat


Mérés dátuma: .......................................

Feladat:

Viszkozitás mérése Höppler-féle viszkoziméterrel Ismerje meg és gyakorolja a készülék kezelését! A golyóállandó megállapítása lehetővé teszi, hogy a későbbiekben, amikor gyors mérésre lesz szüksége, akkor a már ismert golyóval azt megtehesse. Különböző hőmérsékleten is kell viszkozitást mérnie, ami lehetővé teszi, hogy a hőmérsékletfüggés felismerését hasznosítani tudja üzemi körülmények között, pl. az ülepítő, vagy szűrő üzemeltetésénél. A számítások további gyakorlásával pedig már jártasságot szerezhet a dinamikus és kinematikus viszkozitás, valamint azok mértékegységei közötti átszámításokban.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 60 perc A feladat elvégzéséhez szükséges anyagok: ioncserélt víz, glicerin, étolaj Szükséges eszközök: viszkoziméter, rezgőcsöves sűrűségmérő, stopper A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt 1. Az 1. golyó állandójának meghatározása desztillált vízzel: –– az ejtőcsövet feltölti desztillált vízzel, és behelyezi a golyót; –– lezárja a cső végét; –– a köpenyt feltölti csapvízzel; –– megvárja, amíg állandósul a hőmérséklet; –– indítja a golyót, és méri a süllyedés idejét a két jel között. 2. Csapvíz viszkozitásának mérése 15, 20, 25 °C-on: –– a mérést az előző feladathoz hasonlóan kell végezni, csak két mérés között be kell kapcsolni a fűtést; –– a hőmérséklet beállásakor az ejtőcsőben meg kell mérni a sűrűséget. 3. Golyóállandó meghatározása az Ostwald-viszkoziméterrel már meghatározott viszkozitású glicerines oldattal: –– A meghatározáshoz az 1. gyakorlat törzsoldatát használja! –– Olyan golyót válasszon, amelynek süllyedési ideje 20–30 másodperc körüli! –– A hőmérséklet állandósulása után méri a sűrűséget, majd háromszor elvégzi az ejtési próbát. Ez nem nagy időveszteség, mert egy átfordítással újra tudja indítani a golyót. 4. Étolaj viszkozitásának mérése: –– A glicerines oldattal meghatározott golyóállandójú golyót használja! –– Ugyanolyan hőmérsékletet állítson be, mint a golyóállandó meghatározásakor, ekkor méri a sűrűséget, és a viszkozitást! Dokumentálás szempontjai: –– A mérés elvének és menetének leírása (tanulói jegyzet: Viszkozitás mérése fejezet) –– Számítások elvégzése, táblázatban való megadása: Desztillált víz

Víz (I.)

Víz (II.)

Víz (III.)

Glicerines oldat

Étolaj

Hőmérséklet Golyó Golyó sűrüsége Süllyedési idő Golyóállandó Sűrűség Dinamikus viszkozitás Kinematikus viszkozitás

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

25

Értékelés szempontjai: –– eredmény pontossága; –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások, átváltások pontossága; –– a munka kivitelezése.

26


II/14. évfolyam

3. gyakorlat


Mérés dátuma: .......................................

Feladat

Ülepedési sebesség, felhajtóerő, térfogat meghatározása A későbbi ülepítési és felúsztatási komplex feladatok elvégzésénél szükséges, gyors és helyes döntések meghozatalához előzetes gyakorlásra van szükség. Fontos a felúszás és az ülepedés megfigyelése. Tapasztalatszerzés és a számítások gyakorlása a felhajtóerővel kapcsolatban.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc A feladat elvégzéséhez szükséges anyagok: víz, homok. Szükséges eszközök: úsztató kád, hőmérő, sűrűségmérő, stopper, rezsó, különböző méretű, jól záródó edénykék, táramérleg, mérőszalag A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt 1. Felhajtóerő vizsgálata: –– Különböző alakú és méretű testeket homokkal tölt meg kis mennyiséggel kezdve, majd azt fokozatosan növelve. Méri az együttes tömegüket. Megfigyeli a vízzel telt kádban a test viselkedését, hogy felúszik, vagy elsüllyed. –– Addig adagolja a homokot, amíg a tárgy éppen elmerül. –– Méri a sűrűséget. –– A felhajtóerőből számítja a test térfogatát. 2. Ülepedési sebesség meghatározása: –– Növelje a homok mennyiségét, mérje a tárgy süllyedési idejét a vízfelszíntől a kád aljáig! A homok mennyiségét úgy válassza meg, hogy a lesüllyedés ideje ne legyen 20 másodpercnél rövidebb! –– A süllyedés utolsó 20 cm-es szakaszán társai segítségével külön is mérjék az időt! A mért adatok ismeretében kiszámítják a gyorsuló és az egyenletes mozgási szakasz hosszát. –– Megmérik a víz hőmérsékletét, sűrűségét. –– Számítják a test ekvivalens átmérőjét (vagyis, hogy milyen átmérőjű golyó ülepedési sebességének felel meg a mért és számított sebesség)! 3. Ülepedési sebesség meghatározása különböző hőmérsékleteken: –– 2–3°C-kal emeljük a víz hőmérsékletét, és a mérést megismételjük. –– A kád vizének melegítését praktikusan és időtakarékosan úgy érdemes elvégezni, hogy amíg mérünk, ez alatt az idő alatt kétliternyi vizet rezsón forráspontig melegítünk. A mérések végeztével ennyi vizet kiveszünk a kádból, és „helyére” a forró vizet öntjük. Felteszünk újabb két liter vizet melegedni, és csak akkor kezdjük az újabb méréseket (hőmérséklet, sűrűség, ülepedési idők). –– A melegítést és sebességmérést még kétszer megismételik. 4. Felúsztatási kísérlet: amennyiben érdekesnek tartja a kísérletet, vagy a következtések levonása előtt alaposabban szeretné körbejárni a témát, akkor a méréseket elvégezheti felúszó tárgyakkal is. Nyilván ebben az esetben az egyensúlyi helyzetnél kevesebb homokot kell tartalmaznia az edénykéknek, de csak annyival kevesebbet, hogy a felúszás sebessége ne legyen túl nagy (mérhető legyen). 5. Az eredményeket grafikonon ábrázolja

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

27

Dokumentálás szempontjai: –– Tapasztalatok leírása –– Számítások Edény (I.)

Edény (II.)

Ülepedés (1.)

Ülepedés (2.)

Ülepedés (3.)

Ülepedés (4.)

Hőmérséklet Sűrűség Tömeg Térfogat Ülepedési idő (teljes) Ülepedési idő (20 cm) Ülepedési sebesség Viszkozitás (Höpplerféle mérésből) Ekvivalens átmérő –– Diagram

Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások, átváltások pontossága; –– a munka kivitelezése.

28


II/14. évfolyam

4. gyakorlat


Mérés dátuma: .......................................

Feladat

Közegellenállás mérése Egy állandósult sebesség fenntartásához szükséges erő mérésével játékos formában szerezzen tapasztalatokat a közegellenállással kapcsolatban. Lehetőség adódik ötletekre, kreatív munkára. A különböző húzóerőnél beálló egyenletes sebesség, valamint az egyenletes és változó sebességű szakaszok kiszámolásával fejlessze számolási készségét! A diagramkészítés további gyakorlásával eléri azok rutinszerű alkalmazását.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt 1. Sebességmérés különböző húzóerők esetében: pármunkában dolgoznak –– Különböző formájú testekbe annyi homokot tesznek, hogy a test fele merüljön a vízbe. A tömegét meg kell mérni és fel kell jegyezni –– A testre damilt erősítenek, a damil másik végére pedig súlyt (5, 10, 20, 50 g). –– Mérik a sűrűséget, majd azt az időt, amely alatt a test végighalad a kád teljes hosszán. –– Homokkal egyensúlyi helyzetet hoznak létre (a test lebeg) és a méréseket megismétlik. A vizet melegítjük 2 × 5°C-kal, és a méréseket megismételjük. Számítások: –– Számítják a sebességet, és diagramon ábrázolják a sebességet a húzóerő függvényében. –– A haladás irányára merőleges keresztmetszetet körlapnak tekintve (c = 1) számítják a felület nagyságát. Összehasonlítják a valóságossal. Értékeljék az eredményt! –– A legkisebb húzóerőből és sebességből számított felület (A) nagyságát alapul véve a nagyobb sebességeknél számítson közegellenállási tényezőt. Ezek összehasonlítása után vonjon le következtetéseket. Tervezzen magának egy kísérletet, és végezze el!

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

29

Dokumentálás szempontjai: –– Tapasztalatok leírása –– Számítások: a táblázatba beírandó adatok: t = az egyenletes sebességű szakasz (1 m) végighaladás ideje, v = az ebből számolható sebesség, s = gyorsuló szakasz. Első test T1

Második test

T2

T3

T1

T2

T3

Hőmérséklet Sűrűség

Lebegő test

Félig merülő test

t

v

s

t

v

s

t

v

s

t

v

s

t

v

s

t

v

S

1g 2g 3g 5g 1g 2g 3g 5g

–– Diagram: mindhárom hőmérséklethez tartozó adatokat egy diagramon, de különböző színnel ábrázolja!

Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások, átváltások pontossága; –– a munka kivitelezése; –– önálló kísérlet.

30


II/14. évfolyam

5. gyakorlat

Ülepítési próba lipcsei típusú ülepítővel Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat Ön egy szennyvíztisztítóban dolgozik, és időszakosan ellenőriznie kell az előülepítőről lejövő víz maradék lebegőanyag tartalmát. Az eredményektől függően változtatni kell a beállításokon, esetleg (túl nagy vízhozam, vagy szilárd anyag tartalom esetén) egy tartalék medencét is üzembe kell helyeznie. Tapasztalja ki, hogy a vízhozam változása milyen hatással van a távozó szilárd anyag mennyiségére! Tegyen próbát az áramlási viszonyok változtatásával, vagy flokkulálószer adagolásával a hatékonyság növelésére!

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt. 1. A vizsgálat előkészítése: –– Krétaporból 10 liter 1%-os szuszpenzió készítése keverő segítségével. A keverőt a gyakorlat teljes időtartama alatt működtetni kell! Erre azért van szükség, mert ha a keverés leáll, akkor az ülepedés már a keverőedényben megkezdődik, és ez meghamisítaná az eredményeket. –– Szivattyú csatlakoztatása a keverővel ellátott edényhez (vödör) és az ülepítőhöz. –– A szivattyú indítása. –– Az ülepítő feltöltése után a szivattyút első lépésben úgy állítja be, hogy 10 másodperces szünetekkel 5 másodpercet üzemeljen. 2. A mérés menete: –– A rendszer állandósulása után 300 cm3 mintát vesz. –– A szivattyút új beállítással üzemelteti tovább: 5 másodperces szünetekkel működjön 5 másodpercig. –– A szivattyú második beállítása és a rendszer állandósulása után ismét mintát kell venni. –– Harmadik beállítás: 5 másodperces szünetekkel 10 másodperces üzemeltetés, majd mintavétel –– Negyedik beállítás: a szivattyú folyamatosan üzemel. 3. A minta feldolgozása: lemért szűrőpapíron keresztül szűri a 300 cm3 mintát. A szűrőpapírt tömegállandóságig kell szárítani, majd ismét mérni. A tömegkülönbségből számítható az elválasztás hatásfoka (az eredeti koncentráció ismert!). Kísérlet a hatásfok növelésére: –– Önállóan, ötletszerűen próbálja úgy elhelyezni a lemezeket, hogy az ülepedés láthatóan hatékonyabb legyen! –– Adjon 2 liternyi szuszpenzióhoz 5–10 cm3 0,5%-os vas-klorid oldatot! Figyelje meg a változást! Számítások: –– A megszárított szűrőporon lévő krétapor mennyiségét át kell számítani 10 literre (300 cm3 -ről). –– Az eredményt a bemért összes krétapor %-ában adja meg! Dokumentálás szempontjai: –– tapasztalatok leírása, –– számítások, –– rajz a terelőlemezek elhelyezéséről, –– eredmények értékelése. Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások pontossága; –– a munka kivitelezése, együttműködés a társakkal; –– önálló kísérlet elvégzése, ötletessége; –– következtetések.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

31

6. gyakorlat

Foszforeltávolítás Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Ön egy szennyvíztisztítóban dolgozik, ahol ellenőriznie kell, hogy az élővízbe bocsátott tisztított szennyvíz foszfortartalma kibocsátási határérték alatt marad-e. Ehhez vizsgálatokat kell elvégeznie. Amennyiben azt tapasztalja, hogy a maradék foszfor mennyisége túllépi a 2 mg/l-es határértéket, akkor javaslatot kell tennie a technológia megváltoztatására!

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt. Szükséges anyagok és R-, S-mondatai Anyagok

R

S

FeCl3

20/21/22 34

1/2, 24/25, 27

Bőrön és a szemben égető érzést, kipirosodást okoz. Bő vízzel le kell mosni. Vizes oldata közepesen erős sav. Fémeket megtámadja, hidrogén gáz keletkezhet.

Na3PO4

36/37/38

25

Maró hatású a szemre, a bőrre és a légzőrendszerre. Lenyelve maró hatású. A por belégzése tüdővizenyőt okozhat

Ioncserélt víz Szükséges eszközök: keverő, táramérleg, szivattyú, dortmundi ülepítő makett, LF 2400 fotométer 1. Előkészítő műveletek: –– Felold 0,4 g trisót (vagy 1 g kristályos trinátrium-foszfátot) kb. 5 liter vízben. –– A vízből mintát vesz és gyorsteszttel méri a foszfát koncentrációt (foszfát B). –– Keverővel ellátott edényben hozzáad 0,5 g vas(III)-klorid desztillált vizes oldatát. Lassan keverteti (10/min fordulat). –– Csatlakoztatja a szivattyút, és a zagyot a dortmundi típusú ülepítőre juttatja. A szivattyú a feltöltődésig folyamatosan üzemeljen. 2. Vizsgálatok elvégzése, a leválasztás hatásfokának növelése: –– Az átfolyás állandósulása után mintát vesz és gyorsteszttel méri a foszfát koncentrációt (foszfát C). –– Az eredménytől függően kell további vegyszert adagolni, és/vagy állítani a szivattyú beállításán. –– Újabb mintát vesz és méri a foszfát koncentrációt (foszfát C). 3. Az eredmény értékelése: –– Ügyeljen a vegyszerfelhasználásra! Úgy tervezze az adagolást, hogy a maradékfoszfát-tartalom 2 mg/l alatt legyen, de ne használon fel fölösleges mennyiséget! –– Amennyiben sikerül a foszforkoncentrációt 2 mg/l alá vinni, akkor elvégezhet egy pontosabb mérést is. A „foszfát A” 0,1 mg/l és 2 mg/l közötti tartományban mér. Ekkor 12 csepp szükséges az 1-es reagensből, 2 csepp a 2-es reagensből és 5 perc várakozási idő. Számítások: az elméletileg szükséges vas(III)-klorid mennyiségének kiszámítása. A gyakorlatban az így kiszámolt mennyiség 1,5–2-szerese kell! Dokumentálás szempontjai: A lecsapáskor lejátszódó reakció: FeCl3 + Na3PO4 = Moláris tömegek: M(FeCl3) = M (Na3PO4) = Szükséges mennyiség kiszámítása reakcióegyenlet alapján. Adagolt mennyiségek: Mért foszfát koncentrációk: Szivattyú beállítások:

32


II/14. évfolyam

Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások pontossága; –– a munka kivitelezése, együttműködés a társakkal; –– önálló kísérlet elvégzése, ötletessége; –– következtetések.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

33

ivóvíztisztítás Ebben a tananyagrészben, a gyakorlatban is kipróbálják (és kiegészítik) mindazokat az ismereteket, amelyeket: –– az ivóvíz tulajdonságaival, –– minőségi követelményeivel, –– szennyezőanyagaival, –– a megtisztítás módjaival, –– és berendezéseivel kapcsolatosan már elsajátítottak. A gyakorlati feladatok teljesítésének célja, hogy különböző mérési módszerek használatával, az üzemi körülmények között is alkalmazott mérési elveket megismerje, a méréseket begyakorolja. Mindezek következményeként, valamint a tapasztalatok elemzésével egy új, szerteágazóbb, de ugyanakkor rendezettebb tudást fog birtokolni. Ez lehetővé teszi majd, hogy későbbi munkája során az ivóvíztisztításnál lejátszódó folyamatokat, azok eredményét ellenőrizni tudja, döntéseket tudjon hozni. A témakör feldolgozásához négy gyakorlat elvégzése szükséges. Ezek: 1. vízhozam mérése; 2. gázok, eltávolítási lehetőségeinek megismerése, kipróbálása; 3. lebegő és oldott szilárd anyagok eltávolítása (derítés); 4. vas- és mangántalanítás, a szemcsés szűrő működésének megfigyelése, a sebességre ható tényezők változtatásából eredő következmények értékelése.

Vízhozam mérése Vízhozam az egy adott keresztmetszeten (a vizsgált keresztszelvényen) egységnyi idő alatt átáramló víz mennyisége. (Q = v∙A) Mértékegységei: l/sec, l/min, m3/sec, m3/min. A szabadfelszínű vízmozgások vízhozam mérésére nagyon sokféle módszert dolgoztak már ki, amelyek közül néhánynál közvetlenül leolvasható az eredmény, a többinél számítással kapjuk meg. Munkánk során egymástól nagyságrendekkel eltérő mennyiségek mérését is meg kell oldani. Kis erek és patakok vízhozama gyakran nem éri el percenként a 10 litert sem. Ehhez képest a Duna kis víznél 500 m3/sec, közép víznél 2500 m3/sec, nagy víz esetén pedig 6000–8000 m3/sec is lehet. A Duna biztosítja egyébként Budapest vízellátását: átlagosan napi 500 000 m3-t. A víz kinyerése a parti szűrt vízbe telepített csápos kutakkal történik, amelyek végig sorakoznak a Szentendrei-szigeten, a Margit-szigeten, a Csepel-szigeten, valamint a Duna bal és jobb partján. Összességükben napi 1 200 000 m3 víz kinyerésére képesek! Kis vízhozamok mérésére alkalmas a köbözés, a „danaidás” mérőedény, valamint a mobil mérőbukók. Ezeknél a mérési módoknál nem szükséges az áramlási keresztmetszet ismerete, mérése. Köbözésnél térfogatot és időt is kell mérnünk, a többinél elegendő a kialakuló vízoszlop magasságát meghatározni. Nagyobb vízhozamok esetében a közvetlen mérésre alkalmas, helyhez kötött mérőbukók és mérőcsatornák kiépítése jelentheti a megoldást. Nagy turbulencia esetében jó eredmények érhetők el hígulásos 34


II/14. évfolyam

vízhozam-méréssel. Ilyenkor ismert koncentrációjú oldatot (pl. só) vezetnek be egyenletes sebességgel a vízfolyásba. Összekeveredés után mintát véve, a koncentráció-csökkenésből (hígulásból) számítható a vízhozam: q∙c1 = Q∙c2 Bő vizű folyók vízhozamát csak számítani tudjuk. Ilyen esetekben szükség van a meder feltérképezésére, a keresztszelvény területének minél pontosabb meghatározására. Ez nagyon sok mérést igényel. Sok mérést kell elvégezni továbbá a vízhozam kiszámításához szükséges középsebesség megállapításához is, mert a sebesség eloszlását a keresztszelvény teljes területén ismernünk kell. Ehhez a sebességmérést többféle mélységben is meg kell valósítani. A továbbiakban a gyakorlat során csak a danaidás méréssel és a köbözéssel foglalkozunk. (1. gyakorlat). Köbözéssel fogjuk a danaida kalibrálását elvégezni. Mielőtt azonban a gyakorlathoz hozzáfogunk, rögzítsük az alábbi fogalmakat! Danaidás vízhozammérés A danaida egy olyan edény, amelynek alján kifolyónyílás található. Amennyiben ebbe az edénybe vizet vezetünk, akkor az részben, vagy teljes egészében kifolyik. Ha kevesebb folyik ki, mint amennyi beleömlik, akkor a vízszint emelkedni kezd. Az emelkedő vízszint emelkedő nyomást idéz elő, aminek következtében az alul távozó vízsugár sebessége nőni fog. A vízszint addig emelkedik, amíg a rendszer egyensúlyba nem kerül. Az állandósult vízszint azt jelenti, hogy ugyanannyi folyik ki, mint amennyi beleömlik, tehát ebből következtetni lehet a vízhozamra. Kalibrálás Azoknak a műveleteknek az összessége, amelyekkel (meghatározott feltételek mellett) megállapítható az összefüggés a mérőeszköz vagy a mérőrendszer által mutatott értékek, és a mérendő mennyiségek valós értékei között. Köbözés A kifolyt vizet egy edényben fogjuk fel, miközben stopperrel mérjük a kifolyás idejét. A térfogat pontos lemérése után az eltelt idő ismeretében a vízhozam számolható: Q = V/t Feladatok Házi feladat A legnagyobb vízmennyiség (tudomásunk szerint) 1501-ben zúdult le a Dunán. Ekkor a vízhozama meghaladta a 14 000 m3/s-t. Gondoljunk bele (számítsuk ki), hogy mennyivel emelné meg ez a vízmennyiség az 592 km2 területű Balaton vízszintjét, ha 5 napon keresztül a tóba terelnénk (és területe változatlan maradna)!

Mintapélda a kalibráláshoz 1. Vízhozam kiszámítása: a danaidából 30 másodperc alatt kifolyó vízmennyiség 700 cm3. A vízhozam tehát Q = 700 cm3/30 s = 1400 cm3/min = 1,4 l/min 2. A mérőedény állandójának kiszámítása: A d = 4 mm fenéknyílású danaidából kifolyó víz mennyisége h = 200 mm-es vízoszlop magasságnál, megállapításunk szerint 1,4 l/min. A Q = μ∙A∙√(2g∙h) összefüggésből kell tehát a μ értékét meghatároznunk. PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

35

Adataink: –– Q = 1,44 l/min = 0,024 dm3/s = 2,4∙10-5 m3/s –– A = d2∙π/4 = (0, 004 m)2∙π/4 = 1,257∙10-5 m2 •• h = 200 mm = 0,2 m → 2∙g∙h = 3,924 m2 /s2 –– √3,924 m2/s2 = 1,98 m/s –– 1,98 m/s∙1,257∙10-5 m2 = 2,49∙10-5 m3/s –– µ = 2,4∙10-5 m3/s /(2,49∙10-5 m3/s) = 0,96

Gázok kihajtása A nyers víz (amiből az ivóvizet állítjuk elő) attól függően, hogy honnan származik különböző gázokat tartalmazhat. Ezek a gázok veszélyt jelenthetnek vagy az emberre, vagy a vízellátó rendszer berendezéseire. Nézzük meg, hogyan kerülnek a vízbe, és milyen káros hatásuk lehet!

Gázok a vízben 1. Metán (CH4): színtelen, szagtalan gáz. Vízhez nincs affinitása, de ahol a föld alatt nagy nyomást fejt ki, ott a Henry-törvényből következő mértékben elnyelődik a vízben. Gázmező közeléből kinyert mélységi vizekben ezért nagy mennyiségben jelen lehet. Márpedig jó néhány termálvizet kitermelő kút eredetileg földgáz kitermelését készítette elő. Fő veszélye az, hogy a nyomás megszűntével, ill. csökkenésével eltávozik, és a víz feletti térben gyűlik össze. Amennyiben ez zárt tér (pl. hidroglóbusz, zárt gépház, kútakna), akkor könnyen robbanást idézhet elő. (A levegő-metán gázelegyet nevezik a bányákban sújtólégnek.) A rendszerbe kerülő víz 0,032 mol/m3-nél nagyobb mennyiségű metánt nem tartalmazhat! 2. Szabad CO2: a mélységi és a karsztvizek mindig tartalmaznak valamennyi szén-dioxidot, mert az a kőzetekből kioldódott hidrogén-karbonátokkal egyensúlyi rendszert alkot. Az egyensúly fenntartásához szükséges mennyiségen felüli részt nevezzük szabad, vagy agresszív széndioxidnak. Azért nevezik agresszívnak, mert a fémeket (vízvezetékek falát) megtámadja, azok korrózióját okozza. A régebben használatos ólomcsövek faláról leoldja az egyébként oldhatatlan ólom-karbonátot, és ezzel ólommérgezést okoz(hat). 3. Kén-hidrogént (H2S) tartalmazhatnak a mélységi vizek, hévizek. Felszíni vizekben akkor jelenik meg, ha abban anaerob körülmények között végbemenő biológiai folyamatok játszódnak le (fehérjék bomlása), vagy ipari szennyvíz kerül bele. Hasonlóan a metánhoz fokozottan tűz- és robbanásveszélyes, de a vízből kilépő kén-hidrogén ezt a koncentrációt általában nem éri el. Fejfájást, szédülést, köhögést, hányingert, nehézlégzést okozhat. Egyes termálvizekből nem távolítják el, hanem gyógyvízként hasznosítják. (Ilyen vízben fürödve az ezüst ékszer megfeketedik.) 4. Ammónia (NH3). Vízben jól oldódik és részben, vagy egészében ammóniumionná alakul. Az ammóniumion/ammónia arány a pH függvénye. Minél lúgosabb az oldat, annál több szabad ammónia van jelen, viszont pH6 alatt gyakorlatilag megszűnik. Felszíni és talajvizekben egyértelműen fertőzésveszélyre utal, mert elhalt szervezetek bomlástermékeként kerül be, a mikrobák közreműködésével. Feldúsulása télen következhet be, mert a nitritképző baktériumok működése 10 °C alatt gyakorlatilag gátolt. Mélységi vizek esetében ásványi eredetű. Aránylag gyorsan oxidálódik nitritté, nitráttá, amelyek jóval mérgezőbbek. A fő veszélyt ez okozza.

36


II/14. évfolyam

Abszorpció Az abszorpció gázok folyadék belsejében való elnyelődését jelenti. Vagyis oldódást. A folyamat dinamikus egyensúlyhoz tart. Ekkor ugyanannyi anyag kötődik meg, mint amennyi távozik. Az egyensúlyi koncentráció adott hőmérsékleten a Henry-törvénnyel számítható: c = KH∙pp. Szavakban megfogalmazva: a telítési koncentráció arányos a gáz folyadék feletti parciális nyomásával. A képletben a K H (Henry-állandó) csak egy adott hőmérsékletre, meghatározott gázra és oldószerre érvényes! Parciális nyomás A gázelegyben lévő valamelyik gáz parciális nyomása az a nyomás, amelyet az adott térfogaton egyedül (a többiek nélkül) kifejtene. Számítása: pi = p∙Xi. A parciális nyomást megkapjuk, ha a tényleges nyomást megszorozzuk a kérdéses gáz móltörtjével. Az oldhatóság mértéke függ: –– a gáz anyagi minőségétől – lényegesen nagyobb azoknak a gázoknak az oldhatósága, amelyek kémiai reakcióba is lépnek az oldószerrel; –– a hőmérséklettől – a hőmérséklet emelésével csökken az oldhatóság –– a nyomástól – minél nagyobb a gáz nyomása a folyadék felett, annál több nyelődik el; –– egyéb abszorbeált gáz mennyiségétől (koncentrációjától). Oldott gáz eltávolítása lehetséges: –– melegítéssel, –– vákuum alkalmazásával, –– inert gáz bevezetésével (levegőztetéssel), –– mechanikus ráhatással (keverés, rázás). Mind a négy módszert kipróbálhatjuk ezen a gyakorlaton.

A vizsgált gáz koncentrációjának mérése Analitikai vizsgálati módszerek megismerésére azért van szükség, mert nélkülözhetetlenek: –– az ivóvíz minősítésénél, –– a víztisztítás ellenőrzésénél, –– az elvégzendő gyakorlatoknál annak megállapítására, hogy az oldott gázból mennyi maradt a vízben a különböző kihajtási módok alkalmazása után. 1. Metán meghatározása gázkromatográffal lehetséges. A metán mennyisége a csúcsként jelentkező görbe alatti területtel arányos. 2. Szabad szén-dioxid meghatározása: a CO2 nátrium-hidroxiddal reakcióba lép. A reakció végpontja fenolftalein indikátorral észlelhető. A titrimetriás meghatározás reakcióegyenlete: CO2 + NaOH = NaHCO3. A titrálást csiszolt dugós üvegben, vagy jódszám-lombikban végezzük, hogy minél kevesebb gáz tudjon elszökni. A mérőoldat általában 0,05 mol/dm3 koncentrációjú NaOH. Erősen szénsavas ásványvíznél az első mérésnél 20 cm3-t titrálunk, majd ahogy fogy a kihajtás következtében a CO2 úgy növeljük a minta mennyiségét. 50, 100, vagy akár 200 cm3-re. PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

37

3. Kénhidrogén-tartalom meghatározása: a kénhidrogén sósavas, vagy foszforsavas közegben a jódoldattal reakcióba lép. A jód feleslege nátrium-tioszulfáttal megtitrálható. A végpontot keményítő indikátorral lehet jelezni. 4. Ammóniatartalom meghatározása: az ammóniumion hipokloritok jelenlétében lúgos közegben fenollal illetve fenol vegyülettel reakcióba lép és kékes színű indofenol keletkezik. A reagens sárga színe miatt zöldet látunk. A szín mélysége arányos a koncentrációval, így spektrofotométerrel a 660 nm hullámhosszú fény abszorbanciáját megmérve, kalibrációs görbével összevetve kapjuk az eredményt. Feladatok Házi feladat 1. Számítsa ki, hogy 1000 cm3 0,05 mol/dm3 koncentrációjú nátrium-hidroxid mérőoldat készítéséhez hány g anyagra van szükség!

2. A felszíni víz ammóniatartalma 11,1 mg/l. Állapítsa meg, hogy az oxidáció után meghaladja-e a víz nitráttartalma az 50 mg/l vízminősítési határértéket!

Mintapéldák a CO2-meghatározás számításához 1. 20 cm3 vízmintát 0,1 mol/dm3 koncentrációjú NaOH mérőoldattal titráltunk fenolftalein indikátor jelenlétében. A fogyás 16,4 cm3 volt. Mennyi a víz szabad szén-dioxid tartalma? Megoldás CO2 + NaOH = NaHCO3 Az arányok: 1 mol:1 mol A nátriumhidroxid mennyisége: n = c∙v = 0,1 mmol/cm3∙16,4 cm3 = 1,64 mmol A CO2 mennyisége is 1,64 mmol 20 cm3-ben. A koncentráció tehát: 1,64/20 mmol/cm3 = 0,082 mol/dm3 A CO2 moláris tömege 44 g/mol, tehát az ásványvizünk 3,2 g szabad szén-dioxidot tartalmaz literenként! 2. 100 cm3 vízmintát 0,05 mol/dm3 koncentrációjú NaOH mérőoldattal titráltunk fenolftalein indikátor jelenlétében. A fogyás 16,4 cm3 volt. Mennyi a víz szabad szén-dioxid tartalma? Megoldás CO2 + NaOH = NaHCO3 Az arányok: 1 mol:1 mol A nátrium-hidroxid mennyisége: n = c∙v = 0,05 mmol/cm3∙16,4 cm3 = 0,82 mmol A CO2 mennyisége is 0,82 mmol 100 cm3-ben. A koncentráció tehát: 0,82/100 mmol/cm3 = 0,0082 mol/dm3 A CO2 moláris tömege 44 g/mol, tehát az ásványvizünk 0,32 g = 320 mg szabad szén-dioxidot tartalmaz literenként.

38


II/14. évfolyam

derítés Kolloid rendszerek Kolloidoknak nevezzük azokat a diszperz rendszereket, amelyekben az eloszlatott szemcsék mérete 1 nm-nél nagyobb és 1000 nm-nél kisebb. Nem valódi oldatok, de nem is ülepíthetők. Egyik feltűnő tulajdonságuk a Tyndall-jelenség: a kolloid rendszeren keresztülhatoló fény a nagyméretű részecskék felületén szóródik, a részecskék világítani kezdenek a beeső fény hatására. A ráeső fény felőli oldalról megfigyelve az oldat opalizál (nagy a visszaverődés). Valódi, tiszta oldatoknál a fény fényszóródás nélkül halad tovább. A kolloidok két csoportba sorolhatók a szerint, hogy hogyan alakulnak ki. Ezek: –– Hidrofób kolloidok azok, amelyek a vízzel nem lépnek kölcsönhatásba. A szemcsék (csapadékgócok) körül elektromos kettősréteg alakul ki. Így a részecskék azonos töltéssel fognak rendelkezni, és taszítják egymást. A gócok nem közelítenek egymáshoz, ezért nem is tudnak összetapadni, növekedni. A rendszer könnyen megbontható. Elektrolit jelenlétében a töltések megszűnnek, a szemcsék aggregálódnak.

–– Hidrofil kolloidoknál a szemcsék vonzódnak a vízhez, tehát egymással kölcsönhatásba lépnek. A vízmolekulák teljes mértékben körbeveszik a szemcséket, hidrátburok alakul ki. Ez a hidrátburok úgy viselkedik, mint a léggömb. Más léggömbbel összeütközve elpattannak egymástól, bármilyen tárgyat, vagy anyagot zártunk bele. Ezért a hidrofil kolloid stabil rendszer. Nehezen bontható meg. Csak olyan anyagokkal koagulálható, amelynek nagyobb az affinitása a vízhez, mint a kolloid részecskéinek, így „elcsábítja” a hidrátburkot, maga köré gyűjti. A bennük lévő szemcsék most már össze tudnak tapadni, tehát aggregálódnak és koagulálnak. Ez a folyamat azonban reverzibilis. A szolból kialakuló gél nagy mennyiségű vízzel visszaalakítható szollá. A folyamatot peptizációnak nevezik, mert először fehérje (peptid) oldatokon vizsgál-

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

39

ták. A gélt (zselé) hosszabb időre magára hagyva vizet veszít (szárad), a szerkezete is egy kicsit átalakul (öregedés). A száradás végeredménye a xerogél, vagyis a száraz zselé (pl. növényi magvak).

Derítés Derítéssel a felszíni vizek, valamint az iszapok stabil kolloidrendszerének megbontása, koaguláltatása valósítható meg. Ez kisebb méretekben megoldható lenne elektrolit adagolással, kisózással. Üzemi méretekben gazdaságosabb olyan derítőszerek alkalmazása, amelyek nagy felületű pelyhes csapadékot képeznek, és így adszorpcióval a kolloid részecskéket aggregálni tudják. Derítéssel olyan nem kívánatos oldott anyagok (pl. az arzén vegyületei) is eltávolíthatók, amelyeket egyébként nem tudnánk koaguláltatni. A kiülepedő arzén egy része beépül csapadék molekulájába, a többi a pelyhek felszínén adszorbeálódik. Derítőszerek: általában olyan vegyületek, amelyekből alumínium-, vagy vas-hidroxid különböző (pHtól függő) összetételű hidrátjai keletkeznek [FeCl3, FeSO4, AlCl3, Al2(SO4)3]. Segédderítőszerek: előfordul, hogy kielégítő eredményt csak akkor érünk el, ha a derítőanyagok mellett más anyagokat is adagolunk. Ezek a segédderítőszerek, amelyek lehetnek: –– töltéssel rendelkező (kationos, vagy anionos) polielektrolitok, –– finom szemcsés anyagok pl. bentonit, zeolit, kovaföld, aktívszénpor, mészkő őrlemény. A derítés mechanizmusa: –– vegyszerbekeverés: 1–2 perces – lejátszódik a perikinetikus koaguláció, melynek során a részecskék 1 nm-ről 10 µm átmérőjűre növekszenek; –– ortokinetikus koaguláció és flokkulálás: 10–30 perces lassú keverést alkalmaznak, melynek során a pelyhek az ütközések következtében 1–2 mm átmérőjűre növekednek; –– ülepítés: bármilyen típusú ülepítőt alkalmaznak, az ülepítési idő 1–3 óra. A végeredményt nem lehet előre látni, mert olyan sok tényező befolyásolja, hogy azok együttes hatását nem lehet kiszámítani. (A víz hőmérséklete, pH-ja, lebegőanyag koncentrációja, valamint a belekerülő egyéb oldott anyagok, rendkívül változatos összetételben.) Ezért a gyakorlatban mindig derítési próbával határozzák meg a derítőszer minőségét, mennyiségét, a bekeverési időt, az ülepedési időt stb.

Derítési próba Kolloid rendszerek ülepítéssel való szétválasztása csak derítőszerek alkalmazásával lehetséges. Az eredmény azonban számításokkal nem „jósolható” meg. A nagyüzemi próba rendkívül költséges, ezért kis mennyiségekkel kell az ideális vegyszermennyiséget és a megfelelő keverési sebességeket megtalálni. A derítési próba célja tehát a költségkímélő, optimális megoldás megkeresése! A módszer megismerésére a 3. gyakorlatban lesz lehetősége.

Flokkteszter A laboratóriumi derítési próba megvalósítására kifejlesztett eszközt nevezik flokkteszternek. Ez egy legalább négy, azonos sebességgel forgó keverővel rendelkező készülék. A folyamatosan változtatható keverési sebességet 20/min és 300/min fordulat között lehet beállítani. A beállított sebességet állandó értéken tartja, és azt digitálisan kijelzi. Működés közben is változtatható a keverők magassága. A keverés ideje 1 és 999 perc között beállítható. Az időzítő beállítása nélkül folyamatosan üzemeltethető. Világító hátsó panellel van ellátva, így a flokkuláció pontosan megfigyelhető.

40


II/14. évfolyam

Arzénmentesítés A felszín alatti vizekbe az arzén természetes úton kerül be. Azokból a kőzetekből oldódik ki, amelyeken lefelé haladva átszivárog. Attól függően, hogy reduktív, vagy oxidatív környezetbe kerül, a három vegyértékű (arzenit), vagy az öt vegyértékű (arzenát) formája kerül túlsúlyba. Káros élettani hatásai miatt (hosszú távon megnöveli a daganatos megbetegedések kockázatát) az ivóvíz arzéntartalmára határértéket állapítottak meg, amely 2001-ig 50 µg/l volt. Az EU-s jogharmonizáció következményeként jelentős szigorítás lépett érvénybe a 201/2001. (X. 25.) Korm. rendelettel. Az új, 10 µg/l-es határértéket 2009. december 25-ig kell teljesíteni a víztisztító telepeknek. Az arzén eltávolítására már sokféle technológiát dolgoztak ki, amelyek három csoportba sorolhatók: 1. Hagyományos technológiák Valamennyi a koaguláción, vagyis a derítés elvén alapszik. Derítőszerként (sok egyéb eljáráshoz hasonlóan) vas-, vagy alumíniumvegyületeket alkalmaznak. A koaguláláskor az arzénvegyület a következő módokon léphet át a szilárd fázisba: –– közvetlenül a derítőszerrel lép reakcióba (ez a legkisebb mértékű), –– a koagulátummal (fémhidroxid) lép reakcióba, –– a kialakuló pelyheken adszorpcióval kötődik meg. Mindezekben a folyamatokban jóformán csak az arzenátok vesznek részt, az arzenitek túlnyomó többsége oldatban marad. A hatékonyabb eltávolítás érdekében tehát oxidációra van szükség. Oxidálószerként klórt, ózont vagy kálium-permanganátot szoktak használni. A vegyszerköltséget csökkenteni lehet előzetes levegőztetéssel, amire gázkihajtás, vagy vas- és mangántalanításnál egyébként is szükség van. Ezért jó kombinációnak bizonyul a vas és az arzén együttes eltávolítása. A legjobb eredmény akkor biztosítható, ha a vas/arzén arány 20:1 érték körül van. Amennyiben ettől kevesebb vas van a vízben, akkor adagolni kell hozzá. Ezt általában vas-klorid oldat formájában teszik meg. A csapadékot szűréssel választják el a víztől, de nagy teljesítményű víztisztítókban a szűrés előtt ülepítést is alkalmaznak. Kombinálni szokták az arzénmentesítést továbbá meszes vízlágyítással is. Rendkívül magas hatásfokot lehet elérni vele, akár 99%-ot is. Hátránya, hogy nagy mennyiségű iszap keletkezik. Meg kell még jegyezni, hogy valamennyi derítéses arzénmentesítés hatékonyságát jelentősen le tudja rontani, ha a víznek magas a foszfáttartalma. A hagyományos koaguláción alapuló arzénmentesítési eljárással ismerkedhet meg a 4. gyakorlatban. Itt alkalma nyílik megfigyelni, hogy milyen sok tényező befolyásolja a leválasztás hatékonyságát: pl. a vegyszerek mennyisége, de még a keverési sebesség is. 2. Szorpciós eljárások Ide tartoznak: –– Ioncsere – kloridos anioncserélőt kell alkalmazni. –– Az aktív alumíniumos (AA) szűrők (reaktorok), amelyek tulajdonképpen nagy fajlagos felületű (200–300 m2/g) alumínium-oxid (Al2O3) granulátummal (d = 0,3–0,6 mm) vannak megtöltve. –– A nemrégen megjelent „vasbevonatú” szűrők. A szűrőanyagot képező homokszemcsékre nanoméretű rétegben visznek fel vasvegyületet, amely megköti (főleg) az arzenátokat. A réteg telítődése után regenerálni kell. A megkötő képesség visszaállítását nem az arzén eltávolításával érik el (ezért nem regenerálásról van szó, csak úgy hívják) hanem egy újabb réteggel „letakarják” az előzőt. 3. Membrántechnológiák Ultraszűrés, nanoszűrés, fordított ozmózis, elektrodialízis.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

41

Szűrés A szűrés a méretkülönbségen alapuló eljárások közé sorolható, cseppfolyós és szilárd anyag, vagy gáz és szilárd anyag szétválasztására szolgáló fizikai (hidrodinamikai) művelet. Ennek során a folyadék (vagy gáz) áthalad egy porózus rétegen, a különböző méretű szilárd szemcsék azonban fennakadnak. Attól függően, hogy a kiszűrendő anyag hol fog elhelyezkedni a szűrési folyamatok két típusát különböztetjük meg: –– Amennyiben a szemcsék már a szűrőréteg felületén megakadnak, akkor felületi szűrésről beszélünk. A kirakódó, egyre vastagodó réteg a szűrőlepény. Másodlagos szűrő hatása van, ami javítja a szűrés hatásfokát azzal, hogy egyre kisebb méretűek tudnak csak áthaladni. Ez azonban azzal jár, hogy növekszik a szűrési ellenállás. –– Ha a szemcsék behatolnak a szűrőrétegbe, akkor mélységi szűrés valósul meg. A szűrési ellenállás ekkor is növekszik a szűrés folyamán, mert azáltal, hogy a szilárd anyag megszorul a pórusokban, egyúttal el is tömi azokat. A „hátulról érkezők” viszont állandóan lökdösik előre, majd azok is elakadnak. Ez folytatódik mindaddig, amíg a szemcse át nem ér a szűrőrétegen, (áttörési pont), vagyis ekkor a kiszűrendő anyag megjelenik a szűrletben. Tudnunk kell, hogy az áttörési pont mikor következik be, mert a szűrést érdemes a kellő tisztaság megtartása érdekében jóval előtte befejezni, és a szűrőt kitisztítani. Természetesen egyes szűrőkön mindkét szűrési forma megtalálható. A szűrőréteget alkotó anyagokat a következő csoportokba sorolhatjuk: –– rostos szűrők, –– szövet szűrők, –– szemcsés szűrők, –– zsugorított szemcsés szűrők. Gyakorlatunk során a szemcsés szűrőket fogjuk vizsgálni. Ezek anyaga lehet: kavics, homok, antracit, aktív szén, kovaföld, perlit stb.

Szűrési sebesség Olyan sebesség, amelyet a szűrőt terhelő (a szűrőn áthaladó) vízhozam (Q) és az áramlás irányára merőleges szűrőfelület (A) arányából számolunk ki: Vsz= Q/A. Szűrési sebesség Az 1 m2 szűrőfelületen áthaladó szűrt folyadék (szűrlet) mennyiségével jellemezzük. A szűrőn való áthaladás sebessége kicsi, ennek megfelelően a mértékegysége: m/h. A szűrés sebessége függ: –– a szemcsenagyságtól, –– a pórusmérettől, –– a szűrőfelület nagyságától, –– a viszkozitástól (tehát közvetetten a hőmérséklettől), –– valamint a szűrő két oldala közötti nyomáskülönbségtől.

42


II/14. évfolyam

A szűrő ellenállása a szűrő saját ellenállásából, és a kiszűrt anyag által okozott járulékos ellenállásból tevődik össze. Ez utóbbi (melyet okozhat a kialakuló és vastagodó szűrőlepény, vagy a szemcsék közötti pórusok eltömődése) a szűrés előrehaladtával nő. A szűrő saját ellenállásának értéke nő, ha: –– nő a szűrési sebesség, –– finomabb szemcséjű szűrőanyagot alkalmazunk, –– növeljük a szűrőréteg vastagságát. Ezeket a megállapításokat próbáljuk alátámasztani a gyakorlatunk során (5. gyakorlat).

Állandó szintű gyorsszűrő Az ivóvíztisztításnál leggyakrabban alkalmazott gravitációs üzemű szűrőtípus. A felszín alatti, a felszíni vizek tisztításakor, ipari víz előkészítésekor alkalmazzák egy- vagy kétrétegű alakban. A kétrétegű egyszerű szűrők felső rétege antracit, rétegvastagsága 0,3–0,4 m, a szemcseátmérő 2–4 mm, az alsó rétege 1,3–1,8 szemcseátmérőjű homok. A mosatás után a szűrő a sűrűségbeli különbség miatt az eredeti állapotába rétegződik vissza. A gyorsszűrők szűrési periódusa 24–48 óra, 48 óra után a szűrőt akkor is mosatni kell, ha a szűrőellenállás nem érte el azt az áttörési pont előtti értéket, amelynél meg kell szakítani a szűrést. Ennek oka, hogy két nap alatt a szűrőanyag összetömörödik és járatok keletkeznek benne, ami vízminőség romláshoz vezet. Az eltömődött szűrőben vákuum is kialakulhat, ez gázkiváláshoz vezet és tovább növekszik a szűrési ellenállás. Az öblítés folyamata: levegővel és vízzel történik! –– 1–2 perces vízzel történő szűrőanyag fellazítás, –– 5 perces levegővel történő rázatás, –– 15–40 perces vízzel történő öblítés, –– előszűrlet vétele, –– a szűrő üzembe állítása. Feladatok Jelölje meg a kérdésekre adott helyes válaszokat (mindegyiknél egyet)! A következő állítások közül egy nem igaz. Melyik az? 1. Ha növeljük a szűrés sebességét, nő a szűrő ellenállása. 2. Ha nő a szűrő ellenállása, csökken a szűrés sebessége. 3. Ha csökkentjük a vízoszlop magasságát, nő a szűrő ellenállása. 4. Ha csökken a szűrő ellenállása, nő a szűrés sebessége. Nyitott szemcsés szűrőkön a szűrés sebessége mitől nem függ? 1. A szűrő szemcsenagyságától 2. A légnyomástól

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

43

3. A szűrő felületétől 4. A szűrő vastagságától Melyik az a szemcsés szűrő, amelyet soha nem mosatnak? 1. Változó szintű gyorsszűrő 2. Lassú szűrő 3. Állandó szintű gyorsszűrő 4. Előszűrős gyorsszűrő

Vas- és mangántalanítás A szén-dioxidot elnyelő esővíz a kőzeteken átszivárogva nemcsak kalciumot és magnéziumot old ki, hanem vasat és mangánt is, hidrogén-karbonát formájában. Az utóbbiaknak ízrontó hatása van az ivóvízben. Ha nagy mennyiségben vannak jelen, akkor a víz édeskéssé válik és a szomjat sem oltja. A vas ráadásul levegővel érintkezve oxidálódik, és vörösbarna csapadék formájában kiválik, ami a vizet gusztustalanná teszi. Az ivóvízből kivált vas egyéb problémákat is okozhat, ilyenek: –– foltot hagy a kimosott ruhán, –– lerakódik a vízvezetékben és a vízcsapokban, –– elősegíti a vízvezeték korrózióját is, –– a vízcsapok a lerakódás miatt nem zárnak jól, csepegni kezdenek, –– tönkreteszi a fordított ozmózissal működő szűrők membránját (ma már ilyen berendezéseket használnak olyan helyeken, ahol nagy tisztaságú steril vízre van szükség pl. gyógyszergyárakban, de egyre elterjedtebbek a háztatásokban is). A lejátszódó reakció a következő: 2 Fe(HCO3)2 + 1/2 O2 + H2O = 2 Fe(OH)3 + 4 CO2 Ugyanakkor éppen ez a reakció teszi lehetővé az eltávolítását. Mindössze fel kell oxidálnunk a vas(II) ionokat vas(III) ionná, a csapadékot pedig ülepíteni, és/vagy szűrni kell. Ehhez nincs is szükség erélyesebb oxidálószerre, elegendő, ha átlevegőztetjük a vizet (oxigénnel telítjük). Ezzel a módszerrel fog megismerkedni a 6. számú feladatban. Elvileg a mangán(II)vegyületek hasonló módon oxidálódnak, de a reakció sokkal lassabban megy végbe. A várakozási idő csökkentése, és az elválasztás hatékonyabbá tétele érdekében katalizátort kell alkalmazni. Kálium-permanganát, vagy mangán-dioxid (barnakő) jelenléte ugrásszerűen meggyorsítja a reakciót. Célszerű heterogén katalízist alkalmazni, amit úgy valósítanak meg, hogy a szűrőt kezelik (beeresztik) permanganát oldattal, vagy barnakő szuszpenzióval, így ezek az anyagok a homokszemcsék felületén adszorbeálódnak.

44


II/14. évfolyam



Mérés dátuma: .......................................

Feladat:

Danaidás mérőedény kalibrálása A későbbi, szűréssel kapcsolatos komplex feladatoknál a vízhozam pontos mérésére lesz szükség. Ezért az erre a célra leginkább alkalmazható eszköznek, a danaidának kell elvégezni a kalibrálását. Párban dolgozva két danaida legalább három különböző méretű fenéknyílásánál is meg kell határozni a vízszint és a vízhozam közötti összefüggést. Minél pontosabban fel kell venni a (három) kalibrációs görbét.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt. Szükséges eszközök: danaida, subler, vödör, stopper, mérőhenger, mérőszalag. 1. Előkészítő munkák: –– Le kell mérni a danaida kifolyónyílásának átmérőjét tized mm pontossággal, tolómérővel (subler). Az eredményt egyikőjük feljegyzi. –– Papír mérőszalagot ragaszt a (plexiből készült) edény oldalára függőlegesen úgy, hogy a 0 az edény aljánál legyen. –– A danaidát egy gyűjtőedényre (pl. vödör) helyezi. 2. Mérés: –– Vízvezetékből egyenletes kifolyással először egy alacsony vízszintet (pl. 50 mm-t) állít be. Ügyeljen a parallaxis hibára! Előkészíti a stoppert. –– A vízszint állandósulása után egy hirtelen mozdulattal egy másik gyűjtőedény fölé helyezi, miközben a társa indítja a stoppert. –– A mérési idő letelte után (minél hosszabb ideig tart, annál pontosabb a mérés) hirtelen mozdulattal visszahelyezi az első gyűjtőedényre. Ezzel egy időben leállítják a stoppert. Az eltelt időt feljegyzik. –– Az összegyűlt víz térfogatát megmérik mérőhengerrel. –– Beállítanak egy újabb vízszintet, majd az előző lépéseket megismételik. Az új vízszint beállításánál legyenek tekintettel arra, hogy öt mérést kell elvégezniük, tehát csak kevéssel emeljenek! –– Öt mérés után kicserélik a kifolyónyílást más méretűre. Újabb öt mérést végeznek. –– Egy harmadik fenéknyílás méretnél is elvégzik az 5 mérést. A kalibrált edényt megjelölik. 3. Adatfeldolgozás: –– Az adatokat érdemes táblázatban összefoglalni, melybe a számítások eredményeit is be kell vezetni. –– Kiszámolja a vízhozamokat a tanultak alapján, és beírja a táblázat utolsó oszlopába. –– Diagramot készít. –– Kiszámítja a mérőedény állandóját (µ) a Q = μ∙A∙√(2g∙h) összefüggésből.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

45

Dokumentálás szempontjai: A kalibrálás menetének leírása: Táblázatos összefoglaló: Kifolyónyílás belső mérete

Vízszint (mm)

Idő (secundum)

Térfogat (cm3)

Vízhozam (számítva) (l/perc)

Diagram:

Mérőedény állandója: Értékelés szempontjai: –– a jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások, átváltások pontossága; –– a munka kivitelezése.

46


II/14. évfolyam

2. gyakorlat

Mélységi víz szabad szén-dioxid tartalmának eltávolítása, mérése Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Ön a vízművek egy ivóvíz tisztítását is végző telepén dolgozik. Feladata többek között a kinyert víz szén-dioxid tartalmának ellenőrzése. Meg kell határoznia a szabad CO2 koncentrációját. Amennyiben ez túl magas, akkor javaslatot kell tennie az eltávolítás módjára.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt. Felhasználandó anyagok: 3 l ásványvíz, 0,1 mol/dm3 koncentrációjú NaOH mérőoldat, 0,05 mol/dm3 koncentrációjú NaOH mérőoldat, fenolftalein indikátor, ioncserélt víz. Szükséges eszközök: keverő, rezsó, kompresszor, diffúzoros levegőztető, vákuumszivattyú, hőmérő, 4 db felszerelt büretta, 12 db csiszolt dugós üveg, vagy jódszámlombik, 20-as, 50-es kétjelű pipetta, Griffin-labda. A gyakorlatot társaival csoportmunkában kell teljesítenie. Ehhez a következő feladatokat kell egymás között felosztaniuk. Előkészítés: –– Az eredeti vízminta szén-dioxid tartalmának meghatározása (20 cm3 titrálása 0,1 mol/dm3 koncentrációjú NaOH mérőoldattal). –– A mintát öt részre osztják, melyek közül egy kontrollminta. A kontrollmintával semmit nem kell tenni, csak nyitott üvegben hagyják állni a vizsgálatok idejére! Mechanikus eltávolítás: –– az 1. számú mintát nyitott edényben kevertetik, –– 1, 2, 5 és 10 perc után mérik a széndioxid tartalmat. Eltávolítás melegítéssel: –– a 2. számú mintát rezsón 50 °C-ra melegítik, –– mérik a visszamaradt szénsav mennyiségét, majd kettő, öt és tíz perc után is. (A mintavétel után, vagyis titrálás előtt a mintát le kell hűteni szobahőmérsékletre!) Eltávolítás levegőztetéssel: –– Az ásványvizet (a minta harmadik részlete) diffúzoros levegőztetőbe helyezik, és egy percig levegőztetik. Mérik a maradék szénsav mennyiségét. –– A mérést megismétlik kettő öt, és tíz perces levegőztetés után is. Eltávolítás vákuum alkalmazásával: –– Az ásványvizes palackra (a minta negyedik részlete) vákuumszivattyút csatlakoztatnak és 0,3 bar vákuumot állítanak be. Egy perc után mérik a visszamaradó szénsavmennyiséget. –– A mérést megismétlik kettő öt, és tíz perc után is. Kontrollminta: a nyitott üvegben, nyugalomban hagyott kontroll visszamaradó szénsavmennyiségét is mérik (valamint az eltelt időt). Adatfeldolgozás: az eredményeket koordináta-rendszerben ábrázolják. Az eltelt időt az x tengelyre mérik, a koncentrációt az y tengelyre. Egy diagramon ábrázolhatják mind a négy módszer eredményeit, de különböző színnel. Kiválasztják a leghatékonyabb eljárást. Számítások: a titrálásnál fogyott NaOH mérőoldat térfogatából számolja a szabad CO2 koncentrációt. V1∙c1 = V2∙c2 M c2 → [g/dm3] → [mg/dm3]

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

47

Dokumentálás szempontjai: Moláris tömeg: M (CO2) = A titrálásnál lejátszódó reakció: CO2 + NaOH = A titrálás adatainak és számítási eredményeinek táblázatos összefoglalása: Titrált mennyiség

Eltávolítás Eltávolítás levákuum alvegőztetéssel kalmazásával

Eltávolítás melegítéssel

Mechanikus eltávolítás

Eredeti minta

Mérőoldat pontos koncentrációja

Fogyás

CO2koncentráció

0 perc 1 perc 2 perc 5 perc 10 perc 1 perc 2 perc 5 perc 10 perc 1 perc 2 perc 5 perc 10 perc 1 perc 2 perc 5 perc 10 perc

Kontrollminta Diagram:

48


II/14. évfolyam

Értékelés szempontjai: –– számítások, átváltások pontossága; –– a munka szervezése, kivitelezése.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

49

3. gyakorlat

Felszíni víz derítése Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Olyan ivóvíztisztítóban dolgozik, amelynek vízbázisa felszíni víz. A víz lebegőanyag-tartalmát derítéssel távolítják el. Feladata, hogy megállapítsa az optimális flokkuláló szer (FeCl3) mennyiségét, valamint a keverés sebességét a flokkteszter segítségével. Megfigyelései és mérései alapján állítson be olyan módszert, amellyel jobb és gyorsabb ülepedés, valamint tisztább víz nyerhető!

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt.

Szükséges anyagok és R-, S-mondatai Anyagok

R

S

FeCl3

20/21/22 34

1/2, 24/25, 27

Bőrön és a szemben égető érzést, kipirosodást okoz. Bő vízzel le kell mosni. Vizes oldata közepesen erős sav.

Ioncserélt víz Szükséges eszközök: flokkteszter, 4 db 1000-es főzőpohár, táramérleg, 100-as, 600-as főzőpohár, 4 db 1000-es mérőhenger, stopper 1. A derítés előkészítése, oldatkészítés –– Készítsen 100 cm3 5%-os FeCl3 oldatot ioncserélt vízzel! –– Számítsa ki az oldathoz szükséges anyagmennyiséget! 2. A derítés kivitelezése: –– Mérjen be a vizsgálandó vízből (pl. Duna víz) 800–800 cm3-t 4 db 1000-es főzőpohárba! –– Adjon hozzá a négy pohárhoz egyszerre (előkészített fecskendővel) 1, 2, 5, 10 cm3 vas(III)-klorid oldatot! –– Indítsa el a keverőt 180/min sebességgel! –– Tegyen hozzá a mésztejből 0, 20, 40, 60 cm3 mennyiséget előkészített főzőpoharakból egyszerre (3 pohár)! –– Kevertesse 2 percig 180/min sebességgel! –– Ezután kevertesse 15 percig 20/min sebességgel! –– Öntse át mind a 4 mintát egy-egy 1000-es mérőhengerbe! –– Mérje meg a minták ülepedési sebességet! –– Jegyezze fel a megfigyeléseit és az eredményeket a dokumentálás szempontjai szerint! 3. A derítés optimalizálása Megfigyelései alapján tervezzen meg, és végezzen el egy másik próbát, amelynek célja, hogy megállapítsa azokat a körülményeket, amellyel jobb és gyorsabb ülepedés, tisztább víz nyerhető. Jegyezze fel eredményeit, tapasztalatait a dokumentálás szempontjai szerint. Számítások: Bemérések: m (FeCl3) = ................................. g V (ioncserélt víz) = ................................. cm3

50


II/14. évfolyam

Dokumentálás szempontjai: A derítés körülményei 1. minta

2. minta

próba I. FeCl3 [cm3] Keverés ideje [min] Keverés sebessége [min-1]

II.

3. minta

próba III.

I.

II.

4. minta

próba III.

I.

II.

próba III.

I.

1

2

5

10

2 15

2 15

2 15

2 15

180 20

180 20

180 20

180 20

II.

III.

Ülepedési sebesség [cm/perc] Tapasztalatok leírása: önálló kísérlet eredménye. Értékelés szempontjai: –– a munka szervezése, kivitelezése; –– önálló ötletek megvalósítása.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

51

4. gyakorlat

Arzénmentesítés derítéssel Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Az ivóvíztisztító laboratóriumában az Ön feladata, hogy az arzén-mentesítéshez szükséges flokkuláló szerek, mint FeCl3 és CaO mennyiségét valamint a keverés sebességét optimalizálja flokkteszter segítségével. Megfigyelései és mérései alapján állítson be olyan módszert, amellyel jobb és gyorsabb ülepedés, valamint tisztább víz nyerhető! Határozza meg adott keverési sebesség mellett az optimális mész mennyiségét!


R

S

FeCl3

20/21/22 34

1/2, 24/25, 27

Bőrön és a szemben égető érzést, kipirosodást okoz. Bő vízzel le kell mosni. Vizes oldata közepesen erős sav.

CaO

14-34-41

(1/2-)22-2636/37/39-45

Az égetett mész oldáskor (mészoltás) hőt termel. A szembe kerülő mész vakságot is okozhat!

Ioncserélt víz Szükséges eszközök: flokkteszter, 4 db 1000-es főzőpohár, táramérleg, 100-as, 600-as főzőpohár, 4 db 1000-es mérőhenger, stopper 1. A derítés előkészítése, oldatkészítés –– Készítsen 100 cm3 5%-os FeCl3 oldatot ioncserélt vízzel! –– Készítsen 500 cm3 1 g/l-es Ca(OH)2 oldatot CaO-ból ioncserélt vízzel! –– Számítsa ki az oldathoz szükséges anyagok mennyiségét! 2. A derítés kivitelezése: –– Mérjen be a vizsgálandó vízből 800–800 cm3-t 4 db 1000-es főzőpohárba! –– Adjon hozzá 10–10 cm3 vas(III)-klorid oldatot! –– Indítsa el a keverőt 180/min sebességgel! –– Tegyen hozzá a mésztejből 0, 20, 40, 60 cm3 mennyiséget előkészített főzőpoharakból egyszerre (3 pohár)! –– Kevertesse 2 percig 180/min sebességgel! –– Ezután kevertesse 15 percig 20/min sebességgel! –– Öntse át mind a 4 mintát egy-egy 1000-es mérőhengerbe! –– Mérje meg a minták ülepedési sebességet! –– Jegyezze fel a megfigyeléseit és az eredményeket a dokumentálás szempontjai szerint! 3. A derítés optimalizálása Megfigyelései alapján tervezzen meg, és végezzen el egy másik próbát, amelynek célja, hogy megállapítsa azokat a körülményeket, amellyel jobb és gyorsabb ülepedés, tisztább víz nyerhető! Változtatható: –– a derítőszerek FeCl3, CaO mennyisége, –– a keverés körülményei: idő, sebesség. Jegyezze fel eredményeit, tapasztalatait a dokumentálás szempontjai szerint!

52


II/14. évfolyam

Számítások:

Moláris tömegek: M (FeCl3) = M (CaO) =

Bemérések:

m (FeCl3) = ................................. g

V (ioncserélt víz) = ................................. cm3 m (CaO) = ................................. g V (ioncserélt víz) = ................................. cm3 Dokumentálás szempontjai: A Ca(OH)2 készítésekor lejátszódott reakció CaO + H2O = ................................. CaO köznapi neve: ..................................................................... Ca(OH)2 köznapi neve: ..................................................................... Derítés körülményei:

I. FeCl3 [cm3] Ca(OH)2 Keverés ideje [min] Keverés sebessége [min-1]

1. minta

2. minta

3. minta

4. minta

próba

próba

próba

próba

II.

III.

I.

II.

III.

I.

II.

III.

I.

10

10

10

10

0

20

40

60

2 15

2 15

2 15

2 15

180 20

180 20

180 20

180 20

II.

III.

Ülepedési sebesség [cm/perc] Tapasztalatok leírása: önálló kísérlet eredménye. Értékelés szempontjai: –– számítások pontossága; –– a munka szervezése, kivitelezése; –– önálló ötletek megvalósítása.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

53

5. gyakorlat


Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Szemcsés szűrő készítése, megfelelő tulajdonságok kialakítása Készítsen különböző szemcseméretű szűrőanyagokat, a szűrőanyagokból pedig különböző rétegvastagságú szűrőt! A szűrőkön különböző vízoszlopmagasságnál mérje a vízhozamot! Számítsa ki minden esetben a szűrési sebességet és a szűrő ellenállását!

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt. Szükséges eszközök: szitasorozat, mérőszalag, szűrőedény, danaida, vödör, rezsó, hőmérő. 1. Szűrőanyag készítése: társaival csoportmunkában (4 fő) dolgozik. –– Folyami sóderből különböző szemcseátmérőjű frakciókat választanak szét szitasorozattal. A következő szitákat használják: 0,5; 1,0; 2,0 és 4,0 mm. –– Ezekkel a szitákkal tulajdonképpen három használható frakciót kapnak: a) 0,5–1,0 mm közötti szemcseméret: finomszűrésre alkalmazható; b) 1,0–2,0 mm közötti szemcseméret: az ivóvíztisztításnál használt gyorsszűrök leggyakoribb szemcseméret sávja; c) 2,0–4,0 mm közötti szemcseméret: durva szűrésre alkalmas. d) A 4,0 mm-nél nagyobb, és a 0,5 mm-nél kisebb szemcséket nem használják, viszont az eredeti, szitálatlan sóderrel összehasonlítási alapot képező kísérletet végeznek. 2. Első mérési sorozat: –– Szűrőréteg elkészítése. A rostálással előkészített három frakció mindegyikéből, valamint a rostálatlan, vegyes sóderből is 1–1 szűrőt készítenek 5 cm-es rétegvastagsággal. –– Tiszta vizet engednek rá (csapvíz). –– A kifolyócsonk alá danaidát helyeznek. –– A vízszintet beállítják a homoktól mérve 10 cm-es magasságra. –– Megvárják, amíg a mérőedény vízszintje is állandósul. –– Leolvassuk a vízállást. –– A mérést mind a négy szűrőn elvégzik. –– A szűrő fölötti vízoszlop magasságát 20 cm-re emelik. A méréseket megismételik. 3. Második és harmadik mérési sorozat: –– Valamennyi szűrő rétegvastagságát, a megfelelő méretű homokkal növelik 5 cm-rel (10 cm-re), és a méréseket megismétlik. –– 15 cm-es rétegvastagságnál is megismétlik a méréseket. –– Valamennyi szűrő rétegvastagságát, a megfelelő méretű homokkal növeljük 5 cm-rel (10 cm-re), és a méréseket megismételjük, majd 15 cm-es rétegvastagságnál is. 4. Meleg víz szűrése: –– Vizet melegítenek kb. 40–50 °C-ra. –– A 15 cm rétegvastagságú szűrőkre (mind a négyre) melegebb vízzel állítják be a 10 cm-es vízoszlop magasságot. –– Amikor már a danaidában is állandósult a vízszint, akkor mérik a víz hőmérsékletét. –– Leolvassák a danaida vízszintjét. 5. Értékelés: –– megállapítják a szűrő felületét, és a vízhozamokat, –– számítják a szűrési sebességeket, –– számítják a szűrő ellenállását, –– az eredményeket mm-papíron ábrázolják.

54


II/14. évfolyam

Meleg vízzel

15 cm

10 cm 5 cm

PETRIK TISZK

Szűrő ellenállása

Szűrési sebesség

Vízhozam

Durva szűrő

Danaida vízszintje


Szűrési sebesség

Vízhozam

Közepes szűrő

Danaida vízszintje


Szűrési sebesség

Vízhozam

Finom szűrő

Danaida vízszintje


Szűrési sebesség

Vízhozam

Danaida vízszintje

Vízoszlop magassága

Szűrőréteg vastagsága

Dokumentálás szempontjai: Számítások: –– a szűrő felülete: A = a∙b –– szűrési sebesség: v = Q/A –– a szűrő ellenállása: Rsz+Rj = R kiszámítható a következő egyenletből:

Adatok táblázatba foglalása:

Vegyes

10

20

10

20

10

20

10

20

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

55

Értékelés szempontjai: –– számítások pontossága; –– a munka szervezése, kivitelezése; –– diagram; –– következtetések.

56


II/14. évfolyam

6. gyakorlat

Ivóvíz vasmentesítése levegőztetéssel és szűréssel Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Ön az ivóvíztisztító vastalanítási technológiáját ellenőrzi. Ehhez mintát vesz, és méri a szűrt víz vaskoncentrációját. Amennyiben a vastartalom az esedékes szűrőmosatás időpontja előtt jelentősen növekszik, akkor intézkedik a szűrő leállításáról, és soron kívüli mosatásáról. Az előszűrlet levételének befejezését is a vas koncentrációjától teszi függővé. Amikor határérték alá csökken, akkor rendes üzembe helyezhető a szűrő, a lejövő víz a tároló vizébe engedhető.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt. Felhasznált anyagok: salétromsav, vas(II) só, lehetőleg Fe(HCO3)2 , KMnO4 , ammónium-rodanid, koncentrált sósav, FeCl3. Szükséges eszközök: keverővel ellátott edény, diffúzoros levegőztető, kompresszor, szivattyú, danaida, 2 db 1000-es mérőlombik, analitikai mérleg, 6 db 100-as mérőlombik, 7 db 100-as főzőpohár, fotométer, vödör, 2-es, 10-es, 20-as pipetta. 1. Mérés előkészítése: –– Felold 1 g vas(II) sót 10 l vízben. –– Az 1–2 mm szemcseátmérőjű homokból 5 cm vastagságú szűrőréteget készít. –– A vastartalmú vízzel feltölti a diffúzoros levegőztetőt, beindítja a kompresszort (a levegő áramoltatását). –– A szivattyút beköti a rendszerbe úgy, hogy az a víztartályból a levegőztető edénybe pumpálja a vizet. –– A levegőztetőből túlfolyón keresztül kerül a szűrőre a csapadékos víz. –– A szűrő kifolyócsonkjához danaidát helyez. 2. Mérés: –– A szivattyú szabályozásával a szűrőn lévő vízoszlop magasságát 10 cm-re állítja be. A danaida vízszintjét állandósulás után leolvassa, és feljegyezi. –– Ötpercenként lejegyzi a danaida vízszintjét, közben ügyel arra, hogy a szűrő felett ne változzon a vízoszlop magassága (időnként rövid időre szüneteltetni kell a szivattyú működését). –– 10 percenként 50 cm3 mintát vesz a szűrletből (a danaidából elfolyó vízből). –– A mérést addig folytatja, amíg a szűrletben meg nem jelenik a vörösbarna csapadék (áttörési pont). –– Leállítja a szivattyút és a levegőztetést. A szűrőt mosatja a tanultak szerint. 3. A minták vastartalmának meghatározása fotométerrel: a vas fotometriás mérésének receptje a gyakorlat információs lapja után található.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

57

Dokumentálás szempontjai: Adatok táblázatba foglalása: 5 perc

10 perc

15 perc

20 perc

25 perc

30 perc

35 perc

40 perc

45 perc

50 perc

55 perc

60 perc

Q (l/h) Vas (µg/l) Diagram:

Szűrő mosatásának esedékessége: Előszűrlet időtartama: Eltávolított vas mennyisége %-ban: Értékelés szempontjai: –– a munka szervezése, kivitelezése, –– diagram, –– következtetések.

58


II/14. évfolyam

Ivóvíz vasion tartalmának meghatározása 1. Törzsoldat készítése: a) bemérünk 0,5803 g FeCl3-t, b) 50 cm3 desztillált vízben oldjuk, c) hozzáadunk 20 cm3 koncentrált sósavat, d) néhány csepp KMnO4-et, amíg halvány rózsaszín nem lesz, e) mérőlombikban 1000 cm3-re töltjük. 2. Oldatsorozat készítése kalibrációs görbéhez: a) a törzsoldatból kiveszünk 50 cm3-t (pipettával); b) 1 literes mérőlombikban jelig töltjük (1 cm3-je 10 µg vasat tartalmaz); c) kiveszünk 1 cm3-t, 2 cm3-t, 5 cm3-t, 10 cm3-t, 20 cm3-t, 30 cm3-t (valamennyit pipettával!); d) a kivett mintákhoz 0,5 cm3 tömény salétromsavat adunk, és 100 cm3-es lombikban jelig töltjük, így az oldatok koncentrációja: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 3 mg/dm3 lesz. 3. Mérés: a) a mérőlombikokból kiveszünk 50 cm3-t, b) hozzáteszünk 2 cm3 ammónium-rodanidot, c) az oldatokból küvettába töltünk, és fotométerrel 550 nm körüli hullámhossznál mérjük az abszorbanciát. 4. Ismeretlen vízminta vastartalmának meghatározása: a) 50 cm3 vízmintához 0,5 cm3 tömény salétromsavat, és 2 cm3 ammónium-rodanidot adunk. Az abszorbancia mérését ugyanúgy végezzük, mint az oldatsorozatnál. A kalibrációs görbe segítségével megállapítjuk a vas koncentrációját. b) Amennyiben a koncentráció 4 mg/dm3-nél magasabb, akkor hígítást kell alkalmazni (pl. 10-szerest).

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

59

a témakörrel kapcsolatos fogalmak és kifejezések Abszorbancia

Abszorpció Adszorbens Adszorpció Adszorptívum Affinitás Aggregálódás Anaerob folyamat Ásványvíz Bentonit Bukóél, mérőbukó

Deszorpció Diffúzió

Diffúzor

–– Folyadékok (oldatok) fényelnyelő képességével kapcsolatos fogalom. –– Az oldaton áthaladó és a beeső fény hányadosa a transzmittancia (T = I/I0). –– Az abszorbancia a transzmittancia negatív előjelű logaritmusa (A = –lgT). –– Az abszorbancia és a koncentráció között egyenes arányosság van: A = ε∙l∙c Gázok folyadék belsejében való elnyelődése. Gázok oldódása. Az a szilárd anyag, amelynek felületén az →adszorpció lejátszódik. Szilárd anyag felületén való megkötődés. Anyag, amely a szilárd felületéhez kötődik. Vonzódás, rokonság Csoportosulás, tömörülés Levegőtől elzártan lejátszódó kémiai és/vagy biológiai (lebontó) folyamat. Olyan mélységi ivóvíz, amely nagy mennyiségben tartalmaz ásványi és egyéb oldott anyagokat (≈ 1000 mg/l). Ettől sajátos ízük és gyakran gyógyító hatásuk van. Az agyagnak egyik fajtája, amelynek több változata is ismert. A leggyakrabban vulkáni hamuból keletkezik. Fontos tulajdonsága, hogy a saját térfogatánál 15– 20-szor nagyobb mennyiségű vizet is képes megkötni, ezáltal erősen duzzad. A bukóél általában a vízszint szabályozására kiépített fal, amely felett a víz feleslege túlcsordul. A mérőbukók különböző profilú bukóélek, amelyek felett kialakuló vízszint magasságából következtetni lehet a vízhozamra. A különböző profilokat általában a feltalálójukról nevezték el (Bazin, Cipoletti, Poncelet, Thomson stb.). Megkötődött anyag távozása. 1. Anyagáramlási jelenség, szétterjedés, amelynek hajtóereje a koncentrációkülönbség, célja pedig annak kiegyenlítése. 2. Szétterjedés. 1. Csővezetékek kibővülő része, ahol a mozgási energia nyomási energiává alakul át.

2. Minden olyan anyag, vagy eszköz, amely valamit szétszór, szétterjeszt, oszlat, porlaszt (folyadékot, gázt, fényt). Elektrolit Mindazok a folyadékok, amelyek az elektromos áramot vezetik. Ionvezetők (savak, sók és bázisok vizes oldatai). Frakció Egy heterogén rendszer egy valamennyire homogénnek tekinthető része. Hidratálódás Az anyag vizet köt meg. Fizikai és kémiai kötések is létrejöhetnek. Heterogén katalízis A reagáló anyagok nem elegyednek a katalizátorral (homogén módon), a reakció a szilárd katalizátor felületén játszódik le. Indikátor Jelzőanyag. Olyan vegyület, amely valamely kémiai reakció végpontját színváltozással jelzi. Jódszám lombik Erlenmeyer-lombikhoz hasonló, jól illeszkedő, csiszolt üvegdugóval ellátott üvegedény.

60


II/14. évfolyam

Katalizátor Keresztszelvény Koagulálás Koncentráció Kovaföld Móltört Művelet nm Oldhatóság

Opalizál Perlit Pórus, porózus Reagens Regenerálás Termálvíz Turbulencia Turbulens áramlás

Zeolit

PETRIK TISZK

Olyan anyag, amely valamely konkrét reakció sebességét megváltoztatja (legtöbbször gyorsítja). A reakcióban részt vesz, de abból változatlanul kerül ki. Vízfolyásoknál használt fogalom. A sodorvonalra merőleges nedvesített felület. Kolloid oldatok részecskéinek kicsapódása, hogy azok egymáshoz tapadnak, megnövekednek. Egy arányszám, amellyel valamely komponensnek az egész rendszerhez való viszonyát fejezzük ki. Az összehasonlítás alapja lehet a tömeg, a térfogat vagy a kémiai anyagmennyiség. Őstengeri üledékből keletkező ásvány. Tulajdonképpen a kovamoszatok elhalt váza, amelynek szilícium tartalma 85–90%. Diatomaföldnek is nevezik. Egyfajta koncentráció, amely megadja, hogy az adott komponens mól-száma az egész rendszer valamennyi komponensének összes mól-számának hányad része. Egymással összefüggésben lévő cselekmények sorozata, vagy annak egy szakasza, mozzanata. A vegyiparban és a környezetvédelemben célja mindig egy anyag, vagy anyagrendszer valamely fizikai tulajdonságának megváltoztatása. Nanométer = 10-9 méter Valamely anyagnak az a mennyisége, amely egy meghatározott oldószerben való feloldása telítési koncentrációt eredményez az adott hőmérsékleten. (Vagyis aminél több nem oldódik.) Az oldhatóság nem koncentráció. A feloldható anyagmennyiséget 100 g oldószerre adják meg. Egyes opálféleségekre jellemző módon színt játszik, opálfényben ragyog. Eredetileg víztartalmú vulkanikus üveg kőzet. 850–900 °C-ra hevítve a kötött víz gőz formájában hirtelen távozik. A kőzet „kipattog” térfogata akár a 17-szeresére is növekedhet. Ezért a térfogatsúlya kicsi. Jó hőszigetelő. Üreg, üreges Olyan anyag, amely a vizsgált komponenssel reakcióba lép, és valamilyen szemmel látható változást idéz elő (pl. csapadék kiválása, vagy színváltozás). Az eredeti állapot visszaállítása. Másképpen hévíz. Olyan rétegvíz, amelynek a hőmérséklete meghaladja a 30 °Cot. Rendezetlen, örvénylő mozgás, örvénylés, nyugtalanság Folyadékok nagy sebességű áramlásakor a részecskék már nem csak haladó mozgást végeznek, hanem akár a haladás irányára merőlegesen is mozoghatnak. A rendezetlen, gomolygó mozgás eredményeként az egymás melletti folyadékrétegek összekeverednek. Csővezetéknél akkor beszélünk turbulens áramlásról, ha a Reynolds-szám értéke nagyobb, mint 2320. A zeolitok alkálifémek és -földfémek alumínium-szilikátjai. Kationjaik kicserélhetők, ioncserélő anyag. Víztartalmuk eltávolítása után gázok megkötésére alkalmazhatók. Katalizátorként is használják pl. benzingyártásnál (oktánszám javítása).

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

61

szennyvíztisztítás Ennek a témakörnek az a célja, hogy a szennyvíztisztítással kapcsolatos ismeretek összefoglalásával szempontokat adjon a megfigyeléshez a települési szennyvíztisztítóban teendő üzemlátogatáshoz, és segítséget nyújtson annak projektszerű feldolgozásához.

Szennyvizek fizikai, kémiai, biológiai jellemzői BOI a szerves anyagok lebontásához a mikroorganizmusok számára szükséges oxigén mennyisége (mg/dm3). Körülmények: –– hőmérséklet 20 °C, –– a pH = 7,2, –– inkubációs idő: lehet 5 napos (BOI5), és 20 napos (BOI20), –– toxikus anyagok jelenlétében a BOI a hígítással nő. KOI a vízben lévő szennyeződések oxidációjához szükséges oxigén mennyisége (mg/dm3). Nagyobb, mint a BOI, mert –– a szerves anyagok egy része biológiailag nem bontható le, –– a szervetlen anyagok is oxidálódnak (kálium-permanganáttal, vagy bikromáttal), –– A klorid ionok is oxidálódhatnak, de ez HgSO4-el kivédhető. TOD (total oxigen demand): nitrogén vivőgázban végzik el az oxidációt. A KOI általában a TOD 88–95%-a. TOC (total organic carbon): a minta elégetése után a szén-dioxid mennyiségét mérik. Szervetlen szennyeződések: –– oldott só mennyisége általában több, mint16 000 g/m3; –– a kloridion mennyisége is meghaladhatja a 15 000 g/m3-t; –– szulfidok: kellemetlen szagot okoznak, 1 g/m3 felett toxikusak; –– nehézfémek: ipari szennyvizekből kerülhetnek be, toxikusak. Foszfátok: szintetikus mosószerekkel kerülnek a szennyvízbe, eutrofizációt okoznak. Csapadékvíz hatása: –– abszorbeálja a légkör szennyeződéseit (gázok, por); –– radioaktív szennyeződést tartalmazhat; –– talajszemcséket, talajszennyeződést sodorhat magával;

62


II/14. évfolyam

–– hígítja a szennyvizet, ezzel csökkenti a tisztítás hatásfokát, ugyanakkor növeli a kezelendő szennyvíz mennyiségét. Ezért, amennyiben van rá lehetőség, akkor a csapadékvíz elvezetésére külön csatornarendszert építenek ki, amely a telepen a záportározóba csatlakozik.

Természetes szennyvíztisztítás Hígítás: az élővizek öntisztító-képességük határáig (mely közvetlen méréssel meghatározható) a bevezetett szennyező-anyagokat lebontják. Szennyvízöntözés: előülepítés után általában barázdás öntözésű nyárfásokat (nyírfásokat, füzeseket) használnak a szennyvíz tisztítására. A fákat bakhátra ültetik, így a szennyvíz közvetlenül a fák gyökérzónájához jut. A telepített erdőt elvezető árokkal kell körülvenni. Talajszűrés: olyan talajszerkezet esetében alkalmazható, amely legalább napi 50 mm vízáteresztő-képességgel rendelkezik. Terhelhetőség: naponta 1–2-szer lökésszerűen rávezetett 5–30 cm vízborítás. A terület 5–15 év alatt elveszti szűrőképességét. Tavas szennyvíztisztítás: –– Anaerob szennyvíztavak: 2 m körüli mélységű, bűzös üzemű, földmedrű tározók, melyek legfeljebb rácsos előtisztítást igényelnek. Védőtávolság min. 500 m. –– Fakultatív tavak: a felső 40–60 cm-es réteg aerob, az alatta lévő anaerob. Hőmérsékletre és szennyvízmennyiség-változásra érzékenyek. Előnyös a ≈ 0,5 órás előülepítés. –– Aerob tavak: időszakosan mesterséges oxigénbevitelt, levegőztetést (aerátorok) alkalmaznak. Bevezetés előtt legalább 1 órás ülepítés szükséges. –– Halastavak: a halak védelme érdekében legalább 4 g/m3 oldott oxigén, 2 órás előülepítés, és 3–5-szörös hígító víz szükséges. Ezeket a tavakat a felsorolásnak megfelelő sorrendben egymás után is lehet kapcsolni. Tőzegtelep: a tőzeggel való elkeverés és hathetes pihentetés után akár értékesíthető is (ha van rá igény).

Szennyvizek tisztításának mechanikus módszerei, műtárgyai (I. fokozat) Hordalékfogók: fenékszintjük legalább a csatorna alatt 1m-re van. Olyan darabos anyagok megfogására szolgál, amelyek d > 50 mm. Durva- és finomrácsok: főleg nagyméretű uszadékok kiszűrésére használják (pl. gépi tisztítású íves rács). Homokfogók, ülepítők: homokfogóként vízszintes, hosszanti átfolyású ülepítőt, vagy légbefúvásos homokfogót, előülepítőként lipcsei típusú, utóülepítőként Dorr-ülepítőt alkalmaznak. Kétszintes ülepítők: előülepítésre és a leülepedett iszap előkezelésére használják. Legalább 90 napos mennyiség tárolására legyen alkalmas. Felúsztató berendezések: zsír-, olaj-, benzin- és habfogók.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

63

Biológiai szennyvíztisztítás (II. fokozat) Eleveniszapos szennyvíztisztítás Egy medencében (Dorr-ülepítő) a tápanyag és a mikroorganizmusok diszperz rendszert alkotnak. A szennyvizet medencébe vezetik, amelyben a tápanyag és a mikroorganizmusok diszperz rendszert alkotva, a vízben lebegve vannak jelen, és ahol a kétféle anyag keveredését, valamint az oxigénbevitelt levegőztetés útján biztosítják. Az oxigénbevitel történhet felszíni (Kessener-kefe), felszínközeli nagybuborékos (INKA injektor) és mélységi finombuborékos (diffúzor, perforált műanyag, vagy gumi lemez) módszerrel. Az eleveniszapos rendszerek csoportosítása Kis terhelésű, totáloxidációs rendszer. A vízben jelenlévő szerves anyagok mennyisége (BOI) kisebb, mint amennyire a mikroorganizmusoknak szükségük lenne. Minden szerves anyag lebontása megtörténik, amely a szennyvízben volt, és amely a lebontás során termelődött. Végül a mikroorganizmusok saját testüket is felélik. Nagy terhelésű teljes biológiai tisztítás. A mikroorganizmusoknak nagy mennyiségű tápanyag áll rendelkezésére, így szaporodhatnak is. A keletkező biológiai iszap leválasztását az eleveniszapos medencét követő utóülepítő végzi. A szennyvízben lévő szerves anyagok teljes lebontását az teszi lehetővé, hogy az eleveniszapot recirkuláltatják. Az eleveniszapos medencében a különböző levegőztetési eljárásokkal bevitt oxigén biztosítja az aerob lebontás feltételeit. A tisztítás hatásfokát rontja ha: –– nem megfelelő a levegőztetés; –– a levegőztető, vagy utóülepítő falára iszap rakódik le, és az ott rothadásnak indul; –– a levegőztető medencében holt terek alakulnak ki; –– a szennyvízbe toxikus anyagok kerülnek; –– nem megfelelő arányú az eleveniszap recirkuláció, ezért legalább hetente ellenőrzik (Mohlmanindex).

Csepegtetőtestes szennyvíztisztítás

Lényege, hogy valamilyen szilárd anyag felületén a filmszerűen végigcsorgó szennyvíz, tápanyagtartalmánál fogva kialakítja a szerves anyagok lebontását végző mikroorganizmusok rétegét. Ez a réteg a szaporodás következtében megvastagszik, és lepényszerűen leválik. Ezért utóülepítésre az eleveniszapos eljáráshoz hasonlóan itt is szükség van. A csepegtetőtestre, vagyis a töltetre a vizet forgó permetezővel oszlatják el egyenletesen. A vékony rétegben lefolyó víz gyorsan le tud hűlni, illetve fel tud melegedni. Ezért ez a rendszer sokkal érzékenyebb az időjárásra, vagyis a hőmérséklet változására, mint az eleveniszapos, ahol a szennyvíz nagy tömegben van. Ezért a töltetes műtárgyat érdemes jól szigetelni. A szennyvíz BOI5 terhelése szerint: –– Kis terhelésű csepegtetőtestek (150–200 g BOI/m3∙d): a biológiai iszap szervesanyag-tartalmának nagy része is lebomlik. –– Nagy terhelésű csepegtetőtestek (750–1100 g BOI/m3∙d): oxigéndús utóülepített szennyvizet recirkuláltatnak a csepegtetőtestre. A vízelosztást Segner-elvű forgópermetező biztosítja. –– Merülőtárcsás csepegtetőtest: a tárcsákra tapadt mikroorganizmusok forgás közben hol tápanyaghoz jutnak, hol oxigénhez.

64


II/14. évfolyam

Utólagos biológiai tisztítás A szennyvízben ammónia formájában jelenlévő nitrogén eltávolításához az ammóniát először nitráttá kell oxidálni (nitrifikálás), majd a nitrátot könnyen oxidálható szénforráshoz felhasználva N2 gáz fog távozni a rendszerből (denitrifikálás). Ezekben a folyamatokban a következő mikroorganizmusok segítenek nekünk: –– Nitrosomonas baktérium az ammónia nitritté oxidálását végzi, nagy mennyiségű oxigénre van szüksége. –– A Nitrobacter törzs a nitritet oxidálja nitráttá. Szintén levegőztetést igényel. Ez a két folyamat egy medencében játszódik le folyamatos levegőztetés mellett 5–10 óra alatt. –– A Pseudomonas és a Micrococcus baktériumtörzsek végzik a denitrifikálást. Könnyen oxidálható szénforrásként (vagyis táplálékként) metilalkoholt adagolnak a medencébe.

Iszapkezelés Az iszapkezelés és elhelyezés fontosabb eljárásai: 1. Stabilizálás: célja, hogy a maradék szerves vegyületeket stabilizált anyaggá alakítsa át, csökkentse a szárazanyagtartalmat, a további kezelést igénylő iszapmennyiséget, pusztítsa el a patogén szervezeteket, és hogy hasznosítható végterméket lehessen nyerni. A stabilizálás aerob és anaerob technológiával is elvégezhető. Az aerob technológia telepítése olcsó beruházással megoldható, de a nagy oxigénigény miatti folyamatos levegőztetés üzemeltetési költségei magasak. Az anaerob technológia berendezései igen költséges beruházást igényelnek, viszont az üzemeltetése olcsó, sőt energiát lehet kinyerni a keletkező biogáz (metán) elégetésével. Az anaerob rothasztás 1 kg szerves anyagból kb. 1 m3 biogázt termel, amelynek metántartalma 65–70%. A lebontáshoz szükséges idő a hőmérséklettől és a „működő” baktériumoktól függ: –– Pszichrofil baktériumok 20 °C alatti hőmérsékleten tevékenykednek, még fagypont alatt sem károsodnak jelentősen. A lebontáshoz szükséges idő 50–150 nap. Keverés nélküli oldómedencék alkalmazhatók, de a hatásfok kicsi. –– A mezofil baktériumok optimális hőmérsékleti tartománya 30–38 °C. Kevertetett reaktorra van szükség, a lebontás 5–50 nap alatt végbemegy. –– Termofil baktériumok 49–57 °C között érzik magukat a legjobban. Ekkor 5–12 nap alatt elvégzik a lebontást. A patogén baktériumok legnagyobb hányada is ennél az eljárásnál pusztul el. A fűtést pedig meg lehet oldani a metán elégetésével. Ezzel az iszap vízteleníthetősége is javulni fog. 2. Iszapsűrítés: elvégezhető gravitációs sűrítőkben (ülepítő, pálcás sűrítő), de flotálással is. 3. Kondicionálás: célja az iszapvíz leadásának elősegítése. Megoldható melegítéssel, vagy vegyszer adagolásával. Egyre elterjedtebb eljárás a mészpor bekeverése. Mind a két hatás érvényesül, mert a mészoltás hőt is fejleszt, amivel fertőtlenítő hatás is jár. A magasabb pH pedig kedvező a mezőgazdasági hasznosításnál. 4. Az iszap fertőtlenítése: akkor van rá szükség, ha nagy az iszap mikrobiológiai fertőzöttsége. Megvalósítható: –– klóros oxidációval, –– hőkezeléssel, –– meszes kezeléssel, –– komposztálással. 5. Víztelenítés. Alkalmazott módszerek: –– iszapszikkasztó ágyon, –– centrifugával, –– szalagszűrő préssel, PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

65

–– vákuum-dobszűrővel. 6. Szárítás: mezőgazdasági felhasználás esetében a szállítás és kezelés megkönnyítése érdekében történhet. Energiaigénye a víztelenítésnek akár százszorosa is lehet. A szárított iszap víztartalma 35% körüli. 7. Égetés: amennyiben nincs igény az iszapra, vagy az nem hasznosítható, akkor alkalmazzák (pl. etázskemencében). 8. Komposztálás: az átmenetileg kialakuló 60 °C körüli hőmérséklet valamennyi patogén baktériumot elpusztít. 9. Szállítás, deponálás: csak akkor alkalmazandó, ha nincsen semmilyen hasznosítási lehetőség.

66


II/14. évfolyam

elválasztó műveletek Olyan elválasztó műveletekkel ismerkedhet meg, amelyek nagyüzemi méretek között valamilyen anyag kinyerésére használhatók, a laboratóriumban viszont vizsgálatok elvégzésére alkalmasak. Ilyenek: –– szilárd-folyadék extrakció, –– folyadék-folyadék extrakció, –– bepárlás, –– desztilláció, –– vízgőzdesztillálás.

Extrakció Az extrakció kivonást, kioldást jelent. Két feltétele van: –– legyen legalább egy anyag, amelyik oldható; –– legyen legalább egy anyag, amelyik nem oldható. Kioldást végezhetünk szilárd anyagokból, folyadékokból és gázokból is. Az utóbbit azonban nem szokás extrakciónak nevezni, inkább a kimosódás szót használjuk rá, pl. az eső kimossa a levegőben lévő széndioxidot, kén- és nitrogén-oxidokat és ettől savassá válik. A szilárd anyagból és folyadékból való extrakció gyakorlati megvalósításának lépései: –– érintkeztetés, bekeverés; –– elválasztás; –– oldószer visszanyerése (desztillálás); –– maradék anyag oldószer-mentesítése (raffinálás).

Szilárd-folyadék extrakció és berendezései A szilárd anyagból való kioldást szokták kilúgozásnak is nevezni. Szilárd anyagból kioldhatunk olyan hatóanyag-tartalmat, amely számunkra hasznos (pl. kávéfőzés, teakészítés, leves, stb.), vagy eltávolíthatjuk a környezetre káros, veszélyes, esetleg mérgező anyagokat. Az eljárás lehet: Szakaszos: –– Soxhlet-extraktor: jobb oldalon a laboratóriumban használt készülék ábrája látható (1. gyakorlat), az ipari méretű készülékeknél a fűtött oldószer-tartály, a kioldó egység és a hűtő (hőcserélő) kondenzátor egymástól elkülönítve helyezkednek el, és közöttük csővezetéken közlekedik az anyag; –– szűrőbetétes kád; –– keverős extraktor.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

67

Folyamatos eljárások A folyamatos eljárások fő jellegzetessége, hogy mind a szilárd-folyadék, mind a folyadékfolyadék extrakciónál az ellenáram elvének érvényesülnie. Ez teszi igazán hatékonnyá a műveletet. Azt jelenti, hogy az oldat nagy mennyiségű kioldandó anyaggal lép kölcsönhatásba, így a telítés mértékéig tud még oldani, a kis mennyiségű kioldandó komponenst tartalmazó anyag pedig tiszta oldószerrel találkozik, így még azt a kicsit is el tudja távolítani. Bollman-extraktor (serleges) A körbejáró kosarakba (serlegekbe) töltött szilárd anyagon keresztülfolyik (egyik kosárból a másikba) a rápermetezett oldószer, majd alul összegyűlik. Az összegyűlt híg oldatot permetezik a kilúgozatlan anyagra, mert abból még tud kioldani. A tömény oldat is alul gyűlik össze, ahonnan folyamatosan elszállítják az oldószer visszanyerő berendezésbe (bepárló).

68


II/14. évfolyam

U-extraktor

Folyadék-folyadék extrakció és berendezései Valamilyen hatóanyag, ill. veszélyes, vagy károsító anyag eltávolítását valamely folyadékból meg lehet oldani olyan oldószer alkalmazásával, amelyben az jobban oldódik, mint az eredeti oldószerben (általában vízben). A kioldás alapvető törvényszerűsége a Nernsttörvény, amely kimondja, hogy ha egy anyag két oldószerben is oldódik, akkor egyensúlyi helyzetben, a két oldószerben való koncentrációjának hányadosa a koncentrációtól függetlenül állandó: K = c2/c1. Ebből következően a kioldás sokkal hatékonyabb, ha a kioldásra szánt oldószert több részletben használjuk fel. A lépések számát gazdaságossági számításokkal kell meghatározni. Feltétele, hogy: –– a kivonandó anyag jobban oldódjon az új oldószerben, mint az eredetiben; –– a fázisok extrakció után elválaszthatók legyenek. A megfelelő oldószert, tehát a következő szempontok szerint választják ki: –– ne elegyedjen az extrahálandó fázissal; –– jól és szelektíven oldja a kivonandó anyagot; –– ne lépjen vele kémiai reakcióba; –– a nyert oldatból könnyen eltávolítható legyen; –– nagy legyen a fázisok közötti sűrűségkülönbség; –– legyen olcsó és veszélytelen.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

69

Az extrakció gyakorlati megvalósításának készülékei Szakaszos: –– választótölcsér: a laboratóriumi kioldás eszköze (2. gyakorlat); –– keverő-ülepítő tartály nézőszakasszal és szelepsorral; –– emulgeáló szivattyú (SIHI) + szeparátor. Folyamatos: –– permetezett extraktor (üres torony), –– töltelékes tornyok, –– perforált tányéros torony, –– forgókorongos torony. Házi feladat Egy üzemben naponta 9 m3 3 g/dm3 fenol tartalmú szennyvíz keletkezik. A fenol tartalmat extrahálással vonják ki. A művelet elvégzését előre megtervezik. Oldószerként széntetrakloridot (CCl4) alkalmaznak. Az oldószerben a fenol 17-szer jobban oldódik, mint a vízben, tehát a Nernst-törvény megoszlási hányadosa: k = 17. A 3 m3 oldószerrel a víz fenol tartalmának hány %-a távolítható el, ha: –– egyszerre keverik be az oldószert, –– két adagban keverik be az oldószert, –– három adagban (3×1 m3) végzik a kioldást.

Bepárlás, desztilláció Bepárlásnak nevezzük azt a fizikai elválasztó műveletet, amelynek során szilárd anyag(ok) oldatából

oldószert párologtatunk el. A bepárlás célja a következő lehet: –– oldószer kinyerése, –– szilárd anyag kinyerése, –– oldat töményítése.

Desztillációnak folyadék-folyadék elegyek hő hatására forráspont alapján létrejövő szétválasztását nevezzük, melynek során elpárologtatást és kondenzáltatást végzünk. Az egymással minden arányban elegyedő folyadékokat forráspontjuk szerint két nagy csoportba soroljuk: 1. Változó forráspontú, vagy ideális elegyek: jellemző rájuk, hogy bármilyen arányú elegyük forráspontja és kondenzálódási hőmérséklete nem azonos. Csak a tiszta oldószernél esik a kettő egybe. Az elegyek forráspontja a tiszta oldószerek forráspontja között a koncentráció függvényében folyamatosan változik (pl. benzol-toluol elegy). 2. Forráspont szélsőértékkel rendelkező, vagy azeotrópos elegyek: jellemző rájuk, hogy található egy olyan elegykoncentráció, amelynél a forráspont egybeesik a kondenzálódási hőmérséklettel. Attól függően, hogy ez milyen értékű, lehet: –– forráspont minimummal rendelkező elegy (pl. alkohol-víz), vagy –– forráspont maximummal rendelkező elegy (pl. salétromsav-víz).

70


II/14. évfolyam

A desztillációt két módon valósíthatjuk meg: 1. Részlegesen párologtatunk el, de teljes mértékben kondenzáltatunk. Ezt az eljárást nevezzük frakcionált desztillációnak (3. gyakorlat). A frakcionált desztillálást többször egymás után elvégezve a desztillátum (pára) dúsul az illékonyabb komponensben. Ideális elegyek esetében végtelen lépés után az alacsonyabb forráspontú komponens tisztán kinyerhető. Forráspontminimummal rendelkező elegyek esetében a pára összetétele az azeotrópos koncentrációhoz tart. 2. Teljes mértékben párologtatunk el, de csak részlegesen kondenzáltatunk. Ezt az eljárást nevezzük deflegmációnak. A deflegmációt többször egymás után elvégezve a kondenzátum folyamatosan dúsul a magasabb forráspontú komponensben. Ideális elegyek esetében végtelen lépés után a magasabb forráspontú komponens tisztán kinyerhető. Forráspont-maximummal rendelkező elegyek esetében a kondenzátum összetétele az azeotrópos koncentrációhoz tart.

Rektifikálás A rektifikálás egy olyan speciális desztillációs eljárás, amelynek során a frakcionált desztillációt és a deflegmálást egyszerre alkalmazzuk. A műveletre szolgáló berendezés a rektifikáló torony, vagy oszlop. A toronyban vagy tálcák, ill. tányérok vannak elhelyezve vagy pedig valamilyen töltelék-testekkel (Raschig-gyűrű, nyeregtest) van megtöltve. Az utóbbi esetben un. elméleti tányérszámot számolnak, amely azt jelenti, hogy az elért hatásfok milyen tányérszámú tálcás kolonnának felel meg. A rektifikálás tulajdonképpen deflegmációval kezdődik: a többkomponensű folyadékelegyet teljes mértékben (általában csőkemencében) gőzzé alakítjuk. A gőz egy része a valamivel hidegebb kolonnába jutva azonnal kondenzálódik, és egy túlfolyón keresztül az egy szinttel lejjebb lévő tányérra (ill. a kolonna aljába) kerül. A gőzök felfelé szállnak. A magasabb szinteken lévő kondenzátumon a gőzök átbuborékolnak, és egyrészt belőlük valamennyi kondenzálódik, másrészt hőjüket átadva a folyadékból illékonyabb alkotókat hajtanak ki. Ennek következtében a kolonnában felfelé haladva az egymás után következő tányérokon a kondenzátum egyre dúsabb lesz a magasabb forráspontú komponensekben. A torony tetején a legillékonyabb alkotórész gőzei távoznak. A távozó gőzöket hűtéssel kondenzáltatják, majd a kondenzátum egy részét a kolonna felső részének hűtése, ill. a jobb elválasztás érdekében visszavezetik. Ezt a kolonna felső részébe visszavezetett kondenzátum-hányadot nevezik refluxnak. A rektifikáló oszlop arra is alkalmas, hogy a különböző magasságokban lévő tányérokról különböző összetételű, ill. koncentrációjú folyadékelegyeket vegyünk le. A levett párlatokból az illékonyabb komponenseket a kolonnán kívül ún. kigőzölögtetőkben még ki szokták hajtani, és a gőzöket visszavezetik a rektifikáló oszlopba.

Vízgőz-desztilláció Alapja a Dalton-törvény, vagyis, hogy a gőzfázisban a komponensek parciális nyomásai additívak. Ez azt jelenti, hogy egymással nem elegyedő folyadékok esetében is a gőznyomást a komponensek gőznyomásának összege adja, függetlenül a kérdéses komponensek folyadékfázisú koncentrációjától. Például a víz és az illóolajok folyadékfázisban nem elegyednek, de tenziójuk összege hamarabb éri el az atmoszférikus (külső) nyomást, ennek következtében a forráspont alacsonyabb lesz, mint a legalacsonyabb forráspontú komponens forráspontja (4. gyakorlat). Mivel a vízgőz-desztillációnál az egyik komponens a víz, a desztilláció általában 100 °C-nál alacsonyabb hőmérsékleten végezhető. Alkalmazható magas forráspontú, vízzel nem elegyedő anyagok kíméletes desztillációjára. PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

71

gyakorlatok 1. gyakorlat

Kioldás talajmintából Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Az Ön cége szennyezett talaj ártalmatlanításával foglalkozik. Egy régi, korrodálódott és kilyukadt földalatti üzemanyagtároló tartályt kell kiemelni a helyéről, és előzetes vizsgálatokkal fel kell mérni a kifolyt szénhidrogének által okozott károkat. Hálószerűen mintát vesznek a talajból különböző mélységekben. A minták szénhidrogén tartalmát kioldással határozza meg!


R

S

Triklór-etilén

45-36/38-52/5367

53-45-61

Belélegezve szédülést, álmosságot, fejfájást, hányingert okozhat. Ilyen esetben friss levegőre, nyugalomra van szükség. Használatakor védőkesztyű és szemüveg használata kötelező!

Nincs

Nincs

Lenyelve hányingert, hányást, hasi fájdalmat, hasmenést okozhat.

Cl

Cl C

C Cl

H

1,1,2-triklóretén (régi név: triklór-etilén) Na2SO4 (vízmentes) Ioncserélt víz Szükséges eszközök: táramérleg, Soxhlet-készülék, rezsó, mérőhenger, tölcsér, szűrőkarika, állvány,1000-es és 100-as mérőlombikok, UV-VIS spektrofotométer 1. A minta előkészítése: –– homogenizálja a talajmintát, –– kimér 10 g-ot, –– extrakciós hüvelyben, vagy szűrőpapírba csomagolva elhelyezi a Soxhlet feltétben. 2. Kioldás: –– 200 cm3 triklór-etilént mér 250 cm3-es gömblombikba, –– összeszereli a készüléket, –– vízfürdőt és rezsót helyez alá, –– megkezdi az oldószer átdesztillálását (forráspont 87 °C), –– a desztilláció megindulásától számítva 60 percen keresztül végzi a kioldást, –– a kioldást a vizsgált talajminta vételi helyéről származó, de szennyezetlen talajmintával megismétli (vakpróba). 3. Koncentráció meghatározása: –– az extraktumot vízmentes nátrium-szulfáttal szárítja, majd szűrőpapíron szűri jól záró üvegbe, ebben az üvegben tartja a fotometriás vizsgálatig; –– oldatsorozatot készít az olajból a következő koncentrációkkal: 0,01; 0,025; 0,05; 0,1; 0,25 g/dm3; –– méri az oldatok abszorbanciáját; –– kalibrációs görbét készít; –– a szárított extraktumnak is méri az abszorbanciáját. Számítások: az extraktum koncentrációjából számítja a talajminta olajtartalmát (g/kg).

72


II/14. évfolyam

Dokumentálás szempontjai: –– a vizsgálat menetének leírása, –– kalibrálási görbe készítése, –– az extraktum abszorbanciájából a koncentráció meghatározása, –– a talajminta olajtartalmának kiszámítása.

Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások pontossága; –– a munka kivitelezése, együttműködés a társakkal.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

73

2. gyakorlat

szoe meghatározása talajvízből Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Az Ön cége szennyezett talaj ártalmatlanításával foglalkozik. Egy régi, korrodálódott és kilyukadt földalatti üzemanyagtároló tartályt kell kiemelni a helyéről, és előzetes vizsgálatokkal fel kell mérni a kifolyt szénhidrogének által okozott károkat. A kifolyt olaj elérte a talajvizet is. A szennyezett területre telepített figyelő kutakból vett minták szénhidrogén tartalmát kioldással határozza meg.


R

S

Triklór-etilén

45-36/38-52/5367

53-45-61


Nincs

Nincs

Lenyelve hányingert, hányást, hasi fájdalmat, hasmenést okozhat.

Cl

Cl C

C Cl

H

1,1,2-triklóretén (régi név: triklór-etilén) Na2SO4 (vízmentes) Ioncserélt víz Szükséges eszközök: választótölcsér, mérőhenger, tölcsér, szűrőkarika, állvány,1000-es és 100-as mérőlombikok, UVVIS spektrofotométer 1. Kioldás: –– 500 cm3 talajvíz mintát mér választótölcsérbe; –– hozzáad 20 cm3 triklór-etilént; –– 2 percig intenzíven kell ráznia, hogy a két folyadék összekeveredjen; –– ezután pihentetve vár addig, amíg a két fázis élesen szét nem válik, a triklór-etilén sűrűsége jóval nagyobb a vízénél (1,5 g/cm3), ezért alul fog elhelyezkedni; –– az extraktumot jól záródó (csiszolt dugós) üvegbe engedi le; –– a műveletet megismétli két további 20 cm3-es oldószer mennyiséggel; –– a kioldást a vételi helyről származó, de szennyezetlen vizű figyelőkútból vett mintával megismétli (vakpróba). 2. Koncentráció meghatározása: –– az extraktumot vízmentes nátrium-szulfáttal szárítja, majd szűrőpapíron szűri jól záró üvegbe, ebben az üvegben tartja a fotometriás vizsgálatig; –– oldatsorozatot készít az olajból a következő koncentrációkkal: 0,01; 0,025; 0,05; 0,1; 0,25 g/dm3; –– méri az oldatok abszorbanciáját; –– kalibrációs görbét készít; –– a szárított extraktumnak is méri az abszorbanciáját. Számítások: az extraktum koncentrációjából számítja a talajvíz olajtartalmát (mg/dm3).

74


II/14. évfolyam

Dokumentálás szempontjai: –– a vizsgálat menetének leírása; –– kalibrálási görbe készítése; –– az extraktum abszorbanciájából a koncentráció meghatározása; –– talajvíz olajtartalmának kiszámítása.

Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások pontossága; –– a munka kivitelezése, együttműködés a társakkal.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

75

3. gyakorlat

Oldószer visszanyerése extraktumból Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Ön egy olyan laboratóriumban dolgozik, ahol szennyezett talaj, talajvíz és szennyvíz SZOE-tartalmát határozzák meg. Feladata többek között az is, hogy az extraktumból az oldószert visszanyerje. Ehhez desztilláló készüléket kell összeszerelnie és az extraktumból az oldószert le kell desztillálnia.


R

S

Triklór-etilén

45-36/38-52/5367

53-45-61

Cl

Cl C

C Cl

H


1,1,2-triklóretén (régi név: triklór-etilén) Ioncserélt víz Szükséges eszközök: desztilláló készülék, rezsó, szedőedény, csiszoltdugós üveg 1. Készülékszerelés: a desztilláló készüléket a tanulói jegyzetben lévő rajz szerint desztilláló feltéttel, vagy függőleges elrendezésben, szegedi pipával szereli össze. Ügyeljen arra, hogy a készülék minden része állványhoz legyen rögzítve! 2. Desztillálás: a melegítés hatására megindul a gőzképződés, amely a hűtőben kondenzál. A desztillálást mindaddig folytatja, amíg a gőz útjába helyezett hőmérőn a hőmérséklet emelkedni nem kezd. (Desztillálás közben triklór-etilén esetében 87 °C-ot fog mutatni.) 3. A desztillátum ellenőrzése: ultraibolya fotométerrel méri a kondenzált oldószer abszorbanciáját, és összehasonlítja a SZOE meghatározásnál készített kalibrációs görbével, vagy tiszta triklór-etilén abszorbanciájával. Dokumentálás szempontjai: –– a gyakorlat menetének leírása, –– a használt készülék rajza, –– az abszorbanciájából a desztillátum tisztaságának meghatározása. Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma –– a munka kivitelezése, együttműködés a társakkal; –– munkavédelmi előírások betartása.

76


II/14. évfolyam

4. gyakorlat

Növények illóolajtartalmának meghatározása Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Ön egy olyan laboratóriumban dolgozik, ahol hulladékok hasznosíthatóságát vizsgálják. Feladata többek között az is, hogy megállapítsa érdemes-e valamely növényi hulladék illóolaját kinyerni. Ehhez vízgőzdesztilláló készüléket kell összeszerelnie és megmérni az átdesztillálható olaj mennyiségét.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 180 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt. Szükséges eszközök: táramérleg, desztilláló készülék, gőzkazán, rezsó, szedőedény, választótölcsér, mérőhenger. 1. Készülékszerelés: –– a vizsgálandó növényi részekből (levél, virágszirom, vagy termés) bemér a gömblombikba 30 g-ot; –– beletölt kb. 300 cm3 ioncserélt vizet; –– a desztilláló készüléket összeköti a gőzkazánnal; –– ügyeljen arra, hogy a készülék minden része állványhoz legyen rögzítve! 2. Desztillálás: a melegítés hatására megindul a gőzképződés, amely a gömblombikból illóolajat visz magával, és a hűtőben kondenzál. A szedőedényben a két komponens két fázisra válik szét. A desztillálást 120 percig végzi. 3. Az olaj elválasztása: választótölcsérrel történik. 4. Az olaj mennyiségének mérése: 10 cm3-es mérőhengerrel. Dokumentálás szempontjai: –– a gyakorlat menetének leírása, –– a használt készülék rajza, –– a növény illóolaj tartalmának kiszámítása (cm3/kg). Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– a munka kivitelezése, együttműködés a társakkal; –– munkavédelmi előírások betartása.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

77

felúsztatás, flotálás Olyan, elválasztó műveleteket segítő megoldásokkal ismerkedhet meg, amelyek durva diszperz rendszereknek vízzel azonos, vagy ahhoz közeli sűrűségű, lebegő anyagainak ülepítését, vagy felúszását teszik lehetővé. Ilyenek: –– merülőfalak és terelőlemezek alkalmazása, –– flotálószerek adagolása, –– levegőztetés, –– centrifugális erőtér.

A felúsztatás Célja a víznél kisebb sűrűségű zsír- és olajcseppek, vagy a kolloid tartományhoz közel álló részecskéknek a folyadék felszínére való juttatása. Amennyiben az olajcseppek átmérője 150 µm-nél nagyobbak, akkor az elválasztás egyszerű olajfogóban (zsírfogóban) megoldható. A műtárgy a rendelkezésre álló hely függvényében változatos formában elkészíthető, mindössze egy merülőfallal a felúszó zsír, vagy olaj továbbhaladását kell megakadályozni, így az a felszínről lekanalazható. Kisebb cseppek is (60 µm-ig) felúsztathatók, ha terelőlemezekkel befolyásoljuk az áramlási viszonyokat. (1. gyakorló feladat). A lemezeket több irányban és dőlésszöggel is telepíthetjük attól függően, hogy milyen hatást kívánunk elérni: –– Vízszintesen, vagy ferdén elhelyezett lemezek megrövidíti azt a távolságot, amelyen az egyes olajcseppeknek fel kell úszni, így a lassabban felúszó, kisebb cseppek is elkülöníthetők. A felúszó cseppek a lemezeken összegyűlnek és egyesülnek. Így amikor a vízáram kisodorja az olajat a lemez alól, már gyorsan a felszínre tud jutni. A vízszintes elrendezés akkor hatékony, ha a vízben csak felúszó anyagok vannak jelen. Ülepedő és felúszó anyagok együttes jelenléte esetén, a ferdén elhelyezett lemezek a hatékonyabbak. A cseppek a lemez alján, míg a kiülepedő szemcsék a lemezen gyűlnek össze. A ferde lemezről az iszap könnyebben lecsúszik a medence aljára. A lemezek dőlésszöge függhet a felúszó és ülepedő anyagok arányától is. –– Vízszintes átfolyású flotációs medencékben hosszanti irányú függőleges lamellákat is el lehet helyezni. Ezek azzal segítik elő a felúszást, hogy csökkentik a Reynolds-számot, és ezzel az esetlegesen előforduló turbulencia esélyét is. A felúsztatás gyorsabbá és hatékonyabbá tehető egyes esetekben, ha flotálószert adagolunk. A vegyszer adagolása azonban nem mindig a legjobb megoldás, mert jelentősen megnöveli a költségeket, és a további kezelést igénylő anyagok mennyiségét. Használatuk indokolt lehet a következő esetekben: –– Stabil emulziók esetében a szétválasztás elősegíthető emulzióbontó szerekkel. Ilyenek pl. a kénsav, vagy a kalcium-klorid. –– Előfordul, hogy a durva diszperz rendszer azért nem válik szét, mert a víznél nagyobb sűrűségű szemcsékre olajcseppek tapadnak. Így olyan konglomerátumok alakulnak ki, amelyek látszólagos (együttes) sűrűsége a vízével azonos, tehát lebegésben maradnak. Nedvesítőszerekkel találkozva 78


II/14. évfolyam

a szilárd szemcsék elválnak az olajtól. Ezek után a szilárd anyag ülepedni fog, az olaj pedig felúszik. –– Amikor kicsi a sűrűségkülönbség a víz és az elválasztandó anyag között, akkor megnövelhetjük a felhajtóerőt habképző anyagokkal, és ezáltal nagy mennyiségű anyagot kezelhetünk kis térfogatban.

Flotálás Megnövelhetjük a felhajtóerőt úgy is, hogy buborékok formájában levegőt juttatunk a vízbe. (1. gyakorló feladat). A légbuborékok adszorbeálódnak a lebegő szilárd szemcséken, vagy a nem elegyedő folyadékcseppeken. Az így létrejövő szilárd-gáz, vagy folyadék-gáz konglomerátumok sűrűsége lényegesen kisebb lesz a víz sűrűségénél, ezért a felhajtóerő felúszásra kényszeríti őket. A flotációt a papíriparban vezették be szilárd szennyeződések (pl. nyomdafesték) eltávolítására, de kiválóan alkalmas élelmiszer-ipari (vágóhídi, konzervgyári, borgazdasági stb.) szennyvizek megfelelő tisztítására is. A flotáció olajos szennyvizek kezelésére különösen alkalmas, mert az olaj a szennyvízben levő lebegőanyagot gyakran bevonja, ezáltal annak kiülepedését megakadályozza, a flotáció ugyanakkor mindkét szennyezést együtt távolítja el. A levegő bevitele történhet: 1. Közvetlen buborékoltatással (diffúzorokkal, mikropórusos gumi, vagy műanyag paplanokkal), kis diszperzitású (vagyis aránylag nagy cseppekből álló) emulzióknál jól használhatók. 2. Nagyobb diszperzitásfoknál előnyösebb a szennyvízben 0,2–0,4 MPa nyomáson oldott levegőt alkalmazni. A tisztítandó folyadékot nyomáscsökkentő szelepen átengedve a túltelített levegőmennyiség néhány mikrométer átmérőjű buborékok formájában távozik, magával ragadva a kolloid méretű olajat és lebegőanyagot is. A flotációs rendszerek három típusát alkalmazzák: –– nagy olajtartalom esetén a teljes szennyvízáramot nyomás alá helyezik és levegővel telítik; –– kisebb olajtartalomnál a szennyvízáramnak csak egy részét, általában egyharmadát telítik; –– leggyakrabban a tisztított víz egy részét recirkuláltatják, és levegővel telítés után keverik a tisztítandó szennyvízhez, ezt különösen akkor alkalmazzák, ha a levegővel való telítéskor az intenzív keverés a szennyvíz olaj- és lebegőanyag-tartalmát tovább diszpergálná. 3. Víz elektrolízisével (elektroflotálás).

Centrifugális erőtér A folyadékban lévő, nem oldódó cseppekre és szemcsékre ható erő a sűrűségkülönbségből származik, és a gravitáció idézi elő. Ha elég nagy, akkor a részecskéket lefelé, vagy fölfelé irányuló mozgásra kényszeríti, tehát az anyag ülepedni fog, vagy felúszik. Amennyiben nagyon kicsi a sűrűségkülönbség, akkor ez az erő nem elegendő ahhoz, hogy legyőzze a súrlódást, vagyis nem mozdul. Centrifugális erőtérbe helyezve azonban a gravitációnál sokkal nagyobb erő fog rá hatni, egészen pontosan az r∙ω2/g hányadosnak megfelelő arányú. A sűrűségkülönbség nem változik, a belőle származó mozgató erő viszont annyiszorosára nő, amekkora ez a hányados (a centrifuga jelzőszáma). Ez már elegendő, hogy a súrlódó erőt legyőzze, tehát mozogni kezd. Attól függően, hogy a sűrűsége kisebb, vagy nagyobb annak a közegnek a sűrűségénél, amelyben tartózkodik, a forgás tengelyéhez közelít, vagy távolodik tőle. Folyadéktömeget forgatva, tehát el tudjuk érni, hogy olyan egymáshoz közeli (nem azonos!) sűrűségű anyagok is elváljanak egymástól, amelyek gravitációval nem különíthetők el, valamint meg tudjuk gyorsítani a PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

79

lassan végbemenő ülepedési folyamatokat. A folyadék forgatására alkalmas megoldásokat két csoportba sorolhatjuk. Ezek: –– A folyadékot tartalmazó berendezés együtt forog a folyadékkal. Ezek a centrifugák. A betöltés és ürítés módja szerint vannak szakaszos és folyamatos üzemű centrifugák. A leggyakrabban használt szakaszos üzemű az ingacentrifuga:

Folyamatos üzeműek:

80


II/14. évfolyam

–– A folyadékot tartalmazó berendezés nem forog együtt a folyadékkal. Ezeknél a berendezéseknél a víz forgatását valamilyen keverő szerkezettel (2. gyakorló feladat) lehet megoldani, vagy a vizet tangenciálisan (érintő irányból) vezetik be, és annak mozgási energiája fogja megforgatni a víztömeget. Főleg olaj elválasztására használhatók, mert az a középen kialakuló tölcsérből könnyen eltávolítható.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

81



Mérés dátuma: .......................................

Feladat:

A felúsztatás vizsgálata Egy ülepítőt kell átalakítania úgy, hogy az alkalmassá váljon a szennyvíz olajtartalmának eltávolítására. Kísérleteivel találnia kell olyan megoldást, amely a merülőfalak, a terelő lemezek elhelyezésének változtatásával, és ha kell, akkor levegőztetéssel elfogadható mértékű olajkinyerést tud elérni. Az eredményt a távozó víz olajtartalmának vizsgálatával kell alátámasztania. A vizsgálatot elvégezheti centrifugával, vagy SZOE meghatározásával.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 180 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt. 1. Emulzió készítése: –– kimér 100 cm3 olajat; –– 8 liter vízzel keverteti 5 percig; –– közben csatlakoztatja a szivattyút az ülepítőhöz; –– beindítja a szivattyút; –– a keverőt a kísérlet teljes ideje alatt folyamatosan üzemelteti. 2. Áramlási viszonyok változtatása: –– merülőfalak elhelyezése, –– mintavétel a távozó vízből, –– terelőlemezek elhelyezése, –– mintavétel a távozó vízből, –– változtatások a terelőlemezek elhelyezésén (az Ön fantáziájára van bízva), –– mintavétel a távozó vízből minden változtatás után, –– a maradék olajtartalom meghatározása (centrifugával, vagy kioldással). 3. Levegőztetés: –– behelyez egy diffúzort a kádba; –– elindítja a kompresszort, először kis mennyiséget állít be a rotaméter alapján, feljegyzi a levegő térfogatáramát; –– mintát vesz; –– kétszer emel a befújt levegő mennyiségén; –– mindkétszer mintát vesz; –– meghatározza a maradék olajtartalmat; –– az eredmények összehasonlításával vonjon le következtetéseket. 4. Tervezzen magának egy kísérletet, és végezze el!

82


II/14. évfolyam

Dokumentálás szempontjai: –– tapasztalatok leírása; –– rajz a lamellák és merülőfalak elhelyezéséről, ill. azok variációiról; –– gyűjtse adatait táblázatba! Lapjával elhelyezett lemezek esetén

Függőlegesen elhelyezett lemezek esetén

Maradék olajtartalom levegőztetéssel

Maradék olajtartalom levegőztetés nélkül

Dőlési szög

Értékelés szempontjai (csak ha kell értékelni): –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– a munka kivitelezése; –– önálló kísérlet; –– következtetések, javaslatok a hatékonyság növelésére.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

83

2. gyakorlat


Mérés dátuma: .......................................

Feladat: A felúsztatás vizsgálata centrifugális erőtérben Forgó mozgást végző víztömeget kell létrehoznia mágneses keverő segítségével. Meg kell találnia azt a fordulatszámot, amellyel már a követelményeknek megfelelő arányban el tudja távolítani az olajat a vízből. Az eredményt a távozó víz olajtartalmának vizsgálatával kell alátámasztania. A vizsgálatot elvégezheti centrifugával, vagy SZOE meghatározásával.

INFORMÁCIÓS LAP A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc. A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt. 1. Emulzió készítése: –– kimér 100 cm3 olajat, –– 8 liter vízzel keverteti 10 percig, –– kivesz 500 cm3-t 1000-es főzőpohárba. 2. Elválasztás: –– a főzőpoharat változtatható sebességű mágneses keverőre helyezi; –– növeli a sebességet addig, amíg folyadéktölcsér nem alakul ki; –– megfigyeli, hogy mikor jelenik meg az olaj a tölcsérben; –– 5 perc várakozás után pipetta és Griffin-labda segítségével eltávolítja az olajat a tölcsérből; –– a vízből mintát vesz a maradék olajtartalom meghatározáshoz; –– újabb 500 cm3-rel megismétli a kísérletet 10 perces kevertetéssel; –– az 5 perces és a 10 perces elválasztást két másik (nagyobb) keverési sebességnél is elvégzi; –– (centrifugával, vagy kioldással). 3. A maradék olajtartalom meghatározása: –– minden mintából 15 cm3-t mér egy-egy centrifuga csőbe; –– a csöveket behelyezi a rotorba; –– két percig 5000 1/min sebességgel centrifugál; –– az eredmények összehasonlításával vonjon le következtetéseket! 4. Tervezzen magának egy kísérletet, és végezze el! Dokumentálás szempontjai: –– tapasztalatok leírása, –– számítás: a maradék olajtartalomból számítja az eltávolítás mértékét %-ban, –– gyűjtse adatait táblázatba!

84


10 perces Elválasztás hatásfoka (%)


Olaj megjelenés ideje (s)

3. sebesség 10 perces Elválasztás hatásfoka (%)



2. sebesség 10 perces Elválasztás hatásfoka (%)



1. sebesség

II/14. évfolyam

Értékelés szempontjai (csak ha kell értékelni): –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– a munka kivitelezése; –– önálló kísérlet; –– következtetések, javaslatok a hatékonyság növelésére.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

85

Vízlágyítás Az ipar több területén a kemény víz káros: vagy rontja a hatásfokot (mosás, kelmefestés), vagy veszélyt jelent a berendezésre (kazán). A víz keménységét a kalcium és magnézium sók okozzák. A vízlágyítás tehát ezeknek a sóknak az eltávolítását jelenti. Ennek a témakörnek az a célja, hogy megismerkedjen olyan eljárásokkal, amelyekkel csökkenteni lehet a keménységet, valamint azokkal a vizsgálati módokkal, amelyekkel ellenőrizni tudja azt.

csapadékos vízlágyítás 1. Meszes vízlágyítás: a legolcsóbb eljárások közé tartozik. Hátránya, hogy csak a karbonát keménység

(változó keménység) távozik. A lejátszódó reakciók a következők: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2 H2O Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + MgCO3 + 2 H2O MgCO3 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCO3 CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaSO4 MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCl2 NaHCO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + NaOH + H2O 2 NaHCO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + Na2CO3 + 2 H2O A meszes vízlágyításnál a nemkarbonát keménység (állandó keménység) nem csökken, csak a Mg cserélődik Ca-ra. 2. Szódás vízlágyítás: A szóda a magnéziumot nem csapja ki, mert a magnézium-karbonát aránylag jól oldódik, viszont a kalciumot igen. Ezért jól alkalmazható a meszes vízlágyítással kombinálva az ott maradó jelentős kalcium-keménység lecsapatására. A lejátszódó reakciók a következők: CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4 CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2 NaCl Ca(OH)2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2 NaOH Láthatóan a mész túladagolása többlet szódafogyasztást eredményez, ezért előzetes vizsgálatokkal és számítással meg kell határozni a pontos mennyiségeket (1. gyakorlat). Az iparban alkalmazott kombinált mész-szódás vízlágyítás folyamatábrája a következő:

86


II/14. évfolyam

3. Trisós vízlágyítás: a csapadékos lágyítási módok közül ez a leghatékonyabb, de a legdrágább is. A

lejátszódó reakciók: 3 Ca(HCO3)2 + 2 Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6 NaHCO3 3 Mg(HCO3)2 + 2 Na3PO4 = Mg3(PO4)2 + 6 NaHCO3 3 CaSO4 + 2 Na3PO4 = Ca3(PO4)2+ 3 Na2SO4 3 MgCl2 + 2 Na3PO4 = Mg3(PO4)2+ 6 NaCl A maradék keménység 0,1–0,15 nk°-ra csökkenthető.

Ioncsere Ioncserélők azok az anyagok, melyek valamely alkotórészüket egyensúlyi reakcióban az oldatból más ionokra cserélik le. Természetes ioncserélők a zeolitok. (Ioncserélő és adszorpciós tulajdonságaikat ma már a gyógyászatban is felhasználják a szervezetben felhalmozott káros anyagok eltávolítására.) A negatív töltésű aktív csoportok kationokat cserélnek, a pozitív töltésű aktív csoportok anionokat cserélnek. Ez alapján lehet kation és anion aktív műgyanta.

Kation cserélő műgyanta Aktív csoportja valamilyen savgyök, ennek erősségétől függően vannak gyengén és erősen savas műgyanták. Gyengén savas: karboxilgyököt vagy fenolos gyököt tartalmaznak, sav és só formában használják. Jellemzője: az ioncsere szelektív, a szénlánc hosszúságától függően más és más iont köt meg. PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

87

Erősen savas: nem szelektívek, minden fémiont lekötnek az oldatból és a fémion helyett hidrogéniont

és nátriumiont juttatnak a vízbe. Aktív csoportja a szénlánc végén levő szulfonsav, R-SO3– szulfanil gyök; ill. R-SO3Na szulfonát. GY-H + Me+ = GY-Me + H+ GY-Na + Me+ = GY-Me + Na+

Az anion cserélő műgyanta Valamilyen szerves amin, a N-hez kapcsolódó szerves gyökök számától függően lehetnek primer (RNH3)+ , szekunder ( R-NH2-CH)+ , tercier (R3-CH)+ , kvaterner [R-N-(CH3)3]+. A lúgosság a primertől a kvaternerig nő. Ioncserére két formában alkalmazható: hidroxil (R-NH3)OH és klorid [R-N-(CH3)3]Cl alakban: GY-Cl + NO3 - = GY-NO3 + Cl– GY-OH + Cl- = GY-Cl + OH– A gyengén lúgos gyanták (primer és szekunder aminok) szelektívek, míg az erősen lúgos kvaterner aminok nem szelektívek. Az ioncserélők általában vízben nem oldódó polielektrolitok. Gyöngypolimerizációval előállított polisztirolok és polimetakrilátok a leggyakoribbak. A gyanták ioncserélő kapacitása: Ioncserélő

Funkciós csoport

Q (ekv/kg)

Q (ekv/dm3)

Erősen savas

–SO3–

4,8–5,0

1,9–2,0

Gyengén savas

–COO –

9,5–10

3,4–3,6

Erősen lúgos

–[N(CH3)3]+Cl–

3,3–3,5

1,3–1,4

A víz lágyítása A vízlágyítást úgy végzik el, hogy amennyiben a kationt cserélő gyanta nátriumra cserél, akkor anioncserélőként klorid ciklusú gyantát használnak. A vízben levő sók helyett csak NaCl lesz. Ebben az esetben a két gyantát együtt lehet alkalmazni, ezt nevezik kevertágyas ioncserélő oszlopnak. A regenerálás is egy lépcsőben konyhasóoldattal megoldható. Ha a kationt cserélő gyanta hidrogénre cserél, akkor hidroxil ciklusú anioncserélőt használnak, így az összes só vízre cserélődik. Ezt nevezzük teljes sótalanításnak. A regenerálás ilyen esetben két lépcsőben történik: a kationcserélőt erős sav (HCl), az anioncserélőt erős lúg (NaOH) 100%-os feleslegben való alkalmazásával regenerálják.

88


II/14. évfolyam


Csapadékos vízlágyítás Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Ön egy olyan üzemben dolgozik, ahol vízlágyításra van szükség. Önnek kell meghatározni az adagolandó vegyszerek mennyiségét, és ellenőriznie kell a vízkeménységet.


R

S

CaO

14-34-41

(1/2-)22-2636/37/39-45

Az égetett mész oldáskor (mészoltás) hőt termel. A szembe kerülő mész vakságot is okozhat!

Na2CO3

36

22, 26

Ingerlő hatású

Na3PO4

36/37/38

25

Maró hatású a szemre, a bőrre és a légző rendszerre. Lenyelve maró hatású. A por belégzése tüdővizenyőt okozhat

HCl

23,35

1/2-62636/37/39-45

Maró hatású. Égő érzés. Köhögés. Nehézlégzés. Légszomj. Torokfájás. A tünetek késleltetve jelenhetnek meg. Friss levegő, nyugalom. Fél-ülő helyzet. Mesterséges lélegeztetés, ha indokolt. Orvosi ellátást kell igénybe venni.

Ioncserélt víz Szükséges eszközök: keverő, táramérleg, szivattyú, dortmundi ülepítő makett, lipcsei ülepítő, szemcsés szűrő, büretta, pipetta, Erlenmeyer-lombik 1. Vízvizsgálat: –– a lágyítandó vízből 3×100 cm3 mintát vesz és 0,1 mol/dm3 koncentrációjú sósavval titrálja metilnarancs indikátor jelenlétében → V1.; –– kiszámítja a víz lúgosságát, és abból a karbonát keménységet (változó keménység). –– 3×50 cm3 vizet murexid indikátor jelenlétében titrál 0,02 mol/dm3 koncentrációjú EDTA-val pH > 12-nél (≈ 5 cm3 5%-os NaOH) → V2; –– 3 × 50 cm3 vizet eriokromfekete-T-indikátor jelenlétében titrál 0,02 mol/dm3 koncentrációjú EDTA-val 10-es pHnál (10 cm3 puffer 10) → V3; –– a második komplexometriás titrálás fogyásából számolja az összkeménységet; –– a két komplexometriás titrálás fogyásának különbségéből számolja a magnézium keménységet; –– kiszámítja a szükséges mészmennyiséget. 2. Csapadékképzés: –– 10 l lágyítandó vízhez állandó keverés mellett hozzáadja a kiszámolt mészmennyiséget; –– 5 perc kevertetés után hozzáadja a számított mennyiségű szódát. 3. Csapadék elválasztása: erre a feladatra rendelkezésére áll lipcsei ülepítő, dortmundi ülepítő, homokszűrő. Választhat a rendelkezésére álló lehetőségekből. A cél, hogy megfelelő tisztaságú vizet nyerjen. 4. Vízvizsgálat, a maradék keménység eltávolítása: –– mintát vesz és meghatározza az összkeménységet; –– az eredménytől függően trisót adagol; –– hagyja ülepedni, majd újabb mintát vesz és gyorsteszttel ellenőrzi a keménységet.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

89

–– –– –– –– –– –– –– –– ––

Számítások: a térfogatot (V1, V2, V3) cm3-ben, a koncentrációt mmol/cm3- ben írjuk be! a sósav fogyásából az m-lúgosság: Lm = V1 ∙ cp ∙ 10; karbonát keménység (változó keménység): KK = Lm ∙ 2,8; összes keménység: ÖK = V3 ∙ cp ∙ 2 ∙ 56; nemkarbonát keménység (állandó keménység): NKK = ÖK – KK; magnézium keménység: MgK = (V3 – V2) ∙ cp ∙ 2 ∙ 56; szükséges mész mennyisége: m = (KK + MgK) ∙10 (mg/dm3); szükséges szóda mennyisége: m = NKK ∙10 ∙ 106/56 (mg/dm3); szükséges trisó mennyisége: m = (2/3) ∙ ÖK ∙10 ∙ 164/56 (mg/dm3),

Dokumentálás szempontjai: A lecsapáskor lejátszódó reakciók: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = MgCO3 + Ca(OH)2 = CO2 + Ca(OH)2 = MgSO4 + Ca(OH)2 = MgCl2 + Ca(OH)2 = CaSO4 + Na2CO3 = CaCl2 + Na2CO3 = 3 CaSO4 + 2 Na3PO4 = 3 MgCl2 + 2 Na3PO4 = Moláris tömegek: M(CaO) = M(Na2CO3) = M (Na3PO4) = Szükséges mennyiség kiszámítása reakcióegyenlet alapján: Adagolt mennyiségek: Mért keménységek: Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások pontossága; –– a munka kivitelezése, együttműködés a társakkal; –– önálló kísérlet elvégzése, ötletessége; –– következtetések.

90


II/14. évfolyam

2. gyakorlat

Vízlágyítás ioncserélővel Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Ön egy olyan laboratóriumban dolgozik, ahol nagy mennyiségű ioncserélt vízre van szükség. Önnek kell meghatározni az 5 kg kationt cserélő és a 8 kg aniont cserélő gyanta által kezelhető víz mennyiségét. Ehhez ismernie kell a kezelendő víz keménységét, valamint a gyanta kapacitását. Ebben a gyakorlatban kell meghatároznia a szükséges adatokat.


R

S

NaOH

25

1/2-26-37/39-45

Maró hatású a szemre, a bőrre és a légző rendszerre. Lenyelve maró hatású. Lenyelés esetén tilos hánytatni!

HCl

23,35

1/2-62636/37/39-45


Ioncserélt víz Szükséges eszközök: büretta, pipetta, Erlenmeyer-lombik, pH-mérő 1. Vízvizsgálat: –– 3 × 50 cm3 vizet Eriokromfekete T indikátor jelenlétében titrál 0,02 mol/dm3 koncentrációjú EDTA-val 10-es pH-nál (10 cm3 puffer 10); –– a titrálás fogyásából számolja az összes keménységet mmol/dm3-ben. 2. Ioncsere: –– kimér 5 g kationt cserélő és 8 g aniont cserélő gyantát; –– külön-külön bürettába tölti; –– az ismert keménységű vizet először a kationcserélőre adagolja; –– a lefolyó víz pH-ját méri 100 cm3-ként; –– a kationcserélőről lejövő vizet az anioncserélőre tölti; –– itt is méri a lefolyó víz pH-ját 100 cm3-ként; –– az adagolást addig folytatja, amíg a kationcserélő után a pH nem kezd emelkedni, vagy az anioncserélő után a pH nem kezd csökkenni. 3. Vízvizsgálat, a maradék keménység megállapítása. 4. Számítja a gyanta kapacitását mol/kg-ban, a lágyítható víz mennyiségét. Számítások: –– Összes keménység: ÖK = V ∙cp∙20 (mmol/dm3) –– Gyantakapacitás: Q = Vvíz∙ ÖK/mgyanta (mmol/g = mol/kg) –– A kezelhető víz mennyisége: V = Q ∙ mgyanta/ÖK

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

91

Dokumentálás szempontjai: Az ioncserénél lejátszódó reakciók: Kationcsere: Ca(HCO3)2 + 2 H-R = CaSO4 + 2 H-R = CaCl2 + 2 H-R = Mg(HCO3)2 + 2 H-R = MgSO4 + 2 H-R = MgCl2 + 2 H-R = NaHCO3 + H-R = Na2SO4 + 2 H-R = NaCl + H-R = NaH3SiO4 + H-R = Anioncsere: H2SO4 + 2HO-R = HCl + HO-R = HCO3 + 2HO-R = H4SiO4 + HO-R = Mért keménységek: Mért pH-k: Kation cserélő 1. dm

Anion cserélő

3

2. dm3 3. dm3 4. dm3 5. dm3 6. dm3 7. dm3 8. dm3 ........................................... dm3 Diagram:

Gyantakapacitás: Kezelhető víz mennyisége: Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások pontossága; –– a munka kivitelezése, együttműködés a társakkal; –– következtetések.

92


II/14. évfolyam

3. gyakorlat

Ioncserélő regenerálása Név, osztály: ........................................................................................

Mérés dátuma: .......................................

Feladat: Ön egy olyan laboratóriumban dolgozik, ahol nagy mennyiségű ioncserélt vízre van szükség. Önnek kell meghatározni az 5 kg kationt cserélő és a 8 kg aniont cserélő gyanta regenerálásához szükséges 2 mol/dm3 koncentrációjú sósav és NaOH mennyiségét, és el kell végeznie a regenerálást. Ehhez felhasználhatja az előző gyakorlatban mért, és kiszámolt adatokat (a gyanta kapacitását).


R

S

NaOH

25

1/2-26-37/39-45

Maró hatású a szemre, a bőrre és a légző rendszerre. Lenyelve maró hatású. Lenyelés esetén tilos hánytatni!

HCl

23,35

1/2-62636/37/39-45


Ioncserélt víz Szükséges eszközök: büretta, pipetta, Erlenmeyer-lombik, pH-mérő 1. A regeneráláshoz szükséges vegyszerek mennyiségének kiszámítása, és előkészítése: –– az elméletileg szükséges HCl és NaOH mennyiség kiszámítása; –– készítsen kétszer ennyi 2 mol/dm3 koncentrációjú HCl és NaOH oldatot! 2. Regenerálás: –– az 5 g kationt cserélő és 8 g aniont cserélő kimerült gyantára tölti az oldatokat (a megfelelőre); –– a lefolyó víz pH-ját méri 100 cm3-ként mindkettőnél; –– az adagolást addig folytatja, amíg a kationcserélő után a pH nem lesz erősen savas, és az anioncserélő után a pH nem lesz erősen lúgos. Számítások: –– a sósav mennyisége: V = Q ∙ mgyanta∙2/cHCl; –– a nátrium-hidroxid mennyisége: V = Q ∙ mgyanta∙2/cNaOH.

PETRIK TISZK

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

93

Dokumentálás szempontjai: A regenerálásnál lejátszódó reakciók: Kationcserélőnél: Ca-R 2 + 2 HCl = Mg-R 2 + 2 HCl = Anioncserélőnél: Cl-R + NaOH = (HCO3)-R + NaOH = Mért pH-k: Kationcserélő

Anioncserélő

....................................... cm3 ....................................... cm3 ....................................... cm3 ....................................... cm3 ....................................... cm3 ....................................... cm3 ....................................... cm3 ....................................... cm3 ....................................... cm3 Diagram:

Értékelés szempontjai: –– jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; –– számítások pontossága; –– a munka kivitelezése, együttműködés a társakkal; –– következtetések.

94


II/14. évfolyam

Függelék Ellenőrző adatok a viszkozitásmérési gyakorlatokhoz A víz dinamikai viszkozitása

A víz sűrűsége

Hőmérséklet [°C]

Viszkozitás [10-3 Pa∙s]

t [°C]

ρ [kg/m3]

0

1,797

15

999,1

5

1,525

16

998,9

10

1,301

17

998,8

15

1,138

18

998,6

20

1,006

19

998,4

25

0,8938

20

998,2

30

0,7998

21

998,0

35

0,7229

22

997,8

40

0,6563

23

997,5

60

0,4735

24

997,3

80

0,3570

95

0,2993

Höppler-viszkoziméter golyókészletének adatai Golyó átmérője

sűrűsége

CGS

SI

Mérhető minimális viszkozitás

mm

kg/m3

cP∙cm3/ (g∙s)

Pa∙m3/kg

Pa∙s

GGL

15,910

2409

1

15,805

2409

2

15,630

3

jele

Műszerállandó

0,001∙10-6

gázokra

0,01013

0,01013∙10-6

0,0006 <

2410

0,08063

0,08063∙10-6

0,003 <

15,560

8100

0,13

0,13∙10-6

0,025 <

4

15,000

7760

1,2

1,2∙10-6

0,25 <

5

13,500

7770

10,6

10,6∙10-6

2,5 <

6

10,000

7770

40,5

40,5∙10-6

e

12,500

7750

37

37∙10-6

4,5–80

10,900

7750

38

38∙10-6

5<

PETRIK TISZK

3–80

TÁMOP-2.2.3-07/1-2F-2008-0011

95

Nemzeti Fejlesztési Ügynökség ÚMFT infovonal: 06 40 638 638 [email protected] • www.nfu.hu

Környezettechnika eljárásai gyakorlat

Recommend Documents