Környezettechnika eljárásai Tanulási segédlet környezetvédelmi technikus jelölteknek.
1
Tartalom Környezettechnika eljárásai ................................................................................................................. 1 Tanulási segédlet környezetvédelmi technikus jelölteknek........................................................ 1 Gáztisztítási technológiák .................................................................................................................... 4 A szilárd anyagok (por) eltávolítására alkalmas berendezések. ................................................. 4 Száraz eljárások .................................................................................................................4 Szűrés.................................................................................................................................9 Nedves eljárások ..............................................................................................................10 II. Gáz halmazállapotú szennyezőanyagok elválasztása, ártalmatlanítása ............................... 12 Abszorpció. ......................................................................................................................12 Adszorpció. ......................................................................................................................13 Katalitikus eljárások. .......................................................................................................17 Belső égésű motorok káros anyag kibocsátásának csökkentése ......................................20 Ózon koncentrációjának csökkentése repülőkön .............................................................25 VOC ártalmatlanítás katalitikus oxidációval ...................................................................25 Ivóvíz kezelése ................................................................................................................................... 26 Vízgazdálkodás ........................................................................................................................ 26 Védőterületek...................................................................................................................26 Hidrogeológiai védőterület ..............................................................................................26 Tulajdonosi viszonyok .....................................................................................................27 Felszíni vizek kezelése. ............................................................................................................ 29 Felszíni vizek vételezése .................................................................................................29 Mélységi vizek kezelése. .......................................................................................................... 34 Gáztalanítás. ....................................................................................................................34 Vas-, mangántalanítás ......................................................................................................34 Arzénmentesítés...............................................................................................................35 Nitrátmentesítés ...............................................................................................................36 Fertőtlenítés .....................................................................................................................36 Ipari vizek tisztítása. ................................................................................................................. 36 Hűtővizek.........................................................................................................................37 Élelmiszer-ipari vizek. .....................................................................................................37 Kazántápvizek. ................................................................................................................37 Szennyvíztisztítás. .............................................................................................................................. 42 Szennyvizek tisztításának fizikai, kémiai módszerei. .............................................................. 42 Hordalékfogók: ................................................................................................................42 Gerebek és rácsok: ...........................................................................................................42 Homokfogók: ........................................................................................................................... 42 Ülepítők: ..........................................................................................................................43 Ülepítők jellemzői, méretezése: ............................................................................................... 44 Természetes szennyvíztisztítás. ................................................................................................ 46 Hígítás:.............................................................................................................................46 Gyökérzónás szennyvízöntözés: ......................................................................................47 Talajszűrés: ......................................................................................................................47 Tavas szennyvíztisztítás:..................................................................................................47 Biológiai szennyvíztisztítás. ..................................................................................................... 48 Eleveniszapos szennyvíztisztítás. ....................................................................................48 Csepegtetőtestes szennyvíztisztítás. ................................................................................49 Utólagos biológiai tisztítás: .............................................................................................49 Kémiai utótisztítás: foszfátok eltávolítása ................................................................................ 51 A lejátszódó reakciók a következők: ...............................................................................51 2
Szennyvíziszap kezelése: ......................................................................................................... 52 Rothasztás, biogáz termelés:............................................................................................52 További iszapkezelési eljárások: .....................................................................................54 Komposztálás: .................................................................................................................56 Az átmenetileg kialakuló 60 ˚C-os hőmérséklet a patogén baktériumokat is elpusztítja.56 Lerakás: ...........................................................................................................................56 Ipari szennyvizek tisztítása....................................................................................................... 56 Cianidok ártalmatlanítása ................................................................................................56 Fluoridok eltávolítása. .....................................................................................................58 Olajos szennyvizek tisztítása. ..........................................................................................59 Fenolos szennyvizek kezelése. ........................................................................................60 Semlegesítés. ...................................................................................................................62 Talajtisztítási technológiák. ................................................................................................................ 64 Talajremediáció ........................................................................................................................ 64 Kármentesítési alapelvek .................................................................................................64 Szennyezett terület felmérése pontszerű szennyezőforrás esetén ....................................65 Főbb talajszennyező anyagok származása, hatása. ..........................................................66 Növényvédő szerek talajszennyezése ..............................................................................66 Nehézfémek talajszennyezése .........................................................................................67 Kőolajszármazékok által okozott talajszennyeződések kezelése. ............................................ 67 A talajba került olaj helyzete és előfordulási formái. ......................................................67 Remediálási módszerek: ..................................................................................................68 Talajszennyezés ártalmatlanításának in situ módjai. .......................................................68 Talajszennyezés ártalmatlanításának on site módjai. ......................................................73 Zaj- és rezgésvédelem. ....................................................................................................................... 76 Hangtani alapfogalmak: ........................................................................................................... 76 Számítási példák: .............................................................................................................77 Zaj és rezgés élettani hatásai ...........................................................................................79 Zaj- és rezgéscsökkentés lehetőségei ..............................................................................80 Sugárvédelem. .................................................................................................................................... 81 Izotópok:................................................................................................................................... 81 Sugárzások. .............................................................................................................................. 83 Sugárzásra jellemző adatok. ..................................................................................................... 85 Aktivitás...........................................................................................................................85 Felezési idő. .....................................................................................................................85 Elnyelt dózis, egyenérték dózis. ......................................................................................86 Radioaktív sugárzás forrásai .................................................................................................... 87 Atombomba. ....................................................................................................................89 A radioaktív sugárzás élettani hatásai. .............................................................................90 Sugárvédelem alapelvei. ..................................................................................................92 Az atomenergia hasznosítása.................................................................................................... 93 Maghasadás. ....................................................................................................................93 Moderátorok. ...................................................................................................................93 Kritikus tömeg. ................................................................................................................94 Sokszorozási tényező. ......................................................................................................94 Szabályozás. ....................................................................................................................95 Paksi erőmű: ....................................................................................................................95 Radioaktív hulladék keletkezése Magyarországon .................................................................. 96 A radioaktív hulladék elhelyezése. ..................................................................................96 Kis és közepes aktivitású hulladék esetében. ..................................................................97 Számítási feladat. .............................................................................................................98 Irodalom. ............................................................................................................................................ 98 3
Gáztisztítási technológiák A szilárd anyagok (por) eltávolítására alkalmas berendezések. Száraz eljárások Nehézségi erő elvén működő porleválasztók fajtái: Porkamra. A gázokban levő szilárd porszemcsék közül a 10 μm-nél nagyobb átmérőjű szemcsék válaszhatók le, igazából azonban csak az 50 μm-nél nagyobb átmérőjű szemcsék leválasztásában hatékony. Ezért általában előtisztításra használják. A porkamrákban a por leválasztása azáltal következik be, hogy a kamrában a gáz áramlási sebessége a kibővülő térben annyira lecsökken, hogy a porszemcsék a nehézségi erő hatására le tudnak ülepedni a kamra fenekére.
A kamra méretezése azon alapszik, hogy a gáz tartózkodási idejének: t = egyeznie a por kiülepedési idejével: τ =
L meg kell vg
H vü
d 2 ρsz ρg g A por ülepedési sebessége a Stokes egyenlettel számítható: vü = ahol ρsz a 18ηg por, ρg a gáz sűrűsége (kg/m3), η a gáz dinamikus viszkozitása (Pa∙s), d pedig a határszemcse átmérője. 4
Határszemcse: az a legkisebb méretű szemcse, amelynél nagyobbakat a porleválasztó elméletileg teljesen leválaszt, a kisebb szemcséket viszont egyáltalán nem. Számítási példa: 2 m magas, 3,2 m szélességű porkamrát tudunk kialakítani 64800 m 3/d füstgáz tisztításához. Az ülepedési sebesség: 0,011 m/s. A gáz dinamikai viszkozitása: h = 2,8·10 -5 Pas, a por sűrűsége: ρ = 2340 kg/m3, a gázé: ρ =1,2 kg/m3. 1. Milyen hosszúra kell a kamrát kialakítani?
2. Mekkora a legkisebb kiülepedő szemcse átmérője? Megoldás: Az áramlási keresztmetszet: A = 2 m ● 3,2 m = 6,4 m2 64800m 3 m3 = 0,75 A gáz térfogatárama: Q = 86400s s 3 m 0,75 Q s = 0,1171875 m A gáz sebessége: v = = A 6,4m 2 s A kamra hosszára alkalmazzuk: H vg L vg = L= H vü vü m 2m 0,1171875 s , L = 21,3m L= m 0,011 s
A legkisebb kiülepedő szemcse méretének számításánál használjuk a Stokes egyenletet
d=
18η8 ü ρsz ρg g
m 18 2,8 10 5 P a s 0,011 s d= kg kg 2340 3 1,2 3 m m
d = 4,87 105 m = 48,7μm Irányváltásos porkamrák. A porkamrák leválasztási hatásfoka növelhető, ha terelő lemezeket helyezünk el bennük. A terelő lemezek élénél megforduló gáz irányát a nagyobb tehetetlenségű porszemcsék nem tudják követni, és így kihullanak a gázáramból. A gravitációs erő mellett tehát a tehetetlenségi erő is segíti a porszemcsék eltávolítását. A porkamrák kialakítása, és a 5
terelőlemezek elhelyezése nagyon változatos lehet. Néhány példa:
6
Centrifugális erőn alapuló leválasztás. Ciklonok: egy hengeres és egy erősen kúpos részből állnak. Mozgó alkatrészük nincsen. A gázt a bevezetés módjával kényszerítik forgó mozgásra, annak eredeti sebességét felhasználva. A centrifugális erő hatására a porszemcsék a hengeres rész palástja felé vándorolnak, ahol lefékeződnek és kiválnak a gázáramból. A kivált por a nehézségi erő hatására a kúpos rész falán lecsúszva a portartályba jut. A megtisztult gáz a merülőcsövön keresztül a ciklon felső részén távozik. A gáz körpályára kényszerítése két bevezetési móddal lehetséges. Az egyik gyakran alkalmazott lehetőség az érintőleges (tangenciális) bevezetés, amikor a gáz a készülék falára érkezik, és kénytelen annak
mentén
továbbhaladni.
Mivel
csak
a
merülőcsövön keresztül tud távozni, ezért spirális pályán lefele is haladnia kell. A ciklon vázlata oldalt, elve pedig felülről nézve alul látható.
A másik lehetőség, hogy a gázt felülről vezetik be. A forgó mozgást a merülőcső körül elhelyezett terelőlemezek idézik elő. A tisztított gáz az előző megoldáshoz hasonlóan a merülőcsövön keresztül távozik, a kiülepedett por pedig alul. A
berendezést
örvénycsőnek
is
szokás nevezni, a bevezetés módját pedig axiálisnak (tengely irányúnak).
7
A gáz mozgása a ciklonba érkezve egyenes vonalú egyenletes mozgásból körmozgássá alakul át. Az eredeti sebesség tehát kerületi sebességgé változik át. v = r ω A körmozgás egyenletesen változó mozgás, melynek két összetevője van: szögsebessége és iránya. Állandó szögsebesség esetén is a mozgás iránya folyamatosan változik. Változó mozgásnak pedig van gyorsulása, amit ebben az esetben centripetális gyorsulásnak nevezünk. a = r ω Az az erő pedig, amely körpályán tart valamely testet a 2
centripetális erő. Ez az erő a kör középpontja felé irányul. A vele azonos nagyságú, de
m v2 ellentétes irányú centrifugális erő viszont F = m ω r = kirepíti a porszemcséket a r 2
ciklon fala felé. A képletből megállapítható, hogy ez az erő a sugárral fordítottan arányos, vagyis, ha növeljük a ciklon átmérőjét, akkor csökken a szemcsékre ható erő, vagyis csökken az elválasztás hatékonysága. A sebesség növelésével lehet ugyan növelni a centrifugális erőt, mert annak négyzetével arányos, de ezzel a hatékonyság csak bizonyos határig növekszik. Ennek oka, hogy
egy bizonyos sebesség fölött olyan turbulenciák
alakulnak ki a készülékben, amelynek hatására a gáz a már kiülepedett port is magával ragadja, és kiviszi a merülőcsövön keresztül. Az előzőek figyelembevételével belátható, hogy sem a ciklon átmérőjét, sem a gáz sebességét nem lehet határtalanul növelni. Ezért, ha nagy mennyiségű gázt kell kezelni, akkor azt a megoldást választják, hogy több kisebb ciklont párhuzamosan kapcsolnak egymáshoz. Az így kialakult csoportokat tangenciális bevezetésű ciklonok esetében multiciklonnak, a kisebb átmérőjű örvénycsövek esetében battériáknak nevezik. Elektrosztatikus erőn alapuló leválasztás A porszemcséket negatív töltéssel látjuk el (elektronokat adunk át), így azok a pozitív töltés felé fognak vándorolni. Az ionizációt létrehozó elektródát szóró-elektródának, a vele ellentétes polaritásút pedig – ahol a por döntő része feltapad – leválasztó elektródának hívják. A szóró-elektróda nagy térerősség létrehozására alkalmas, kicsi görbületi sugarú, vékony huzalból, a leválasztó elektróda nagy görbületi sugarú csőből, zárt profilból vagy sík lemezből készül. A berendezések nagy (10 – 100 kV) egyenfeszültséggel működnek. Energiaigényük és kezelési költségük azonban kicsi. Ettől függetlenül egyre kevesebb helyen alkalmazzák őket. Hőerőművek hamutartalmának leválasztásánál még előfordulnak, de a hulladékégetőkben egyre inkább szűrőkre cserélik le.
8
Szűrés. A gázok portartalmának eltávolítására is egyre gyakrabban alkalmazzák a szűrést, amely szemcseméret szerinti elválasztás. A kiszűrődő szemcsék mérete azonban a szűrés folyamán változik. A szűrőréteget alkothatják rostok, szövetek, szemcsés és zsugorított szemcsés anyagok.
A rostágyas szűrők anyaga gyapjúból, növényi rostokból, műszálakból vagy üvegszálból is készülhetnek. A növényi rostokból álló szűrők biológiai tisztításra is alkalmasak.
A szövetszűrők kialakítása lehet tömlős és táskás. Anyaguk lehet természetes szálas-anyag (gyapjú, vagy növényi rost), szintetikus anyagok, fém, vagy üveg is. Ma már egyre több olyan szintetikus anyagot is kifejlesztettek, amelyek 600 – 700 ºC-ig alkalmazhatók. Magasabb hőmérsékleten
(800 – 1000 ºC ) alumínium-
szilikátból, vagy alumínium-bór-szilikátból készült szálakat is használnak.
A szemcseágyas szűrőknél általában 1 – 10 mm szemcseátmérőjű kvarchomokot használnak.
A zsugorított szemcsés anyagok gyakori megjelenési formája a szűrőgyertya.
Zsákos porszűrő: Hulladékégetőkben is már előnyben részesítik a régebben alkalmazott elektrosztatikus leválasztókkal szemben. Előnye: Rendkívül nagy felület Kis
méretű
szemcséknél
jó
hatásfok Kicsi az áramlási ellenállása Nem érzékeny a porkoncentráció változására Működési elve: A tartó kereten rögzített zsákok külső részére érkezik a poros gáz. A por a szövet pórusain fennakad, míg a gáz könnyedén áthalad és felül távozik. Minél több
por
szemcsék
rakódik is
le,
annál
fennakadnak,
kisebb tehát
a
szűrőhatás a szűrés folyamán nő, de ezzel együtt nő a szűrő ellenállása is, amíg teljesen 9
el nem tömődik. Ennek bekövetkezte előtt tisztítani kell. Tisztítása: kisebb készülékeknél mechanikus ráhatással (ütögetéssel, rázással) is eltávolítható a por a zsákokról. Nagyobb berendezéseknél pneumatikus tisztítást alkalmaznak. Nagy nyomású levegővel rövid ideig, ellenáramban (bentről kifelé) végeznek lefúvatást. A zsákokról lehulló por alul távozik. Természetesen a szövet szálain mindig marad valamennyi por, amely majd elősegíti a szűrést. Hátránya: Magas nedvességtartalomnál eltömődhet A szűrőszövet nagy igénybevételnek van kitéve, ezért gyorsan kopik Megjegyzés: a szűrőzsákok fordított irányban is működtethetőek, azaz ha a poros gázt a tömlő belsejébe vezetik, akkor a tisztító préslevegőnek kívülről befelé kell haladnia! Nedves eljárások Tudjuk, hogy eső után csökken a levegő portartalma. Azt a megfigyelést, hogy az eső kimossa a port a levegőből már régen alkalmazzák gáztisztításra, bár a „kimosódás” csak részben igaz. A levegőben jelen lévő szilárd anyagoknak csak kis része oldódik, a többiek kiülepedéssel távoznak, amit a nedvesedés segít elő. Ezért sokáig olyan berendezéseket terveztek és készítettek, amelyek a jól nedvesedő anyagok eltávolítására voltak alkalmasak. Ma már léteznek olyan nagy gázsebességgel működő mosók is amelyek a nem nedvesedő porszemcséket is eltávolítják. A nedves eljárások előnye, hogy tűz- és robbanásveszélyes gázok, illetve porok esetében is alkalmazhatók, sőt ilyen anyagok szétválasztását csak nedves eljárással szabad végezni. Hátrányuk viszont, hogy mindig keletkezik szennyezett víz, amelynek kezeléséről gondoskodni kell. Mosótornyok.
Üres, permetezett torony: a poros gázt (mint a többi toronynál is) alul vezetik be. A tiszta gáz felül távozik. A vizet felül permetezik be, a szennyezett víz alul távozik. A gáz és a mosófolyadék tehát egymással szemben (ellenáramban) halad. A gáz sebessége 1 – 2 m/s.
Tányéros tornyok: a gázt arra kényszerítik, hogy a tányérokra fölülről érkező folyadékon haladjon át. A tányérok készülhetnek lyukacsos lemezből, vagy szitaszövetből is. A perforáción szétoszló gázáram buborékokat hoz létre, amelyek összefüggő de dinamikusan változó habot alkotnak. Így nagy érintkezési felület biztosítja az elválasztást.
10
Töltetes tornyok: a mosófolyadék a töltetet alkotó testek felületén filmszerűen csorog lefelé. A fölfelé haladó gáz zegzugos utat tesz meg, miközben nagy felületen érintkezik a folyadékkal. Pormentesítésre ritkábban használják, mert könnyen eltömődhet. Inkább gázok kioldására (abszorpciójára) alkalmazzák.
Rotációs mosók: az egyenletes elkeveredést a torony középvonalában forgó függőleges tengelyre elhelyezett permetezők (porlasztók) biztosítják.
Dinamikus (örvény) mosók A gázt nagy sebességgel egy tartályban
lévő
folyadék
felszínének ütköztetik. Ekkor már valamennyi
por
folyadékban
elsüllyed
a
(elő-leválasztás).
Ezután a gázáram egy szűkülő csatornába felgyorsul,
érkezik, és
amelyben
mosófolyadékot
ragad magával. A nagy sebesség következtében
apró
cseppek
keletkeznek. A cseppleválasztóba érkezve a folyadékcseppek és a porszemcsék is ütköznek, megnövekednek és visszakerülnek a tartályba. A por tehát a kezdetben tiszta mosófolyadékban mint iszap jelenik meg. Venturi mosó A poros gáz a szűkülő részbe (konfúzor) érkezik ahol sebessége jelentősen megnő. A torokhoz érkezve elérheti akár a 150 m/s-ot is. Ezzel a nagy sebességgel találkozik az itt (vagy valamivel előtte) bevezetett folyadékkel. A nagy sebességkülönbség
hatására
nagyon
apró
cseppek
keletkeznek, amelyek a gázzal együtt ködöt alkotnak. A kibővülő részben azután a gáz ismét lelassul, az apró cseppek a hozzájuk tapadt porral együtt nagy cseppekké állnak össze. Ezeket a nagy cseppeket viszont egy ciklonban már könnyedén le lehet választani.
11
II. Gáz halmazállapotú szennyezőanyagok elválasztása, ártalmatlanítása A levegőbe kerülő gáz halmazállapotú szennyező anyagok közül mennyiségüket és ártalmasságukat is figyelembe véve a következők okozzák a legtöbb gondot: nitrogén oxidok (NOx), kéndioxid (SO2), szénmonoxid (CO), szénhidrogének, ill. VOC. Egyes esetekben (pl. repülőgépek utasterében)
az ózon is. Az eltávolításukra és/vagy
veszélytelen anyaggá való átalakításukra használható technológiák és berendezések a következő csoportokba sorolhatók. Abszorpció. A
gázok
folyadék
belsejében
való
elnyeletését
abszorpciónak
nevezzük,
ami
tulajdonképpen gázok oldódása folyadékban. 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 nagyobb az oldhatósága
A
gáz
folyadékbeli
telítési
koncentrációja:
(Henry
–
Dalton
törvény)
c f = K H p p Szavakban megfogalmazva: a telítési koncentráció arányos a gáz folyadék feletti parciális nyomásával. A képletben a KH (Henry-állandó) csak egy adott hőmérsékletre, meghatározott gázra és oldószerre érvényes! Egy gázelegyben lévő valamelyik gáz parciális nyomása az a nyomás, amelyet az adott térfogaton egyedül (a többiek nélkül) kifejtene. A parciális nyomást megkapjuk, ha a tényleges nyomást megszorozzuk a kérdéses gáz mol-törtjével. Számítása: pi = p ∙ Xi Gázok abszorbeálására alkalmazható valamennyi olyan mosóberendezés, amelyeket a nedves porleválasztásnál megismertünk. A mosófolyadékból az elnyelt gáz kihajtható, és így ártalmatlanításra, vagy hasznosításra kerülhet. A kioldott gáz további feldolgozásának lehetőségei. A kén-dioxid kalcium-hidroxiddal kalcium-szulfitot alkot. Egy keverővel ellátott oxidációs kamrában a befújt levegő hatására gipsszé alakul át, amely értékesíthető. Számítási példa: Egy gázelegy SO2 tartalmát mésztejjel nyeletjük el, majd a kapott szuszpenziót a levegő oxigénjével oxidáljuk. a. Írja le a lejátszódó reakciók egyenleteit! 12
b. Határozza meg a 20000 m3 tisztítandó gázból kinyerhető gipsz mennyiségét, ha a SO2 koncentráció 32 g/m3, és az eltávolítás hatásfoka 99,5%! c. Számítsa ki a tisztított gáz (t = 20 ˚C) maradék kéndioxid koncentrációját ppm-ben kifejezve! (VM = 24 dm3/mol) Megoldás: a. SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3 + H2O CaSO3 + ½ O2 = CaSO4 b. 20000 m3-ben van 20000 ∙ 32 = 640000 g = 640 kg SO2 64 kg SO2-ből keletkezik 136 kg CaSO4 640 kg-ból keletkezik 1360 kg CaSO4 A kinyert gipsz mennyisége: 1360 kg ∙ 0,995 = 1353,2 kg c. A kéndioxid moláris tömege: 64 g/mol Eredetileg 32/64 = 0,5 mol SO2-t tartalmazott 1 m3 gáz Ebből maradt 0,5 ∙ 0,005 = 2,5 ∙ 10-3 mol/m3 Ennek térfogata: 2,5 ∙ 24 cm3 = 60 cm3 → 60 ppm Vízben elnyeletve oldott vas-szulfát katalizátor hatására oxigén jelenlétében
a kén-dioxid kénsavvá alakul át, amely hasznosítható. A
Mitsubishi
eljárásnál
erősen
kálium-hidroxidos
közegben
kálium-
permanganát oxidálószer hatására a kén-dioxidból kálium-szulfát, a nitrogénoxidokból pedig kálium-nitrát keletkezik. A közben kicsapódó mangán-dioxid a folyamat elejére visszavezethető, ha tömény kálium-hidroxid oldattal elpépesítik, és elektrolízissel visszaoxidálják kálium-permanganáttá. Adszorpció. Az adszorpció szilárd anyag felületén való megkötődést jelent. A szilárd anyagot ebben az esetben adszorbensnek nevezzük. A megkötött anyag (adszorptívum) lehet gáz, vagy egy oldat valamely komponense. Az adszorpció lehet: fizikai adszorpció során a felületi erők játszanak szerepet, de a van der-Waals erők is közreműködhetnek. A folyamat megfordítható, azaz az adszorbeált anyag viszonylag könnyen eltávolítható az adszorbens felületéről. kémiai adszorpció (kemoszorpció) során az adszorbens és az adszorbeált anyag között kémiai kötés jön létre. A folyamat nem megfordítható! deszorpció: a szilárd anyag felületén megkötődött anyag eltávozását jelenti. Tudnunk kell, hogy deszorpció mindig van, csak a mértéke változik a körülmények függvényében. 13
Az adszorpció és a deszorpció tehát ellentétes folyamatok, de mindkettő folyamatosan és egy időben tart, csak a mértékükben van különbség. Mértéküket pedig a következő tényezők határozzák meg: Hőmérséklet: a hőmérséklet csökkentése az adszorpciót növeli, a deszorpciót csökkenti, míg a hőmérséklet növelése az adszorpciót csökkenti, a deszorpciót növeli. Ennek oka, hogy a hőmérséklet emelkedésekor nő az elemi részecskék mozgási energiája így könnyebben „kitörnek” a vonzó hatás alól. Nyomás: a nyomás növelése az adszorpciónak, csökkentése a deszorpciónak kedvez. Koncentráció: minél nagyobb az adszorbens környezetében az adszorbeálandó anyag koncentrációja, annál gyorsabb a megkötődés, azonban ahogy telítődik a felület úgy lassul. Álló közegben, ha az nem cserélődik, akkor az adszorbens felületén folyamatosan
nő,
a
közegben
pedig folyamatosan
csökken
az
adszorptívum koncentrációja. Ennek következtében az adszorpció folyamatosan csökken, a deszorpció folyamatosan nő. Amikor az adszorpció és deszorpció sebessége azonossá válik, ezt az állapotot dinamikus egyensúlynak nevezzük, amely általában 30 perc alatt beáll, ha nem változtatjuk meg a körülményeket. A dinamikus egyensúly megváltoztatása tehát az előzőekben leírtak ismeretében a hőmérséklet, a nyomás, vagy a koncentráció megváltoztatásával elérhető. Vegyük példának a lakás berendezési tárgyait, amelyek idővel igen sok „szaganyagot” kötnek meg. Erőteljes légáramlással (koncentrációcsökkentéssel) a szellőztetésnél az adszorbeálódott kellemetlen illatanyagokat kiűzhetjük, ha nem csökkentjük a hőmérsékletet! Hideg bútorok esetén azonban a megkötött anyagok nem távoznak, a koncentráció csökkenése ellenére sem! Távozásuk csak akkor következik be, amikor felfűtjük a lakást, a bűz belül marad! Regenerálás. Az adszorbens felületén megköthető anyagok mennyisége korlátozott. Egy idő után telítődik, vagy az adszorpció és a deszorpció folyamata egyensúlyba kerül. Amennyiben további mennyiségeket akarunk megkötni, akkor az adszorbenst olyan állapotba kell hozni, hogy erre alkalmas legyen. Ezt a folyamatot nevezzük regenerálásnak. Regeneráláskor a felületen megkötődött anyagot távolítjuk el. Erre a következő lehetőségek vannak: hőmérséklet növelése vákuum alkalmazása 14
vízgőzzel való lefúvatás forró inert gáz alkalmazása extrahálás Reaktiválás. Az adszorbeálható anyag mennyisége függ az adszorbens aktív felületének nagyságától, a szemcsékben lévő pórusok számától és átmérőjétől. (Minél nagyobb a felület, annál több anyag „fér el” rajta.) Az adszorbens többszöri felhasználása, regenerálása következtében a szemcsék alakja, szerkezete változik (porlik), az aktív felület csökken. Egy határon túli csökkenés után az adszorbens már használhatatlan. Ekkor van szükség reaktiválásra, újra porózus szerkezet és nagy felület kialakítására. Általában magas hőmérsékleten (900 ºC) CO2 és vízgőz jelenlétében lehet elvégezni. Adszorbensek A leggyakrabban használt adszorbensek a következők: Aktív szén: por és granulátum formájában kerül forgalomba. Felhasználható víztisztításnál (derítés, szűrés, vastalanítás, mangántalanítás, szag- és ízrontó anyagok eltávolítása, stb), és levegőtisztításnál is. A szűrőréteget 1-3 m vastagságúra alakítják ki. Gázokból főleg az apoláros szerves molekulák (pl. szénhidrogének) és kéndioxid eltávolítására használják. Szilikagél: tömegének 40%-nak megfelelő vízgőzt képes adszorbeálni. 150 ºC hőmérsékletű levegővel regenerálható. Hátránya, hogy gyorsan porlik. Aktív Al2O3: jól használható, porózus szerkezetű adszorbens készíthető alumínium hidroxid hevítésével. Elsősorban vízgőz megkötésére használják. Forró levegővel regenerálják. Molekulasziták: alkáli földfémek, vagy alkáli fémek alumínium-szilikátjai (bentonit, zeolitok).
Molekulaméret,
Gyógyászatban,
vagy
állattartásban
polaritás is
alapján
alkalmazhatók
kötnek gázok
meg és
anyagokat.
méreganyagok
eltávolítására. Adszorberek. Az adszorberek azok a készülékek, amelyekben az adszorpció lejátszódik. Kialakításuk és működési elvük szerint három csoportba sorolhatjuk őket. Ezek:
15
Állóágyas:
Az
regenerálása
adszorbens
csak
szakaszos
üzemben végezhető el, ezért a folyamatos üzem biztosítására legalább
két
készüléket
kell
telepíteni. Amíg az egyik üzemel, addig a másikban a regenerálást végzik, majd cserélnek. Mozgóágyas:
a
gáz
és
az
adszorbens általában egymással ellenirányban
mozog.
A
legtöbbször a gáz felfele halad, míg az adszorbens lassan csúszik lefele. Mire leér az adszorber aljára, addigra a felülete telítődik, ezért regenerálásra kerül. Regenerálás után, felülről adagolva visszakerül a készülékbe. Fluid ágyas: a gáz és az adszorbens mozgása azonos irányú. A por formájú adszorbenst a gáz lebegésben tartja, és viszi magával. Így igen intenzív keveredés következik be, ugyanakkor az érintkezés nagy felületen történik. Az adszorbenst végül elválasztják a gáztól, mielőtt az elhagyná az adszorbert. Az elválasztás elvégezhető pl. ciklonnal. Az adszorbenst pedig mielőtt visszaküldenék a rendszerbe, regenerálják. Megkötött anyagok eltávolítása, kinyerése. A regenerálásnak többféle módját is alkalmazhatják, amint az előzőekben ez már kiderült. A megfelelő módszer kiválasztásánál figyelembe veszik az adszorbeált gáz minőségét, valamint a további felhasználás lehetőségeit is. Nézzünk erre példákat: A szénhidrogének forró levegős lefúvással eltávolíthatók. A további feldolgozás során hűtéssel és cseppfolyósítással hasznosításra kerülhet, vagy (hűtés nélkül) közvetlenül elégethető fáklyán, vagy kemencében. Kéndioxid adszorpciója során speciális technológiát is alkalmazhatnak, ez a szulfacid eljárás. Feltétele, hogy a feldolgozandó gáz előzetesen portalanításra kerüljön. A pormentes SO2 -t aktív szénen adszorbeáltatják, majd
az átáramló
levegő oxigénjével SO3-dá oxidálják. A tisztítandó füstgáz vízgőz tartalma ezt kénsavvá alakítja, amely azután vízzel könnyen kimosható, és felhasználható. 16
Katalitikus eljárások. Katalizátor Katalizátoroknak nevezzük azokat az anyagokat, amelyek az önmaguktól is lejátszódó kémiai reakcióknak a sebességét megváltoztatják úgy, hogy bár részt vesznek a reakcióban, abból változatlanul kerülnek ki. A szó a görög katalüszisz (feloldás) szóból keletkezett, latin végződéssel. Hatásukat a következőképpen csoportosíthatjuk: Reakció sebessége nő Ez megtörténhet olyan esetben is, amikor nem indul be a reakció (a sebessége 0), annak ellenére, hogy annak semmilyen akadálya nincsen. A nitrogén
és
a
hidrogén
molekulák
pl.
bármeddig
egymás
közelében
tartózkodhatnak úgy, hogy nem történik semmi, rozsda jelenlétében viszont ammóniává egyesülnek. Az olefinek hidrogénnel való reakciójának sincs termodinamikai akadálya, mégsem telítődnek a kettős kötések csak platina jelenlétében. A hidrogén oxidációjához magas hőmérsékletre van szükség, az élő szervezetek mégis megoldják ezt a feladatot alacsony hőmérsékleten enzimek segítségével. A reakció lelassul, vagy megáll. Nem tekinthető tipikus katalízisnek, mert az anyag, amely ezt előidézi (inhibitor) általában önmaga is belép a reakcióba, és ezért annak folyamán elfogy. A katalízis hatásmechanizmusa. Valamely reakció beindulásához sok esetben
energiabefektetésre
van
szükség. Ez az aktiválási energia a későbbiekben
a
reakció
során
megtérül. A katalizátor szerepe, hogy az
aktiválási
energia
mértékét
lecsökkenti. Helyzeti energiás hasonlattal szemléltethető a folyamat.
17
Az
keresztül
intermediereken
vezetett több lépéses reakcióknál nem akarjuk a „dombocskát” sem átugrani, sem levágni, hanem elindulunk ahol
egy
„szerpentinen”,
természetesen
itt-ott
emelkedők is vannak. Ezeket az emelkedőket azonban a kapott lendülettől
könnyedén
legyőzhetjük! Reakciósebesség: függ a reagáló anyagok és a keletkező anyagok koncentrációjától.
[C ]c⋅ [D ]d K= [ A ]a⋅ [ B ]b
Abban az esetben, ha a kiindulási anyagok koncentrációja nagyobb, akkor a reakció a felső nyíl irányában játszódik, ha a termék koncentrációja a nagyobb, akkor a reakció az alsó nyíl irányában (vagyis visszafelé) játszódik mindaddig, amíg az egyensúly be nem áll. Amennyiben a katalizátorok felületén adszorbeálódnak az egymással reakcióba lépő anyagok, akkor azok koncentrációja megnő. Ezzel természetesen megnő a reakció sebessége is! Ezek után csak azt kell biztosítanunk, hogy a keletkező anyag elég gyorsan távozzon, vagyis ne nőjön a koncentrációja. A leghatékonyabb működés érdekében a katalizátorokhoz olyan anyagokat kever(het)nek, amelyek a következő funkciókat látják el: Növelik a reagáló anyagok megkötődését, vagy valamilyen más módon segítik a katalizátor működését. Ezeket aktivátoroknak nevezik. Elősegítik a termék eltávozását (a deszorpciót). Az így kialakítottakat nevezik keverékkatalizátoroknak. Szelektivitás: Igen fontos tulajdonsága a katalizátoroknak a szelektivitás, ami azt jelenti, hogy csak 18
bizonyos reakciókat támogat, a többit nem. Így lehet elérni, hogy valóban a kívánt termék keletkezzen. Pl. ha egy katalizátor valamennyi jelenlévő anyag redukcióját elősegíti, akkor nem szelektív katalitikus redukcióról (NSCR) beszélünk, ha csak egy (vagy néhány) anyag redukcióját segíti, akkor a redukció szelektív (SCR). A katalizátor helye A reakcióelegy és a katalizátor lehet azonos és külön fázisban. Ennek alapján a következő két lehetőség adódik: Homogén katalízis: a reakcióelegy és a katalizátor is ugyanabban a fázisban van, tehát vagy folyadék, vagy gáz. Erre példa az ólomkamrás kénsavgyártás (nitrogénoxid
katalizátorral),
vagy
az
oktánszámjavítás
érdekében
végzett
alkilezésnél használt HF katalizátor folyadék fázisban. Heterogén katalízis: a katalizátor szilárd anyag. Ennek felületén játszódnak le a reakciók. A reagáló anyagok folyadék, vagy gázfázisban lehetnek. Az utóbbit kontakt katalízisnak nevezik. Kontakt katalízis Nagy jelentősége van az adszorpciónak, így az érintkezési felület nagysága döntő fontosságú. Ennek megfelelően minél nagyobb a katalizátor felülete, annál nagyobb a hatásfoka is. Megfelelő technikákkal akár több száz m2/g felületet is el lehet érni. A katalízis gyakorlati kivitelezésére a következő lehetőségek vannak: Álló katalizátor: vagy az eleve nagy felületűre kialakított katalizátoron keresztül vezetik át a gázt (ami lehet porózus anyag, mint pl. az ammónia szintézis vas katalizátora, ill. hálószerű, mint az ammónia oxidációjánál használt platina hálók), vagy (ami gyakoribb) valamilyen nagy felülettel rendelkező hordozóanyagra viszik fel. Ilyenek pl. a gépkocsikba szerelt katalizátorok. Mozgó katalizátor: a szemcsés szerkezetű (granulált) katalizátor az átalakítandó anyaggal egyen-, vagy ellenáramban halad. Fluid katalizátor: 0,1 mm-nél kisebb szemcséjű katalizátort alkalmaznak, amely a gázáramban lebegve fejti ki hatását. A reakció lejátszódása után a termékből le kell választani (pl. ciklonban).
19
A katalizátor aktivitása Az egységnyi tömegen, egységnyi idő alatt átalakult anyag mennyisége az idő teltével csökken. Ennek több oka is lehet: A katalizátor felületén ún. aktív centrumok találhatók, amelyek magasabb energiaszintű „metastabilis” állapotban vannak. A használat folyamán ez a többletenergia elfogy, és így fokozatosan a kis aktivitású stabilis állapotba megy át. Ezt nevezzük a katalizátor fáradásának. Használat közben a mechanikai hatások következtében a katalizátor szerkezete is változhat, aminek következtében lecsökken az aktív felület (porlik). Egyes (nem kívánatos) anyagok reakcióba léphetnek a katalizátorral, aminek az lesz a következménye, hogy az teljesen elveszíti aktivitását. Ezeket az anyagokat nevezik katalizátormérgeknek, és a hatásuk tartós, vagy végleges. Valamilyen szennyezőanyag gátolhatja, vagy lassíthatja a reakciót. Ezeket az anyagokat inhibitoroknak nevezik. Hatásuk csak addig tart, ameddig jelen vannak. Amennyiben a reakció velejárója valamilyen lerakódás (pl. kokszképződés), akkor a kivált anyag lefedi az aktív centrumokat, és azok nem tudják kifejteni hatásukat. Így ezek is katalizátorméregnek tekinthetők. Katalizátorok élettartama A katalizátorok élettartama és aktivitása növelhető a következő módon: A katalizátorba kevernek anyagokat, amelyek azután sokféleképpen fejthetik ki hatásukat: megnövelhetik az aktív felületet, vagy kedvezően befolyásolják az elektronrendszerét, vagy elősegítik az aktív centrumok visszaalakulását. Ezeket az anyagokat promotoroknak nevezik. A reagáló anyagokba kevert adalékok is lehetnek kedvező hatásúak az átalakulásra. Ezeket gyorsítóknak, vagy akcelerátoroknak nevezik. A kifáradt katalizátort sok esetben regenerálni lehet, de nem mindig gazdaságos! Belső égésű motorok káros anyag kibocsátásának csökkentése Cseppfolyós, vagy gáz halmazállapotú szénhidrogének elégetésekor nyert energiát alakítják át mechanikai energiává. Az égés zárt térben történik. A keletkező gázok nagy nyomást fejtenek ki, amellyel elmozdítják a dugattyút. 20
Mi keletkezik? Tökéletes égés esetében (elméletileg) csak széndioxid és víz keletkezik. Az ilyenkor kialakuló magas hőmérséklet következtében azonban a nitrogén is reakcióba léphet az oxigénnel (NOx) Az esetlegesen jelenlévő szennyezőanyagok is elégnek, így különböző oxidok keletkeznek (pl. SO2) Tökéletlen égés esetében a kipufogógázban CO és el nem égett szénhidrogének is találhatók A kibocsátás hatásai A CO mérgező (250x erősebben kötődik a hemoglobinhoz, mint az oxigén, így annak felvételét lehetetlenné teszi) A nitrogén – oxidok is mérgezőek, ugyanakkor katalizálják az oxigén átalakulását ózonná Az el nem égett szénhidrogének reakcióba lépnek a nitrogéndioxiddal és az ózonnal a napfényben lévő ultraibolya sugárzás hatására Így a keletkező (Los Angelesi) szmogban megjelenik a rendkívül mérgező peroxi – acetil – nitrát (PAN) Konverterek A gépkocsikba szerelt, katalizátorokat tartalmazó reaktorok a konverterek. A legelterjedtebbek a következők: Kerámia monolit A négyzet keresztmetszetű csatorna oldala: 1 mm Csatornák közötti falvastagság: 0,15 – 0,20 mm Csatornák száma: 64/cm2 A kordieritre (2MgO.2Al2O3.5SiO2) felvitt γ21
Al2O3 20 μm vastag Szabad keresztmetszet: 70% Mérete a motor lökettérfogatának fele - kétharmada Lemezmonolit (fémmonolit) Rozsdamentes acéllemezből készül A lemez vastagsága: 0,05 mm A spirálisan felcsavart lemez közé távtartó betéttestet helyeznek, amelynek ugyanaz az anyaga, mint a lemeznek A szabad keresztmetszet 90% A kisebb tömegének köszönhetően az üzemi hőmérsékletet induláskor hamarabb eléri, mint a kerámia monolit A katalizátor kialakítása A
m o n o l i t
c s a t ornáiban alumínium-hidroxidból hőkezeléssel kapott γ- Al2O3 réteget alakítanak ki 20 μm vastagságban. (lemezmonolitnál ez a réteg közvetlenül a lemezre kerül, vagyis nincs kerámia) 22
A monolit 1-2 m2-es felülete 20000-30000 m2-re nő A nemesfémeket néhány tized %-ban viszik fel a hordozóra. Ezek a nemesfémek lehetnek: ródium, platina, palládium A katalizátor hőmérséklete 200 ˚C-ig a katalizátor inaktív. Hidegindítás után ez 1 – 2 percig tart 230 ˚C-on kezd működni egy új katalizátor. Egy elöregedett csak 270 ˚C-on 400 – 600 ˚C a katalizátor üzemi hőmérséklete 800 – 900 ˚C az üzemi hőmérséklet felső határa. Rövid ideig ennyit még károsodás nélkül elvisel 1000 – 1100 ˚C – on a pórusos γ-alumínium-oxid α-alumínium-oxiddá alakul át 1200 ˚C-tól az alumíniumoxid leválik a monolitról, a nemesfém szemcsék pedig nagy kristályokká agglomerálódnak 1380 ˚C – on a kordierit megolvad Katalizátor dezaktiválódása Termikus károsodás Katalizátor mérgek: Ólom – oktánszám javításra használták. Éppen azért nem használják már az ólomtetraetilt, mert a katalizátorok gyors tönkremenetelét okozzák. Ez alól kivétel a repülőgépeknél használt benzin. Foszfor – főleg a motorolajból (1,2 ppm) kerülhet a katalizátorra Kénvegyületek – a platina ellenállóbb, mint a palládium. Ma már olyan eljárásokat alkalmaznak a benzin kén-mentesítésére, hogy a maradék nagyon kevés maradék kén már nem okoz gondot. Szerves
szilícium
vegyületek:
szennyezhetik
a
benzint.
Elbomlásuk
után
hatástalaníthatják a katalizátort, de a λ – szondát is Mangán tartalmú üzemanyag adalékok lerontják a háromutas katalizátorok aktivitását A monolit mechanikus károsodása
23
Háromutas katalizátor 1986 – tól gyártják. A HC és a CO oxidációja, valamint a NOx redukciója egy konverterben,
egy lépésben játszódik le ródium-platina, vagy ródium-palládium katalizátoron. A λ – szonda működése A katalizátor csak akkor működik optimálisan, ha az égéshez táplált levegő mennyisége a szöchiometria szerint szükségeshez képest 1%-on belül marad. A beadagolt levegő mennyiségének szabályozását végzi a λ – szonda. Ez egy olyan galvánelem, amelynek a potenciálja az oxigén koncentrációkülönbségével arányos. Az elektrolit egy szilárd kerámia (ZrO2)
Az
elektród
a
kerámia
mindkét oldalán Pt bevonat
Amennyiben
az
oxigén
koncentráció a két oldalon eltérő, akkor néhány 10 mV feszültség keletkezik.
A létrejövő galvánelem feszültségét standard feszültséghez viszonyítják (~500-600 mV)
Az eltérés alapozza meg a levegő adagolásának szabályozását
300 ºC alatt nem reagál elég gyorsan az oxigén koncentrációjának változására, ezért hideg indításkor a megfelelő működés csak később indul be. Csökkenteni lehet ezt az időt, amennyiben a szondát fűtéssel látják el.
24
Ózon koncentrációjának csökkentése repülőkön Az ózon egészségügyi határértéke 0,1 ppm. Repülőgépek utasterében 10000 m magasságban (különösen a sarkok környékén) elérheti az 1 ppm – et. Fejfájást okoz, irritálja a szem, az orr és a torok nyálkahártyáit. Eltávolítása történhet adszorpcióval, termikus bontással és katalitikus bontással Ózon katalitikus bontása
A leggazdaságosabb eljárás
A nemesfémek közül a palládium a legstabilabb (20000 óra)
A konverter méretei: átmérője 20 – 30 cm, hossza 40 – 60 cm
Tömege: 4,5 – 16 kg
Üzemi hőmérséklete: 120 – 200 ˚C
Az átalakulás mértéke: 83 – 93%
A kezelt levegő mennyisége: 0,7 – 1,4 kg/s
VOC ártalmatlanítás katalitikus oxidációval A VOC anyagok illékony szerves vegyületek (az angol Volatile Organic Compounds rövidítése). A levegőben előforduló szennyező szénhidrogén származékokat értjük a metán kivételével. A levegőben a napsugárzás hatására a VOC-vegyületek egy része a nitrogén-oxidokkal reakcióba lépve részt vesznek a fotokémiai füstköd kialakulásában. Egy részük rákkeltő hatású, kibocsátásukat nemzetközi szerződések szabályozzák. Nagy részük oldószerként kerül felhasználásra. Elégetéssel ártalmatlaníthatók lennének, ám ekkor nagy mennyiségű levegőt kellene felmelegíteni, ami az eljárást igen költségessé tenné. Ezért a reakció hőmérsékletének csökkentése érdekében katalizátorokat alkalmaznak. Ilyenek pl. a V2O5 - Al2O3 hordozón, vagy V2O5 – TiO2 keverék katalizátor hordozó nélkül. A katalitikus oxidációs egységek nem érzékenyek az áramlási sebességre és a VOC koncentrációra, így széles körben alkalmazhatók. Energiaigényüket részben fedezi az égéshő, de a belépő szennyezett levegőt elő kell melegíteni. A reakció 350-400 °C-on zajlik. 100 °C-on is lejátszódik az oxidáció, ha ózont kevernek a levegőhöz. Így a VOC koncentráció a levegőben 5 ppm alá csökkenthető. Ebben az esetben azonban a maradék ózont el kell bontani. A feladat megoldható aktív szén felületére felvitt palládiummal.
25
Ivóvíz kezelése Vízgazdálkodás Vízkészletnek a társadalom számára hozzáférhető és igénybe vehető vizeket tekintjük. A vízkészlettel való gazdálkodás alatt ma már nem csak a gazdasági célú felhasználók közötti elosztást értjük, hanem a vízkörforgás elemei közötti arányok figyelembe vételét, az ökológiai igények kielégítését, és a lehető legtöbb természeti és társadalmi kölcsönhatás szerinti szabályozást a vízgyűjtő egész területén.
Védőterületek Belső védőterületnek nevezzük a 20 napos „elérési idejű” felszíni területet, ahol csak a vízmű létesítményei lehetnek és csak ivóvíztermeléssel kapcsolatos tevékenységek folytathatók. A területet be kell keríteni, oda csak a kezelőszemélyzet léphet be. A vízmű tulajdonosának rendelkeznie kell a terület tulajdonjogával. Külső védőterület a belső védőterületet veszi körül és 6 hónapos elérési idő tartozik hozzá. A külső védőterületen szigorúan szabályozott az építés, közlekedés, földhasználat és minden olyan egyéb tevékenység, ami a talaj természetes védőképességét ronthatja (pl. bányászat). Hidrogeológiai védőterület A védelem további fokozata aminek „A”, „B” és „C” zónája lehet.
Az „A” jelű az 5 éves
a „B” jelű az 50 éves elérési időkhöz tartozik, míg
a „C” jelű annak a teljes vízgyűjtő területnek a határát jelzi, ahonnan a felszínre hulló csapadék egyáltalán eljuthat a vízkivételi helyhez.
Tiltott tevékenységek a hidrogeológiai „A” védőövezetben Új lakó és üdülőterület kialakítása Hulladéklerakó létesítése Szennyvíz szikkasztása Mérgező és radioktív anyagok előállítása, feldolgozása, tárolása 26
Hígtrágya kijuttatása termőföldre Dögkutak létesítése Tiltott tevékenységek a hidrogeológiai „B” védőövezetben Mérgező és radioaktív anyagok előállítása, feldolgozása, tárolása. Veszélyes hulladék lerakása Ipari szennyvíz szikkasztása Hígtrágya és trágyalé leürítése Tiltott tevékenységek a hidrogeológiai „C” védőövezetben A korlátozások nincsenek konkrétan jogszabályokban előírva, de meghatározásuk nem lehet szigorúbb, mint a „B” övezetnél előírtak. A „C” védőövezet kijelölése nem kötelező, szükségességét egyedileg kell meghatározni. Tulajdonosi viszonyok A vízgazdálkodási feladatok
összehangolásnak
természetes területi
egysége a vízgyűjtő terület. A vízgazdálkodás irányítói a vízgyűjtőt tekintik az igazgatás alapjának. A vízigények – a felhasználható vízkészlet mennyiségi és minőségi védelmére is tekintettel – elsősorban a vízhasználat céljára még le nem kötött vízkészletekből elégíthetők ki. A vízkészletek lekötése, “érkezési sorrendben” történik, és csak rendkívüli esetben lehetséges – szintén a törvényben meghatározott prioritás szerint – a már engedélyezett vízhasználat korlátozása egy új vagy más igény miatt. Természetesen a vízkészletek végesek, ezért a jövőben egyre inkább szükség van az összes érdekelt által demokratikus keretek között elfogadott, koordinált elosztásra, illetve újraelosztásra. Vízhasználatok A vízgazdálkodásról szóló 1995. évi LVII. törvény 15§ hat vízhasználatot ismertet, és vízhiány esetére egyben a kielégítés sorrendjét is megadja. Létfenntartási ivó- és közegészségügyi, katasztrófa elhárítási 27
Gyógyászati, valamint a lakosság ellátását közvetlenül szolgáló termelő- és szolgáltató tevékenységgel járó Állattartási, haltenyésztési Természetvédelmi Gazdasági Egyéb (sport, üdülés, fürdés, stb.) Hazánk vízkészletének állapota A Kárpát-medencét kitöltő itt – ott több ezer méteres üledéke nagy mennyiségű vizet képes tározni. Ennek egy része artézi, a többi túlnyomás nélküli rétegvíz. Az ország ivóvízellátásának nagyobbik részét a rétegvizek biztosítják. Az összegyűlt víz az esővízzel lehozott szén-dioxiddal a kőzeteken átszivárogva fém ionokat hoz magával. Ilyenek: a vas, a mangán, a kalcium, a magnézium. Ezek hidrogén-karbonát formájában lennek jelen a kitermelt vízben. Az arzén azonban, attól függően, hogy redukciós, vagy oxidációs mezőn jutnak keresztül, arzenit, vagy arzenát formájában lesznek jelen. Igen jelentős mértékben vesznek részt még a vízellátásban a folyók mentén kinyerhető parti szűrt vizek. Jellemző rájuk, hogy a megszűrt felszíni víz bizonyos mértékben (a vízállástól függően) talajvízzel keveredik. Kitermelésük csápos kutakkal történik. A felszíni vizek feldolgozása a lakosság ivóvízellátásából a legkisebb részt biztosítja. Az ország területének mintegy felén a vízkészlet vastartalma magas: 0,5 mg/l felett van. Földtani védettség tekintetében a vízbázisok háromnegyed része sérülékeny. A nitráttartalom 6000 kút adatai alapján 85%-nál <10 mg/l, 6,3%-nál 10-25 mg/l, 3,6%-nál 25-50 mg/l, 2,7%-nál > 50 mg/l. A lakosság vízellátása 75%-ban jó, vagy elfogadható, 5%ban elfogadhatatlan (nitrát, arzén, Coli), a maradék 20% pedig esztétikailag kifogásolható. Az Alföld mélyfúrású kútjainak általában magas az arzéntartalma és baktériumszennyezettsége. Az ivóvíz minőségi követelményei Fizikai: 10-25 C0 hőmérsékletű, átlátszó, szagtalan. kémiai: vízkeménység:5-25 nk0, összes sótartalom max. 1000 g/m3, nitrát 20 g/m3 alatt, arzén 10 mg/m3 alatt. biológiai: Coli-szám klórozott vezetékes víznél <0,4, fúrt kútnál <4, ásott kút, vagy egyéb természetes ivóvíznél < 20 db/cm3. 28
Ivóvíz minőségi paraméter Összes keménység (nko)
Határérték 5 – 35
pH
6,5 – 9,5
Fajlagos elektromos 2500 vezetőképesség (mS/cm) Kémiai oxigénigény (permanganát 5 index, KOIps) (mg/l O2) Nátrium – koncentráció (mg/l)
200
Kálcium – koncentráció (mg/l)
-
Magnézium – koncentráció (mg/l) Arzén – koncentráció (µg/l)
10
Ammónium – koncentráció (mg/l) 0,5 Nitrát – koncentráció (mg/l)
50
Nitrit – koncentráció (mg/l)
0,5
Klorid – koncentráció (mg/l)
250
Szulfát – koncentráció (mg/l)
250
Vas – koncentráció (µg/l)
200
Mangán – koncentráció (µg/l)
50
Alumínium – koncentráció (mg/l) 0,2 Fluorid – koncentráció (mg/l)
1,5
Felszíni vizek kezelése. Felszíni vizek vételezése A felszíni vizek vételezése rácsokon és gerebeken keresztül történik. Vízfolyások esetében a leggyakrabban öntisztuló pálcás gerebet használnak. 29
Gerebek és rácsok. Egymástól meghatározott távolságra összeerősített, azonos keresztmetszetű pálcákból készített szűrőberendezések. A víz folyási irányába elhelyezett rácsok a víz áramlási keresztmetszetét csökkentik, ezért visszaduzzasztást okoznak. A rács előtti felvíz és a rács utáni alvíz közötti szintkülönbség 0,05 m. A szűrés előrehaladtával a pálcák közötti áramlási keresztmetszet tovább csökken. Szennyvíznél a szintkülönbség nem nőhet 0,15…0,40 m –nél nagyobbra, mert a rácspálcák között a víz áramlási sebessége megnő, és magával ragadja a már kiszűrt anyagokat. A lecsökkent áramlási sebesség miatt lerakódások jönnek létre. A rácsok üzeme folyamatos, a kiszűrt rácsszemét eltávolítása szakaszos és folyamatos lehet. A rácsszemét heterogén összetételű, a szennyvíztisztító telepeken kiemelt rácsszemetet
veszélyes
hulladéknak kell tekinteni. Rácsok tisztítása:
Alternatív mozgású
Körmozgású
Öntisztító
Az öntisztító pálcás gereb az egyetlen, amelyik nem pálcákból, hanem lemezekből áll. A lemezek a folyó sodrásának irányában állnak, így a fennakadó nagyobb uszadékokat a folyó sodrása tovább is viszi. (megjegyzés: szívófejes, vagy aknás vízkivételnél nincsen szükség gerebre) Szitaszűrők. A
szivattyúk
védelme érdekében rácsok
a
után
még dobszűrőt, vagy (nagyobb vízszintingadozás esetén) szalag-szűrőt építhetnek be. A szitaszűrő csökkenti a víz lebegőanyag- tartalmát, és így javítja a szűrést követő derítés hatásfokát is. Nagyobb távolságra vezetett felszíni vizek esetében megakadályozhatók, illetve csökkenthetők a biológiai folyamatok is, ha szitaszűrőn kezelik. 30
Ülepítés. A szilárd hordalék (különösen áradás idején) egy részét (nagy szemcsék) homokfogóban választják le, míg a maradékot ülepítőben (főleg Lipcsei- típusúban) Derítés A negatív töltéssel rendelkező kolloid részecskék nem ülepíthetők. Derítőszerrel (pl. alumíniumszulfát) előbb mikró pelyheket képeznek (koaguláció), amelyek lassú keverés hatására már ülepedő makró pelyhekké tapadnak össze (flokkuláció). A szuszpenziók egy része azért nem ülepíthető, mert a benne lévő szilárd anyag kolloid rendszert alkot. A kolloidok nagy fajlagos felületűek, ezért jó adszorbensek. Gravitációs erőtérben nem ülepíthetők, mert a részecskék taszítják egymást (hidrofób kolloidoknál az adszorpcióval kialakuló elektromos kettős réteg, hidrofil kolloidoknál pedig a szemcséket körülvevő hidrát-burok miatt). A
derítés
feladata
az
iszapok
stabil
kolloid-rendszerének
megbontása,
koaguláltatása. Ez kisebb méretekben megoldható elektrolit adagolással, vagy kisózással. Üzemi méretekben gazdaságosabb olyan derítőszerek alkalmazása, amelyek nagy felületű pelyhes csapadékot képeznek, és így adszorpcióval a kolloid részecskéket aggregálni tudják. Derítőszerek: általában olyan vegyületek, amelyekből alumínium-, vagy vashidroxid különböző (pH-tól függő) összetételű hidrátjai keletkeznek (FeCl3, FeSO4 , AlCl3, Al2(SO4)3). Segéd-derítőszerek: előfordul, hogy kielégítő eredményt csak akkor érünk el, ha a derítőanyagok mellett más anyagokat is adagolunk. Ezek a segéd-derítőszerek, amelyek lehetnek: ▪ töltéssel rendelkező (kationos, vagy anionos) polielektrolitok ▪ finom szemcsés anyagok: bentonit, zeolit, kovaföld, aktívszénpor, mészkő A derítés mechanizmusa: vegyszerbekeverés: 1-2 perces – lejátszódik a perikinetikus koaguláció melynek során a részecskék 0.001mm-ről 10mm 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 gyakorlatban mindig derítési próbával határozzák meg a víz hőmérséklete, pH-ja, lebegőanyag koncentrációja függvényében a derítőszer minőségét, 31
mennyiségét, a bekeverési időt, az ülepítő típusát, az ülepedési időt, stb. Szűrés A szűrési sebesség: olyan sebesség, amelyet a szűrőt terhelő Q vízhozam és az áramlás irányára merőleges Asz szűrőfelület arányából számolunk ki:
v sz =
Q mértékegysége: m/h A
A szűrés sebessége függ: a szemcsenagyságtól, pórusmérettől, szűrőfelület nagyságától, a viszkozitástól (tehát közvetetten a hőmérséklettől), valamint a szűrő két oldala közötti nyomáskülönbségtől. A szűrőellenállás: a szűrés előrehaladtával a szűrő ellenállása folyamatosan nő. A szűrőellenállás értéke nő, ha: nő a szűrési sebesség finomabb szemcséjű szűrőanyagot alkalmazunk növeljük a szűrőréteg vastagságát fokozódik a szűrő eltömődése Lassú-szűrők Lehet nyitott vagy fedett, nagy felületű műtárgyak. Elsősorban előkezelt vizek utótisztítására alkalmasak. A szűrők feletti vízréteg min. 1,0 m. A szűrőellenállás 0,1 bar. A LASSÚSZŰRŐT
NEM
MOSATJÁK!
Az
eltömődött
szűrőréteget
letermelik
(zagyszivattyúval kiszívatják, lezsarabolják) 0,6 m vastagságig, majd újra feltöltik. Jó előtisztítás esetén a szűrési periódus 1 év is lehet. A lassúszűrő felső 1-3 cm-ben biológiai kultúra alakul ki, melynek lebontó hatása következtében a víz a bűzös anyagoktól is megtisztul. Gyors-szűrők: A változó (emelkedő)szintű gyors-szűrők Nyitott kivitelű, nagy mélységű szűrők, mivel a szűrő eltömődésével a vízszint a szűrőben folyamatosan emelkedik. A szűrő mosatásakor nagy mennyiségű, már előkezelt vizet kell leengedni az öblítővályú szintjéig. Kis mennyiségű felszíni vizek tisztítására, illetve vas és mangántalanítás során alkalmazzák. Állandó szintű gyors-szűrő Gravitációs üzemű szűrőtípus. A felszín alatti, a felszíni vizek tisztításakor, ipari víz előkészítésekor alkalmazzák egy vagy két rétegű alakban. A víz állandó szintjét tolózárral, vagy pillangószeleppel biztosítják. A két rétegű egyszerű szűrők felső rétege antracit, rétegvastagsága 0,3-0,4 m, a szemcseátmérő 2-4 mm, az alsó rétege 1,3-1,8 32
szemcseátmérőjű homok. Így mosatás után a szűrő eredeti állapotába rétegződik vissza. a szűrési periódus 24 – 48 óra. 48 óra után a szűrőt akkor is mosatni kell, ha a szűrőellenállás nem érte el az előírt értéket, mivel a szűrőanyag összetömörödik és járatok keletkeznek benne, ami vízminőség romláshoz vezet. Az eltömődött szűrőben vákuum is kialakulhat, ez gázkiváláshoz vezet és megnövekszik a szűrési ellenállás. Az öblítés folyamata: Levegővel és vízzel történik! 1-2 perces vízzel történő szűrőanyag fellazítás 5 perces levegővel történő rázatás, kevés öblítő kíséretében 15-40 perces vízzel történő öblítés elő-szűrlet vétele a szűrő üzembe állítása
Derítés után gyors-szűrők használhatók eredményesen. Amennyiben nincs szükség derítésre, akkor a leggyakrabban lassú-szűrőket alkalmaznak, melyek hatásfokát, a felületükön kialakuló biológiai réteg nagymértékben javítja. A felszíni víz esetleges mocsár- ill. halszagát is eltünteti. Levegőztetés A vízben abszorbeálódott veszélyt jelentő, vagy kellemetlen (bűzös) gázok eltávolítása. Erre az ad lehetőséget, hogy egyrészt a különböző gázok különböző erővel kötődnek meg, másrészt folyamatos légáramlattal (a parciális nyomás csökkentésével) az egyensúlyt a deszorpció felé mozdíthatjuk el. Gyakorlatilag levegőztetéssel valamennyi fizikailag abszorbeált gáz kiűzhető a vízből. Az eljárást sztrippingnek nevezzük. A mocsár- és halszag eltávolítása érdekében szóró rózsás levegőztetést alkalmaz(hat)nak. 33
Fertőtlenítés klórgázzal (ADVANCE adagolóberendezéssel). Olyan mennyiségű klórgázt kell elnyeletni, hogy a vízvezetékrendszer legtávolabbi pontján is legyen fertőtlenítő hatása. Huminsavak jelenlétében egészségre káros vegyületek (trihalometán, THM) keletkezhetnek. Ilyenkor: klórdioxid alkalmazása előnyösebb (lenne) –
(csak
gyártása robbanásveszélyes) NaOCl – kis mennyiségű víz esetében Ózon – hatása rövid idejű
Mélységi vizek kezelése. Gáztalanítás. 0,036mol/m3–nél nagyobb mennyiségű metángáz robbanás-veszélyes, eltávolítása VLV gáztalanítóban történhet sztrippinggel. (elve a felszíni vizeknél megtalálható)) az agresszív CO2 a vezetékek korrodálódását idézheti elő, kiűzése intenzív levegőztetéssel megvalósítható. További veszélyt jelenthet régi, ólomcsöves vezetékeknél,
hogy
a
vékony
ólom-oxid réteget leoldja, és így mérgezést is okozhat. Vas-, mangántalanítás Mindkettő 2 vegyértékű ionként, hidrogén-karbonáthoz
kötődve
fordul elő a vízben. Eltávolításuk oxidáció
segítségével,
hidroxid
csapadék formájában történhet, amelyet homokszűrőn fogunk fel. Az
oxidáció
megvalósítható
levegőztetéssel
(gáztalanítás),
nyomásalatti
légbefúvással
oxidálószerekkel
(klór,
és
ózon,
káliumpermanganát). A
szűrés
előszűrős
zárt
gyorsszűrővel a leghatékonyabb. Itt a felső réteg fermagó, az alsó pedig mangándioxidos kvarchomok.
34
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 kellett (volna) 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. 2. Szorpciós eljárások Ide tartoznak: 35
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. Nitrátmentesítés Sajnos csak ioncserével oldható meg, amely rendkívül költséges. Fertőtlenítés lsd. felszíni vizeknél.
Ipari vizek tisztítása. Az iparban nagyon sok helyen sokféle célra használják a vizet. Közvetlenül a termelési folyamatban, vagy segédanyagként is felhasználásra kerülhet, ezért a mennyiségi és a minőségi vízigények igen változatosak. Általános követelmény, hogy az ipari víz ne tartalmazzon: biológiai
eredetű,
illetve
biológiai
folyamatokat
elősegít-
(mikroorganizmusok, tápanyag) színeződést eredményező komponenseket (pl. vas, mangán) lerakódást okozó vegyületeket (karbonát-keménység) korróziót elősegít- anyagokat (egyes anionok, agresszív szénsav). Az ipari vízhasználatok minőségi igényei szerint a felhasználás főbb csoportjai: hűtővizek, élelmiszer-ipari víz, technológiai "finomvizek" egyéb ipari vizek.
36
anyagokat
Hűtővizek. Általában követelmény, hogy a hűtvíz ne tartalmazzon szabad ásványi savakat, agresszív szén-dioxidot, szabad klórt, sok kloridot, szulfátot és pH-értéke lehetőleg ne haladja meg a 9,5-et. Felszíni vizek esetében gyakran az is megfelelő eredményt biztosít, ha szitaszűrőn kezelve eltávolítják az uszadékokat. Élelmiszer-ipari vizek. A legtöbbször az ivóvízzel szemben támasztott követelményeknek kell megfelelnie, tehát az eddig megismert eljárásokat alkalmazzák a feldolgozás során. Kazántápvizek. Az erőművek biztonságos és gazdaságos üzemeltetése érdekében a tápvíz és a kazánvíz minőségére szigorú előírásokat kell betartani. A tápvíznek teljesen tisztának, színtelennek, minden kolloid és lebegő anyagtól mentesnek kell lennie. A kazánokban a vízkeménység kiválása nagy veszélyt hordozó vízkövet (kazánkövet) eredményez. Ezért kazántápvízként csak olyan víz alkalmazható, amelynek összes keménysége nem haladhatja meg a 0,1 nkº-ot .A tápvíz oldott sótartalmára vonatkozó előírások növekvő kazánnyomáson, illetve hőmérsékleten, egyre szigorúbbak. A nagynyomású, kényszer-áramlású kazánokban már teljesen sómentes, neutrális tápvizet használnak. Vízkeménység. A víz keménységét a vízben oldott kalcium és magnézium sók okozzák. Két csoportba soroljuk őket: karbonát keménység: Ca(HCO3)2 és Mg(HCO3)2. Változó keménységnek is szokták nevezni, mert hő hatására kicsapódnak: Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2 nem karbonát (állandó) keménység: a kalciumnak és a magnéziumnak valamennyi sója ide tartozik, amely nem hidrogén-karbonát. A keménység mértékét mmol/dm3 és nkº egységben is megadhatjuk. A nkº CaO egyenértékre számít át. 10 mg CaO-dal ekvivalens mennyiségű kalcium és magnézium só felel meg 1 nkº-nak. Ennek megfelelően 1 mmol/dm3 = 5,6 nkº Számítási példa. 1. Víz keménysége: 1 dm3 vízben az oldott sók a következő mennyiségben vannak jelen: CaCl2 111mg, MgCl2 38mg, Ca(HCO3)2 243mg, Mg(HCO3)2 73mg, MgSO4 84 mg. Mennyi a víz keménysége nk0-ban kifejezve? 37
Megoldás. mg/dm3
mg/mmol
mmol/dm3
nkº
Ca(HCO3)2
243
162
1,5
8,4
Mg(HCO3)2
73
146
0,5
2,8
CaCl2
111
111
1
5,6
MgCl2
38
95
0,4
2,24
MgSO4
84
120
0,7
3,92
Karbonát keménység: 8,4 + 2,8 = 11,2 nkº nem karbonát keménység: 5,6 + 2,24 + 3,92 = 11,76 nkº összes keménység: 22,96 nkº 2. Vízkő oldása. Az automata mosógépben, a melegítés hatására kivált vízkövet, 3 m3 víz felhasználása után vízkőoldóval távolítjuk el. Ehhez olyan oldatot használunk, amelynek foszforsav tartalma 18%. 1 dm3 oldószert (ρ = 1,111 g/cm3) töltünk a mosógépbe, és azzal járatjuk. A kezelés után a távozó vizet megvizsgáljuk. Az analízissel megállapítjuk, hogy a mosógépből 23,6 g szabad foszforsav távozik. Mennyi vízkövet távolított el az oldatunk, ha az oldódás a következő reakcióegyenlet alapján történik? (A(Ca) = 40 g/mol, A(O) = 16 g/mol, A(C) = 12 g/mol) 2H3PO4 + CaCO3 = Ca(H2PO4)2 + CO2 + H2O Az összes vízkövet CaCO3-nak tekintjük. Milyen reakció játszódik le a vízkő kicsapódásakor? (reakcióegyenlet) A felhasznált víz 20%-át melegítette a mosógép. Mennyi volt a mosásnál használt víz karbonát (változó) keménysége mmol/dm3 és nk˚ egységben kifejezve? Megoldás: Az oldószer foszforsav tartalma: 1000 cm3 ∙ 1,111 g/cm3 ∙ 0,18 = 200 g Az elhasznált foszforsav mennyisége: 200 – 23,6 = 176,4 g Ez 176,4 g / 98 g/mol = 1,8 mol 2 mol foszforsav 1 mol CaCO3-tal lép reakcióba Az eltávolított CaCO3 mennyisége: 0,9 mol ∙ 100 g/mol = 90 g Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2 38
A melegített vízmennyiség: 3 m3 ∙ 0,2 = 0,6 m3 A karbonát keménység: 0,9/0,6 = 1,5 mmol/dm3 → 8,4 nk˚ Csapadékos vízlágyítás. 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 A meszes vízlágyításnál a nem karbonát keménység (állandó keménység) tehát nem csökken, csak a magnézium cserélődik kalciumra. 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 megmaradó 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 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. A negatív töltésű aktív csoportok kationokat cserélnek, a pozitív töltésű aktív csoportok anionokat cserélnek. Ez alapján lehet kation és anion aktív műgyanta. 39
Kation cserélő műgyanta Aktív csoportja valamilyen savgyök, amelynek erősségétől függően vannak gyengén és erősen savas műgyanták. Gyengén savas: karboxil csoportot vagy fenolos csoportot tartalmaznak. Sav és só formában
is
használják.
Jellemzője:
az
ioncsere
szelektív,
a
szénlánc
hosszúságától függően más és más iont köt meg. 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 csoport; vagy nátrium só formája a szulfonát: R-SO3Na. 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: A gyengén lúgos gyanták (primer és szekunder aminok) szelektívek, míg az erősen lúgos kvaterner aminok nem szelektívek. Az ioncserélők általában vízben nem oldódó polielektrolitok. 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.
40
Számítási példa. 1. Önnek a laboratóriumban olyan ioncserélőt kell összeállítania, amely 2 m 3 víz sómentesítését képes elvégezni regenerálás nélkül. A kezelendő víznek a keménységen kívül egyéb sótartalma nincsen. A tervezéshez a következő lépéseket kell elvégeznie: A felhasználandó
víz
50
cm3-is
részleteit
titrálja
0,0495
mol/dm3
koncentrációjú EDTA mérőoldattal, Eriokromfekete T indikátor jelenlétében. A fogyások átlaga: 7,33 cm3. Számítja a víz összes keménységét (mmol/dm3). Felírja a kation csere reakcióegyenletét (Ca2+-ról H+ ionra). Számítja az összes lecserélendő ionok mennyiségét. Számítja a rendelkezésére álló erősen savas (-SO3H) kation cserélő gyanta mennyiségét, melynek kapacitása 4,8 mol/kg. Felírja az anion csere reakcióegyenletét (pl. Cl--ról OH- ionra). Számítja az összes lecserélendő ionok mennyiségét. Számítja a rendelkezésére álló erősen lúgos (– N(CH3)3 cserélő gyanta mennyiségét, melynek kapacitása 3,4 mol/kg. Megoldás: A mólarány az EDTA-val Ca2+ és Mg2+ esetében is 1:1 0,0495 mol/ dm3 = 0,0495 mmol/ cm3 50 cm3-re fogyott EDTA mennyisége: 7,33 cm3∙0,0495 mmol/ cm3 = 0,363 mmol 1000 cm3-re: 20 ∙ 0,363 = 7,26 mmol/dm3 2 Gy-H + Ca2+ = Gy2Ca + 2 H+ Vagy: 2 R-SO3H + Ca2+ = R-SO3 - Ca – O3S-R+ 2 H+ A lecserélendő H+ ionok mennyisége: 2 ∙ 7,26 ∙ 2 = 29,04 mol Ha 4,8 mol lecseréléséhez 1 kg gyanta kell, Akkor 29,04 mol lecseréléséhez 6,05 kg gyanta kell, GY-OH + Cl- = GY-Cl + OH– Vagy: R– N(CH3)3
+
OH– + Cl- = R– N(CH3)3
+
Cl- + OH-
A lecserélendő H+ ionok mennyisége: 29,04 mol Ha 3,4 mol lecseréléséhez 1 kg gyanta kell, Akkor 29,04 mol lecseréléséhez 8,54 kg gyanta kell
41
OH–) anion
+
2. A kationcserélő gyantán 18 m3, 15,12 nk0 keménységű vizet vezetnek át. Számítsa ki: Mennyi lesz az ioncserélőn átfolyó víz pH-ja? Mennyi a gyanta kapacitása, ha annak tömege: 4,5 kg? Hány dm3 4 mol/ dm3 koncentrációjú HCl oldattal regenerálható a gyanta? Megoldás. 2 GyH + Ca2+ = Gy2Ca + 2H+ 1 mol Ca2+ ion 2 mol hidrogén ionnal egyenértékű 15,12 nk0 151, 2 mg CaO egyenértéket jelent 151,2/56 = 2,7 mmol Ca2+ ion [H+
-3
mol/ dm3
pH = - lg [H+] = -
-3
-3
= 2,27 -3
c = n/v
mol/ dm3
mol/ dm3
3
/ 4,5 kg = 21,6 mol/kg
v = n/c -3
mol/ dm3
3
/ 4 mol/ dm3 = 24,3 dm3 HCl
Szennyvíztisztítás. Szennyvizek tisztításának fizikai, kémiai módszerei. Hordalékfogók: Fenékszintjük legalább a csatorna alatt 1m-re van. Olyan darabos anyagok megfogására szolgál, amelyek d > 50mm. Gerebek és rácsok: Rácsokat kell alkalmazni általában a szennyvízátemelő telepen a szivattyúk előtt, illetve a szennyvíztisztító telepek homokfogó és előülepítői előtt. A rácsokat a pálcák távolságának figyelembevételével durva és finom rács szerint különböztetnek meg, ahol a durva rács (gereb) pálcaköze általában 50 mm. A nagyobb pálcaköz lehetővé teszi a papír uszadék, sár szennyeződések áthaladását. Durva rácsot elsősorban egyesített rendszerű csatornahálózatban kell betervezni és megvalósítani. A finom rács pálcaköze 10 és 50 mm között van. A rácsszemét könnyen rothadó, erős szaghatással bíró anyag, amely külön kezelést igényel. Veszélyes hulladéknak kell tekinteni. Homokfogók: A homokfogókat általában a szennyvízrácsokat követően építik be a technológiai 42
folyamatba, hogy a soron következő berendezések üzemét védjék az ásványi anyagok okozta károsodástól. Különösen egyesített rendszerű csatornahálózat esetében kell a homokfogókról gondoskodni a szennyvíztisztító telepeken. Magas szervesanyag-terhelés esetén a homokfogókat homokmosó berendezésekkel egészíthetik ki, szerves anyag tartalom csökkentésére. Ezek kiépítése általában hidrociklonra emlékeztetőek. A homokfogók lényegében ülepítőknek tekinthetőek, amelyek elsődlegesen a szemcsés ásványi anyagok eltávolítását végzik el. Nagy teljesítményű szennyvíztisztítókban légbefúvásos homokfogókat alkalmaznak. A zagy forgó és haladó mozgást is végez. .A légbefúvás jelentősen
emeli
oxigéntartalmát szakaszos
is.
vagy
a Az
szennyvíz iszap
oldott
összegyűjtése
folyamatos
a
homok
mennyiségétől függően. Az iszap elvétele a kotrással egyidejű, egyben a felúszó anyagokat is el lehet távolítani. A csavaráramlási sebesség: 0,3 m/s, haladási sebesség 0,15 m/s Ülepítők: Az ülepítőket átfolyásuk szerint három csoportba sorolhatjuk: Vízszintes hosszanti átfolyásúak (pl. Lipcsei) A hosszanti átfolyású ülepítőket 150…2000 m 3/d teljesítményűre méretezik. 50.000 m3/d feletti vízhozamok esetén célszerűen alkalmazhatók a kis helyigényű tömbös elrendezés megvalósíthatósága miatt. Alkalmazhatók önálló mechanikai tisztítóberendezésként: Öntözés előtti előtisztításra Biológiai szennyvíztisztításkor elő-, közbenső- és utóülepítőként Csapadékvíz ülepítőként Ipari víz mechanikai előkezelésére A medencék hatásfoka 80 % körüli, ez a medencék között a legjobb. Az iszapokat toló lap, folyamatos iszapelvétel esetén láncos kotróberendezés juttatja a zsompba. Az iszapelvétel szakaszos vagy folyamatos leeresztéssel, zagyszivattyúval, mamutszivattyúval, vagy csigaszivattyúval történik.
43
Vízszintes sugárirányú átfolyásúak: Dorr – típusú ülepítő: 300-400 m3/d vízhozamok felett alkalmazhatók célszerűen; elő-, közbenső- és 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. Függőleges átfolyásúak: Dortmundi- típusú ülepítő: kis és közepes szennyvíztisztító telepeken 2500 m 3/d szennyvíz hozamig utóülepítőként alkalmazhatók. Átmérőjük kisebb vagy legfeljebb 8 m és legfeljebb 4 db-ot kapcsolnak párhuzamosan. A szennyvíz beadagolása a középen lévő merülőcsövön keresztül történik a medence alsó harmadába. A medence alakja Dorrülepítővel ellentétben (amely hengeres) erősen kúpos. Az iszap eltávolítása az ülepítő aljára levezetett csövön keresztül történik szivattyúval. Ülepítők jellemzői, méretezése: Jól működő ülepítő: tt = tü = L/vk keresztmetszeti felület számítása: Ak = BQ/vk vízszintes felület számítása: Aü = LB = Q/vü mert vü = H/tü , így Q = BLvü felületi vízhozam terhelés: Lvh = vü = Q/A felületi lebegőanyag terhelés: Lvh = Q/A Mohlman index: Mi = Vi/Xi ahol Vi az 1 dm3 mintából 30 perc alatt kiülepedett iszap térfogata, Xi a kiülepedett iszap szárazanyag-tartalma Számítási példa: Egy hosszanti átfolyású ülepítőre 1440 m 3/nap szennyvíz érkezik. Az ülepítő mélysége 0,7 m, és a szükséges tartózkodási idő 3,5 h. Számolja ki az ülepedési sebességet, az ülepítő felületet és az ülepítő hasznos térfogatát a megadott adatokból és a számított adat felhasználásával is! Megoldás: Q = 1440 m3/nap = 60 m3/h H = 0,7 m T = 3,5 h Az ülepedési sebesség: v = H/t = 0.7/3,5 = 0,2 m/h Az ülepítő felület: 44
V = Q/A A = Q/v = 60/0,2 = 300 m2 A hasznos térfogat: Megadott adatokból: Számított adattal
V = Q*t = 60*3,5 = 210 m3
V = A*H = 300 m2*0.7 m = 210 m3
Számítási példa: Mekkora Dorr-ülepítőt kell telepíteni, ha naponta 70000 m 3 vizet kell ülepíteni, a legkisebb kiülepedő szemcse mérete 40 μm, sűrűsége 2,3 g/cm 3, az anyalúg sűrűsége 1,1 g/cm3, a dinamikai viszkozitása pedig 1,2•10-3 Pas? Megoldás: Q = 70000 m3/d = 0,81 m3/s ρsz = 2,3 g/cm3 = 2300 kg/m3 ρf = 1,1 g/cm3 = 1100 kg/m3
vü = 8,72 • 10-4 m/s A = Q / v = 0,81 m3/s / 8,72 • 10-4 m/s = 928,9 m2 D = ( A • 4/3 )1/2 = 35,2 m a Dorr ülepítő átmérője. Számítási példa: Egy 2 m mély, 10 m széles Lipcsei típusú ülepítőben naponta 2000 m 3 szennyvizet ülepítenek. Mekkora a legkisebb kiülepedő szemcse mérete, ha az ülepedési sebesség az áramlási sebesség duplája, η = 1,8·10-3 Pa•s, ρsz = 2120 kg/m3 , ρf = 1200 kg/m3 Megoldás: A = 2 m • 10 m = 20 m2 Q = 2000 m3/d = 0,023 m3/s
v=
0,023 Q , v= , v = 0,00115 m/s A 20
vü = v · 2 = 0,00115 m/s · 2 = 0,0023 m/s 9,05 · 10-5 m = 90,5 μm
45
Természetes szennyvíztisztítás. Hígítás: A szennyvizet közvetlenül felszíni vízfolyásba engedve, az ott eleve jelenlévő mikroorganizmusok a szerves anyagokat lebontják. Ezt nevezzük az élővizek öntisztuló képességének. A folyamat nagy mennyiségű oxigént igényel, így arra kell ügyelni, hogy a halak számára szükséges mennyiség megmaradjon. Számítási példa: Mennyi szennyvíz engedhető be naponta a Q = 110 m 3/sec vízhozamú, 7,6 mg/dm3 oldott oxigén-tartalmú folyóba, ha a szennyvíz szerves anyag tartalmára jellemző BOI = 140 mg/dm3? Az oldott oxigén-tartalom nem csökkenhet 5,2 mg/dm3 alá! Megoldás: a. Q = 110 m3/s c1 = 7,6 mg/ dm3 c2 = 5,2 mg/ dm3 BOI = 140 mg/ dm3 b. egy nap = 24 óra = 24 60 60 = 86400 s c. a folyó egy napi vízhozama: V1 = Qt = 110 m3/s 86400 s = 9504000 m3 d. 1 mg/ dm3 = 1 g/m3 e. oldott oxigéntartalom az egy napi vízmennyiségben: m = V1c1 = 9504000 m3 7,6 g/m3 = 72230400 g f. a szennyvíz által elfogyasztott oxigén mennyisége: m = V2 BOI = X m3 140 g/m3 g. az összes vízmennyiség: V3 = V1 + V2 = 9504000 m3 + X m3 h. a folyó maradék oxigéntartalma: m = V3 c2 = (9504000 m3 + X) 5,2 g/m3 i.
a teljes anyagmérleg:
72230400g – X m3 140 g/m3 = (9504000m3 + X m3) 5,2 g/m3 145,2 g/m3 X m3 = 72230400 g – 49420800 g = 22809600 g j. naponta a folyóba engedhető szennyvízmennyiség tehát: X = 157090,9 m3
46
Gyökérzónás szennyvízöntözés: Előülepítés után fás terület öntözésére használják fel a szennyvizet. A fasorokat bakhátakra telepítik, a szennyvizet pedig a bakhátak által alkotott csatornákba vezetik. A víz beszivárog a fák gyökérzónájába, így szerves anyag tartalma a fák számára hozzáférhetővé válik. A felvett tápanyag gyors növekedést idéz elő, különösen a nyárfánál, nyírfánál és a fűzfánál. Ezek a fák ráadásul nagy vízigényűek is, ezért az ilyen típusú szennyvíztisztításra a legalkalmasabbak. 5 – 6 év után kitermelhetőek, értékesítésük hasznot is hoz, ill. csökkenti az üzemelési költséget. A telepített erdőt elvezető árokkal kell körülvenni, amely az esetleg el nem szivárgott
vizet
nem
engedi
szétterülni.
Amennyiben
felmerül
a
talajvíz
elszennyeződésének veszélye, akkor a területet dréncsövezik is.
Talajszűrés: Olyan talajszerkezet esetében alkalmazható, amely legalább napi 50 mm vízáteresztőképességgel rendelkezik. Terhelhetőség: naponta 1-2-szer lökésszerűen rávezetett 5-30 cm vízborítás. A terület 5-15 év alatt elveszti szűrőképességét. Tavas szennyvíztisztítás: anaerób szennyvíztavak: 2 m körüli mélységű, bűzös üzemű, földmedrű tározók, melyek legfeljebb rácsos előtisztítást igényelnek. Védőtávolság min. 500 m. A szerves anyagok lebontását obligát anaerób baktériumok végzik. fakultatív tavak:a lebontást fakultatív baktériumok végzik, amelyek aeró és anaerób körülmények között is életképesek. A tó felső 40-60 cm-es rétegében aerób, az alatta
lévőben
anaerób
folyamatok
játszódnak
le.
Hőmérsékletre
és
szennyvízmennyiség-változásra érzékenyek. Előnyös a ~0,5 órás ülepítés. Aerób tavak: időszakosan mesterséges oxigénbevitelt, levegőztetést alkalmaznak. 47
A levegőbevitelt a felszínen úszó függőleges tengelyű aerátorokkal biztosítják. Bevezetés előtt legalább 1 órás ülepítés szükséges. Halastavak: a halak védelme érdekében legalább 4 g/m 3 oldott oxigén, 2 órás előülepítés, és 3-5-szörös hígítóvíz szükséges.
Biológiai szennyvíztisztítás. 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. Minden szennyvízben és a lebontás során termelődő iszapban lévő szerves anyag lebontása megtörténik.
A nagy terhelésű teljes biológiai tisztítás. A szennyvízben lévő szerves anyagok teljes lebontása történik, a keletkező biológiai iszap leválasztását pedig az eleveniszapos medencét követő utóülepítő végzi. A mikroorganizmusoknak nagy mennyiségű tápanyag áll rendelkezésére, így szaporodhatnak is. A szennyvízben lévő szerves anyagok teljes lebontását az teszi lehetővé, hogy az eleven-iszapot recirkuláltatják. Az eleven-iszapos
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 eleven iszap recirkuláció, ezért legalább hetente 48
ellenőrzik. Az iszap állapotáról nyújt információt a Mohlman index, amely az 1dm3 mintából 30 perc alatt kiülepedett iszap térfogatának és szárazanyag
tartalmának arányát adja meg.
M i=
Vi Xi
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. Csoportosításuk 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 (750-1100g BOI/m3 d): oxigéndús utóülepített szennyvizet recirkuláltatnak a csepegtetőtestre. A vízelosztást Segner-elvű forgópermetező biztosítja. Merülőtárcsás csepegtetőtest: a tárcsákra tapadt mikro-organizmusok forgás közben hol tápanyaghoz jutnak, hol oxigénhez. 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 – 49
10 óra alatt. A pseudomonas és a micrococcus baktérium törzsek végzik a denitrifikálást. Könnyen
oxidálható
szénforrásként,
(vagyis
táplálékként)
metilalkoholt
adagolnak a medencébe. Számítási példa: A szennyvíztisztító telepen a szerves anyagok lebomlásakor keletkező ammóniát mikroorganizmusok által elvégzett nitrifikálással nitráttá, majd denitrifikálással elemi nitrogénné alakítják át. a. Milyen reakciókkal jellemezhető a nitrifikálás két lépcsője, és milyen baktérium törzsek vesznek részt benne? Egészítse ki a reakcióegyenleteket, és nevezze meg a folyamatban résztvevő baktériumot!
b. A nitrifikálást egy 5 m széles, 10 m hosszú, 4 m mély levegőztető medencében végzik el. Az előtisztított szennyvíz ammónium koncentrációja: 126 mg/dm3. A medencébe olyan 20 ˚C-os levegőt juttatnak be apró buborékok formájában, melynek oxigén tartalma: 20,8 tf%. Számítsa ki, hogy mennyi az elméletileg szükséges levegő mennyisége (m3)! A(N) = 14 g/mol, A(O) = 16 g/mol, VM = 24 dm3/mol 20˚C-on Megoldás: Nitrosomonas:
Nitrobacter:
Az ammóniumion mennyisége 126 mg/dm3 = 126 g/m3 Ez 126/18 = 7 mol m3-enként A medence térfogata: 5 ∙ 10 ∙ 4 = 200 m3 Az ammónium teljes mennyisége: 7 ∙ 200 = 1400 mol Ehhez 2800 mol oxigén szükséges 2800 mol térfogata 20 ˚C-on 2800 ∙ 24 dm3 = 67200 dm3 = 67,2 m3 Az elméletileg szükséges levegő: 67,2/0,208 = 323 m3
50
Kémiai utótisztítás: foszfátok 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. 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:
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.
51
Szennyvíziszap kezelése: Rothasztás, biogáz termelés: Az anaerob iszaprothasztás olyan biológiai folyamat, amelyben a szerves anyagnak (szennyvíziszap vagy szerves anyagot tartalmazó zagyok) az ilyen körülmények között (oxigén jelenléte nélkül) bontható része kerül átalakításra. Végeredménye, hogy az iszap szilárd szerves anyaga ártalmatlanabb és könnyebben vízteleníthető formájúvá alakul, miközben biogáz formájában energiahordozó keletkezik. Ez utóbbi metánból és széndioxidból áll. Az átalakulás során értelemszerűen az iszap szerves anyagának a mennyisége csökken, ami kedvező a további feldolgozás, elhelyezés szempontjából. Az anaerob
folyamatok
során
sokféle
patogén
mikroorganizmus
fertőzőképessége
megszűnik. A végtermék olyan stabil iszap, amely a talajok javítására, tápanyag-ellátására hasznosítható. Előnyei: Az eljárás valamennyi kommunális szennyvíztisztítóban többlet-
energia termelő folyamat. Ez azt jelenti, hogy a szerves anyag biológiai átalakítása során keletkező energiahordozó (metán) messze biztosítja a telep teljes energiaigényét. A hasznosítható többletenergia elektromosság, vagy fűtő-hő formájában jelentkezhet. Az iszap tömegének és térfogatának csökkentése. A szerves anyag
tartalomban
a
csökkenés
rendszerint
25
-
50
%,
ami
hasonló
költségcsökkentést jelent az iszap további elhelyezésénél. Iszapstabilizáció. Az anaerob rothasztás terméke ártalmatlan,
lényegesen kevésbé szagos, és rothadás nélkül tárolható. Nitrogént, foszfort valamint
szerves
anyagokat
tartalmaz,
melyek
a
talaj
szerkezetét,
termőképességét javíthatják.
Fertőtlenítés. Az anaerob rothasztás során a patogén szervezetek jelentős csökkenése következik be.
A lejátszódó folyamatok. A szerves anyag anaerob átalakulása, lebomlása több lépcsőben megy végbe. Ezek mindegyikét különböző baktérium-csoportok végzik.
52
Az első csoport olyan fermentáló baktériumokból áll, melyek a komplex szerves molekulákat egyszerűbb, oldható anyagokká hidrolizálják. Az átalakítás első lépcsője enzimatikus hidrolízis, amely a sejtfalon kívüli térben következik be a sejtek
által
termelődő
szénhidrátokból
exocelluláris
egyszerűbb
enzimek
cukrokat,
a
hatására.
fehérjékből
A
hidrolízis
a
aminosavakat,
a
zsírokból zsírsavakat termel. A vízoldható szerves vegyületek ezt követően még egyszerűbb vegyületekké bomlanak. Ilyenek a formátok, acetátok, propionátok, butirátok, laktátok, szukcinátok, az etanol, a széndioxid és a hidrogén gáz. A savanyító baktériumok az anaerob átalakítást végző baktériumok második csoportja, melyet acetogén baktériumoknak is neveznek. Acetátot, széndioxidot és hidrogént állítanak elő az első baktérium-csoport által termelt egyszerűbb szerves vegyületekből. A harmadik baktériumcsoport, melyet metanogéneknek is neveznek, a közti termékeket széndioxiddá és metánná alakítja át. Az utóbbiak a metánt két különböző úton is termelik. Annak mintegy 70 %-át a szennyvíziszap rothasztása során az acetát széthasításával (Smith és Mah, 1978), a többi részt a hidrogén és széndioxid felhasználásával, szintézisével biztosítják. Ez utóbbi átalakítási folyamat kritikus az anaerob rothasztás egészét illetően, mivel ez távolítja el a hidrogént a reakciós közegből, megfelelően alacsony hidrogén parciális nyomást biztosítva az acetát termeléséhez. Ha a hidrogén parciális nyomása egy minimális érték fölé nő, a fermentációt végző baktériumok az acetát helyett egyéb savakat termelnek, és az utóbbiak acetogén mikroorganizmusokkal történő átalakítása acetáttá végül is leáll. Mivel a metántermelés elsődleges folyamata az acetát szén-szén kötésének felnyitása, az acetát termelés csökkenése a biogáz termelésének csökkenését eredményezi. A metanogén baktériumok különösen érzékenyek, és lassan szaporodnak, nagyon fontos, hogy számukra az optimális környezeti feltételek, a hőmérséklet és pH biztosítva legyenek, és időben felismerjék és korrigálják a folyamatok instabilitását eredményező egyéb tényezőket, körülményeket.
A metanogén baktériumok
kizárólagosan anaerob szervezetek. A molekuláris oxigén jelenléte toxikus számukra, sőt többféle szervetlen anyag is gátolja a szaporodásukat. Ennek megfelelően az oxigén ilyen formáit ki kell zárni az anaerob rothasztásból. Ez biztonsági szempontból is fontos, hiszen a levegővel a biogáz robbanóelegyet 53
képezhet.
Számítási példa. A szennyvíztisztítóban naponta 200 m3 sűrített, fölös eleveniszap keletkezik. Ennek 3
, szárazanyagtartalma: w = 5%.
a. Mennyi biogáz keletkezik a rothasztáskor, ha 1 kg szerves anyagból 1 Nm3 nedves gáz nyerhető ki, és az iszap száraz anyagának 90%-a szerves? b. Mennyi víz (kg) válik le a kondenzorban, ha a gáz összetétele (térfogatszázalékban): CO2 →28%, CH4 →42%, vízgőz 30% c. Hány Nm3 lesz a száraz biogáz mennyisége? d. Mennyi energia nyerhető ki, ha 1 m3 metán elégetésével 9 kWh-t hasznosíthatunk? Megoldás. a. Az iszap tömege: 200 m3 ∙ 1080 kg/m3 = 216000 kg Szárazanyag tartalom: 216000 kg ∙ 0,05 = 10800 kg Szerves anyag mennyisége: 10800 kg ∙ 0,9 = 9720 kg A keletkező gáz mennyisége: 9720 Nm3 b. Vízgőztartalom: 9720 Nm3 ∙ 0,3 = 2916 Nm3 Ez 2916000 dm3 / 22,41 dm3/mol = 130120,48 mol víz Ami 130120,48 mol ∙ 18 g/mol = 2342169 g ~ 2342, 2 kg víz c. 9720 Nm3 - 2916 Nm3 = 6804 Nm3 a száraz biogáz mennyisége d. Ebből
metán:
6804 ∙ 0,6 = 4082,4 m3 A
kinyert
energia: 4082,4 m3 ∙ 9 kWh = 36741,6 kWh
További iszapkezelési eljárások: Sűrítés: Elvégezhető gravitációs sűrítőkben. A gravitációs sűrítők speciálisan kialakított ülepítő berendezések. A víz- és szennyvíztisztítás, az ipari víz előkészítése során keletkező iszapok, zagyok térfogatcsökkentését, illetve víztartalmának csökkentését szolgálják. A 54
kezelésre kerülő iszapok víztartalma 90- 95 V/V% között változik. A leggyakrabban használt, jó hatásfokkal dolgozó sűrítő a pálcás sűrítő. Felépítése hasonlít a Dorrülepítőre, azonban itt egy rács forog lassan körbe egy tengely körül. A szemcsék ütköznek, összetapadnak, és egyre nagyobb méretűek lesznek, így ki tudnak ülepedni. A sűrített iszap 80-120 kg/m3 szárazanyag-tartalmú. Víztelenítés: Centrifugával. Centrifugális erőtérben az ülepedés hajtóereje a gravitációs erő sokszorosa is lehet. A centrifuga jelzőszáma éppen azt mutatja meg, hogy a 2
r⋅ ω z= g gravitáció hány-szorosával dolgozik: sebesség a következőképpen alakul:
Ennek megfelelően az ülepedési
d 2 r ω2 ρx ρ vü = 18 η
Iszapcentrifuga: Az iszapcentrifugának két
forgó
alkatrésze is van, a centrifuga dob (G), amelynek meghajtását a „B” jelű
ékszíjtárcsa
biztosítja, míg az „A”
jelű
a
kihajtócsigát forgatja (F). Egy irányba forognak, azonban különböző sebességgel. A betáplált iszap (D) a forgódobra kerül, ahol a víz és a sűrített iszap szétválik. A víz kisebb sűrűségénél fogva a centrifuga tengelye felé halad, így csak a „H” jelű csonkon keresztül tud távozni. Az iszap a centrifuga dobjára ül ki, ahonnan a csiga tereli az „E” kivezető csonk felé. „C”-vel a centrifuga köpenyét jelöltük, amely láthatatlanná teszi, hogy mi történik a centrifugában. Szűrőpréssel Víztelenítésre alkalmazható szakaszos üzemű berendezések. A szűrőpréssel kezelt iszapok víztartalma 50…60%. Előnye, hogy nagy nyomással (10-20 bar) is működtethetők. Hátránya a szakaszos üzemmód, a ciklusidő 3-8 óra. A szűrőprések 55
lehetnek keretesek, illetve kamrásak. A keretes szűrőprés esetében kétféle (üres és teli) keretek felváltva vannak egymás mellé szerelve. A teli keretek bordásak. A szuszpenziót az üres keretek alján vezetik be, a vizet pedig a teli keretek tetején vezetik el. (fordítva is lehet!) a keretes szűrőpréseket ma már előnyben részesítik, mert az üres keretekben több hely van a kiszűrt iszap számára,
mint
a
kamrás
szűrőprésben, hosszabb dolgozhat
ezért üzemidővel
(ritkábban
kell
szétszedni, és kitakarítani). Szalagszűrő préssel. Folyamatos
üzemű
iszapvíztelenítő berendezések. A kezelt iszap víztartalma 75-80%. A szűrők teljesítménye az iszapok lebegőanyag-tartalmától, az iszapféleségtől, és a kondicionáló vegyszertől függően 2-10 kg/(m2 *h). Komposztálás: Az átmenetileg kialakuló 60 ˚C-os hőmérséklet a patogén baktériumokat is elpusztítja. Lerakás: Csak akkor alkalmazandó, ha más hasznosítási lehetőség nincs
Ipari szennyvizek tisztítása. Az egy településen keletkező összes szennyvíz központi szennyvíztisztító telepen való együttes biológiai tisztítására érdemes törekedni, mert így a leggazdaságosabb. Ehhez azonban szükség van az ipari szennyvizek előtisztítására, mert az esetleg bennük lévő különböző káros anyagok (pl. nehézfémek, fenolok, cianid) a lebontást végző mikroorganizmusokat elpusztítanák. Cianidok ártalmatlanítása A cianid rendkívül veszélyes mérgező anyag, ezért a szennyvizekből a keletkezés helyén el kell távolítani. A cianid oxidációs reakcióval könnyen megsemmisíthető. Galvanizáló üzemek szennyvizeit lúgos közegben (pH=11) hipoklorittal kezelve a cianidok elbomlanak, és ártalmatlan vegyületek keletkeznek. 56
Számítási példa: Egy galvanizáló üzem szennyvize 58,8 g/m 3 nátriumcianidot (NaCN) tartalmaz. A cianidok megbontása NaOCl-al való oxidációval történik, a következő reakcióegyenlet szerint: 2 NaCN + 5 NaOCl + 2 NaOH = N2 + 5 NaCl + 2 Na2CO3 + H2O 1. Hány g NaOCl szükséges 3 m3 ciántartalmú szennyvíz ártalmatlanításához? A(Na) = 23 g/mol, A(C) = 12 g/mol, A(N) = 14 g/mol, A(O) = 16 g/mol, A(Cl) = 35,5 g/mol 2. Mennyi szilárd nátrium-hidroxidra van szükség? (legalább pH = 11-re van szükség) Megoldás: 1. A hipó mennyiségének kiszámítása. M(NaCN) = 23 + 12 + 14 = 49 g/mol 49 g
→
1mol
58,8 g
→
x mol
x = 58,8/49 = 1,2 mol 2 NaCN + 5 NaOCl + 2 NaOH = N2 + 5 NaCl + 2 Na2CO3 + H2O 2 mol-hoz → 5 mol szükséges 1,2 mol-hoz → x mol szükséges x = 1,2
5/2 = 3 mol
1 m3-hez → 3 mol kell 3 m3-hez → x mol kell
x = 9 mol
M(NaOCl) = 23 + 16 + 35,5 = 84,5 g/mol
1 mol
9 mol → x g
X = 9 • 84,5 = 760,50 g = 76,05 kg
→ 84,5 g
2. A nátronlúg mennyiségének kiszámítása. pH = 11
pOH = 14 – 11 = 3
[OH-] = 10-3 mol/dm3 = 1 mol/m3 3 m3-hez → 3 mol kell m=n
40 g/mol = 120 g
A reakcióegyenlet szerint számolva:
3.
57
M = 3 mol
2 mol-hoz 2 mol, vagyis 1,2 mol-hoz 1,2 mol
1 m3-hez → 1,2 mol kell, vagyis 3 m3-hez → 3,6 mol kell
m=n
M = 3,6 mol
40 g/mol = 144 g ezt kell figyelembe venni,
mert szükséges a reakció teljes végbemeneteléhez! (a pH minimumot írt elő!) Fluoridok eltávolítása. A fluoridok (KF, NaF) rendkívül mérgező anyagok. Fő felhasználási területük az alumínium kohászat és a patkányirtás. (Ma már nem, mert a patkányok megtanulják, hogy mérgező, és nem eszik meg). A fogaknak ugyan jót tesz (csak 12 éves korig), de nem lenyelve! A szennyvizekben lévő fluorid baktériumölő hatása a biológiai szennyvíztisztítást is tönkreteszi. (mindegy, hogy eleven-iszapos, vagy csepegtetőtestes eljárásról van szó). Ezért el kell távolítani, mielőtt a központi szennyvíztisztítóba kerülne. A fluorid mésztejjel CaF2 csapadék formájában leválasztható. A gondot az jelenti, hogy a csapadék oldhatósága nagyobb, mint az a határérték, amely alatt veszélytelenné válna. Ezért a mésztejes leválasztást csak előtisztításként alkalmazzák olyan estekben, amikor a fluor koncentráció nagyon magas, majd más eljárással (pl. membrán technológiával) csökkentik határérték alá a koncentrációt. Elektrodialízis. Használhatják: d. víztisztításnál vízlágyításra, só-mentesítésre e. szennyvíztisztításnál sóoldatok ionmentesítésére, vagy töményítésére, de használhatják ionos és nem ionos anyagok szétválasztására is. Az eljárás azon alapszik, hogy egyenfeszültség hatására az ionok az ellenkező töltésű elektród felé vándorolnak. A csak kationokat és a csak anionokat eresztő hártyákat (membránokat) felváltva helyezik el. Az így kialakult cellák egyikében csökken, míg a mellette lévőben nő a só-koncentráció. A membránok egymástól való távolsága 1-2 mm. Másik lehetőség: hogy a fluoridot tartalmazó vizet
trikalcium-foszfát
[Ca3(PO4)2] engedik
át.
szűrőn Ez
az
anyag úgy köti meg a fluort, hogy fluorapatittá [Ca5(PO4)3F] alakul át, (amiből előállították).
58
Olajos szennyvizek tisztítása. A nagy olajtartalmú szennyvizek előkezelése is ajánlatos, mert feleslegesen terhelnék a biológiai tisztítást. Olajos szennyvíz nemcsak a kőolaj-feldolgozó és a petrolkémiai iparban, hanem számos egyéb helyen (pl. autómosóban, javító műhelyben, stb.) keletkezik. Ennek a nagy mennyiségű hulladék olajnak a feldolgozása akkor gazdaságos, ha mechanikai olajfogón választják el a szennyvíztől, mert ebben az esetben valamilyen formában hasznosíthatóvá válik. Olajfogók: Igen elterjedtek a vízszintes átfolyású olajfogók.
átfolyási sebesség maximálisan 1,5 cm/s vagy a 150 um átmérőjű olajcsepp felúszási sebességének legfeljebb 15-szöröse;
a medencében a vízmélység 0,9 és 2,4 méter között;
a mélység : szélesség arány 0,3 és 0,5 között.
Az
olajfogók jó hatásfokkal csak 150 um-nél nagyobb átmérőjű olajcseppek
elválasztására alkalmasak, az elfolyó szennyvíz olajtartalma 50-100 mg/1. Lemezes olajfogó berendezések. A lemezek elhelyezése megrövidíti azt a távolságot, amelyen az egyes olajcseppeknek fel kell úszni, így a lassabban felúszó, kisebb cseppek is elkülöníthetők. A lemezes olajfogók 60 um-nál nagyobb átmérőjű olajcseppek eltávolítására hatásosak, a tisztított víz olajtartalma 10-30 mg/1. Tangenciális
olajfogók.
Az
olajfogók
előtt
bizonyos
esetekben
emulzióbontó
vegyszereket (pl. kénsav, kalcium-klorid) adagolnak. Ezzel élelmiszer-ipari és ásványolaj-ipari szennyvizek olajtartalmának kinyerésére, valamint kiülepedő hordalék eltávolítására is alkalmassá válnak. A tisztítandó víz érintőlegesen érkezik a lefelé kúposodó henger alakú műtárgyba. A forgó mozgás következtében a kisebb sűrűségű olaj a középpont felé halad, ahonnan a teleszkópos olajleszedővel eltávolítható. Flotálók Az olajfogók után a vízben maradó kolloid méretű olaj és lebegőanyag eltávolítására a flokkuláció vagy flotáció alkalmas. A flokkulálószerek a szennyvízben hidrolizálva nagy fajlagos felületű pelyheket képeznek, ezeken a kolloid és emulgeált szennyezések adszorbeálódnak, a pelyheket ülepítik. A flotációnál az olajcseppeket és lebegőanyagot a hozzájuk tapadt levegőbuborékok 59
emelik a felszínre, ahonnan az olajos habot lefölözik. Durvább szennyezések esetén a levegőt a szennyvízbe buborékoltatással vagy rotorral is bevihetik, nagyobb diszperzitásfoknál előnyösebb az oldott levegős flotáció, amikor 0,2-0,4 MPa nyomáson a szennyvízben levegőt oldanak. A tisztítandó folyadékot nyomáscsökkentő szelepen átengedve a túltelített levegőmennyiség néhány mikrométer átmérőjű buborékok formájában távozik, magával ragadva a kolloid méretű olajat és lebegőanyagot. Napjainkban 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. Ez a változat különösen akkor előnyös, ha a szennyvizet előzőleg flokkuláló szerekkel kezelték, vagy a levegővel való telítéskor az
intenzív
keverés
a
szennyvíz
olaj-
és
lebegőanyag-tartalmát
tovább
diszpergálná.
A vízszintes átfolyású flotációs medencékben a Reynolds-szám értékét hosszirányú függőleges lamellák elhelyezésével csökkenthetik. 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. Fontos alkalmazási terület az iszapsűrítés (pl. szárazanyag-tartalom növelése 0,7 %-ról 4,6 %-ra), ezzel megkönnyíti a vákuumszűrők és rothasztók működését. A flotációt a papíriparban vezették be, de kiválóan alkalmas élelmiszer-ipari (vágóhídi, konzervgyári, borgazdasági stb.) szennyvizek megfelelő tisztítására is. Fenolos szennyvizek kezelése. Extrakciós és adszorpciós eljárások terjedtek el. Extrakció Az extrakció kioldást jelent. Valamilyen hatóanyag, ill. veszélyes, vagy károsító anyag eltávolítását
meg lehet oldani olyan oldószer alkalmazásával, amelyben az jobban
oldódik, mint az eredeti oldószerben (általában vízben). A kioldás alapvető törvényszerűsége a Nernst-törvény, amely kimondja, hogy: ha egy anyag két 60
oldószerben is oldódik, akkor egyensúlyi helyzetben a két oldószerben koncentrációjának hányadosa a koncentrációtól függetlenül állandó:
való
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. Az extrakciónak két feltétele van: legyen legalább egy anyag, amelyik oldható. legyen legalább egy anyag, amelyik nem oldható Az extrakciónak két fajtája van: szilárd – folyadék folyadék – folyadék extrakció Az extrakció gyakorlati megvalósításának lépései: érintkeztetés, bekeverés elválasztás oldószer visszanyerése (desztillálás) maradék anyag oldószer-mentesítése (raffinálás) 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 Nernst-törvény, 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:
61
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 sűrűség-különbség
Legyen olcsó és veszélytelen
Számítási példa. Egy üzemben naponta 16 m3 5g/dm3 fenol-tartalmú szennyvíz keletkezik. A fenol-tartalmat extrahálással vonják ki. A művelet elvégzését előre megtervezik. Oldószerként széntetrakloridot (CCl4) használnak. Az alkalmazott oldószerben a fenol 17-szer jobban oldódik mint a vízben, (tehát a Nernst törvény megoszlási hányadosa: k=17). 4 m3 oldószerrel a víz fenol-tartalmának hány %-a távolítható el, ha Egyszerre keverik be az oldószert Két adagban (2x2m3) végzik a kioldást Megoldás:
Fenol tartalom: 16m3 5kg/m3=80kg K=c1∙c2-1
Nernst-törvény: Az egyensúly:
1360 – 17x = 4x
x = 64,76 kg
Kioldás az oldószer egyszeri beadagolásakor = 6476/80 = 80,95%
Első kioldás:
25x = 1360
x=54,4kg
marad: 80-54,4kg = 25,6kg Második kioldás
25x = 435,2
x = 17,41 kg
marad: 25,6 – 17,41 kg = 8,19 kg Kioldás az oldószer kétszeri adagolásakor =7181/80 = 89,76%
Semlegesítés. Lúgos szennyvizek. A vegyiparban fontos feladat a szennyvizek semlegesítése, amely lúgos szennyvizeknél ásványi savakkal (kénsav vagy sósav) és szén-dioxiddal lehetséges: 62
Utóbbit a füstgázok általában 12-18 tf% mennyiségben tartalmazzák, tehát füstgázok elnyeletésével a lúgos szennyvizek semlegesíthetők. A következő megoldásokat alkalmazzák: füstgázok buborékoltatása, ellenáramban vezetett füstgázba a szennyvíz permetezése újabban szénhidrogének bemerülő égetése. Savas szennyvizek. Megoldható mészkő (CaCO3) őrlemény adagolásával, amikor valamilyen kacium só (kénsav esetében gipsz) és szén-dioxid keletkezik. H2SO4 + CaCO3 = CaSO4 + H2O + CO2 nátronlúgos oldat is alkalmazható, mert az adagolása automatizálható a távozó víz pH értékének folyamatos mérésével. Számítási példa. Egy tisztítási folyamat után 24 m3 szennyvíz keletkezett. Ennek kénsavtartalma 24,5 g/m3. Semlegesíteni szeretnénk, ezért 0,5 kg szilárd NaOH-t oldunk fel benne. A(S) = 32 g/mol, A(Na) = 23 /mol, A(O) = 16 g/mol, A(H) = 1 g/mol, Írja fel a lejátszódó reakció egyenletét! Mennyi lesz a „semlegesített” oldat pH-ja? Megoldás: a. H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O b. A kénsav moláris tömege: 98 g/mol Teljes mennyisége: 24 m3 ∙ 24,5 g/m3 = 588 g Ez 588 g / 98 g/mol = 6 mol 6 mol kénsav 12 mol nátriumhidroxiddal lép reakcióba Az NaOH moláris tömege: 40 g/mol Anyagmennyisége: 500 g / 40 g/mol = 12,5 mol A maradék NaOH mennyisége: 12,5 – 12 = 0,5 mol Koncentrációja: 0,5 mol / 2,4∙104 dm3 = 2,083∙10-5 mol/dm3 A pOH = -lg 2,083∙10-5 = 4,68 → pH = 14 – 4,68 = 9,32
63
Talajtisztítási technológiák. Talajremediáció Talajremediáció fogalma: A remediáció kifejezés a szennyezett terület megjavítását, helyrehozatalát, “meggyógyítását” jelenti a latin remedium = orvoslás, gyógyszer kifejezés alapján. Ezt a szakkifejezést használjuk arra a tevékenységre, amikor a talajt szennyező vegyi anyagok koncentrációját olyan kis értékre csökkentjük, melynek a kockázata már elfogadható. Beavatkozási szint: a talajszennyezők azon küszöbértéke (határértéke), mely már elviselhetetlen kockázatot jelent az ökoszisztémára és az emberi egészségre, a területet használót remediációra kötelezik. Kármentesítési alapelvek Az eredeti állapot helyreállítása nem minden esetben lehetséges. A talaj nagy kiterjedésű szennyeződésének eltávolítása, vagy ártalmatlanítása igen költséges, és erre nem mindig van meg a megfelelő fedezet. A felszín alatti víz teljes megtisztításával is hasonló a helyzet. Szerencsére az azonnali és teljes remediáció nem az egyetlen kockázat csökkentési lehetőség. A beavatkozás sürgősségét, költségeit és a szennyezett terület nagyságát mérlegelve a következő lehetőségek közül válogathatunk: A területet nem kezelik, de kivonják a használatból, vagy módosítják a területhasználatot, Lokalizálják a szennyezett területet. A lokalizálás célja kettős. Egyrészt ezzel elejét vesszük a szennyeződés szétterjedésének, másrészt megakadályozzuk, hogy a szennyezett területre további szennyezést okozó, kockázatos anyag kerülhessen. Talajcsere, a szennyezett földtani közeget kitermelik és arra alkalmas helyre lerakják, a munkagödröt tiszta "talajjal" töltik fel. A beavatkozás sürgősségét a terület érzékenysége és a kockázatos anyag(ok) veszélyessége (toxicitás, mobilitás stb.) együttesen határozzák meg. Több szennyezett terület esetén fontossági sorrendet (prioritási rendet) kell felállítani, pl. a következő szempontok szerint: emberi környezet veszélyeztetése, üzemelő és távlati vízbázisok veszélyeztetettsége, a szennyezőanyag gyors terjedése, 64
felszíni befogadó közelsége, vízgazdálkodási, környezet- és természetvédelmi szempontból megkülönböztetett területek közelsége, műemléki terület. Szennyezett terület felmérése pontszerű szennyezőforrás esetén
A talajszennyező forrást a térképen bejelöljük. A térképen feltüntetjük 1 km távolságig a házakat, utakat, kutakat és egyéb létesítményeket, továbbá a felszíni vizeket.
Feljegyezzük az ásott kutak észlelt vízszintjét és - ha ismert - a talajvíz-áramlás irányát.
Feltüntetjük
a
terület
közvetlen
környezetében
rendszeresen
észlelt
talajvízkutakban mért maximális és minimális talajvízszintet.
A
térképre
a
szennyezőforrást középpontnak véve 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000 stb. méter
sugarú
köröket
rajzolunk és a fő- és a mellékégtájaknak
megfelelő
sugarak metszéspontjában a mintavételi
helyeket
bejelöljük.
A
mintákat
talajfúró
berendezéssel,
kanálfúró-
fejjel a 0 - 0,15, 0,5 - 0,65, 1,0 -1,15, 1,5 - 1,65 stb. méter mélységből vesszük lehetőleg a talajvízig, de homoktalajnál legkevesebb 3 m, iszap-, vályog- és agyagtalajnál 2 m mélységig.
A mintavételnél ügyelni kell, hogy a furat oldaláról talaj ne hulljon vissza a furatba. 65
A minták legkisebb tömege 0,5 kg. Minden mintát külön polietilén vagy polipropilén tasakba teszünk, a mintákat a furatszámmal és a rétegjellel (mintavételi mélység) jellemezzük
Főbb talajszennyező anyagok származása, hatása. 1. N,P,K a műtrágyák túladagolása következtében feldúsulnak a talajban. A N feldúsulásának következménye a talajvizek elnitrátosodása. A P vegyületei a talaj szemcséihez kötődnek. Csak kis részük vízoldható, azonban felszíni vízelfolyással a felszíni vizekbe kerülhetnek, és ott eutrofizációt okoznak 2. Növényvédő-szerek toxikuselem-tartalma. Öreg gyümölcsösökben feldúsulhat. (As, Hg, Mn, Zn, Cu) 3. Foszfor műtrágyák toxikuselem-tartalma. Az As, Cd, Pb, Hg közül különösen a Cd jelentős és veszélyes. 4. Az urbanizáció és a közlekedés szennyezése: Cd, Cu, Ni, Pb, S, Zn. A kén főleg a lakosság fűtéséből, a szén égetéséből származik. A gépkocsik ólomkibocsátása az utóbbi években gyakorlatilag megszűnt, azonban az évtizedek alatt talajba került ólom koncentrációja egyelőre állandónak tekinthető. 5. Peszticidek (herbicidek, inszekticidek, fungicidek) 6. Kőolajszármazékok:
paraffinok,
olefinek,
acetilének,
poliolefinek,
aromások,
naftének, fenolok, karbonsavak, észterek, kénhidrogén, merkaptánok, tiofén, tioéterek, heterociklikus nitrogén és kén tartalmú vegyületek. Növényvédő szerek talajszennyezése A peszticidek talajból való távozásának módjai. kimosódás elpárolgás bomlás fény hatására növényekbe való felszívódás mikroorganizmusok által elvégzett lebontás enzimreakciókkal. Lehetséges változatok: a lebontandó vegyület tápanyagul szolgál. a lebontandó vegyület nem szolgál tápanyagul, de a jelenlévő tápanyagok lehetővé teszik, hogy „mellékesen” a lebontást elvégezzék. 66
a lebontást mikrobiális életközösségek végzik el. Ez esetben az egyes vegyi csoportok lépcsőzetes lebontásában más-más mikróbacsoportok vesznek részt. Nehézfémek talajszennyezése Mit tehetünk a szennyezett területtel? Nem kezeljük, de kivonjuk a használatból Izoláljuk, vagy kapszuláljuk, azaz teljesen elzárjuk a környezetétől Kiemeljük a szennyezett talajt és megfelelő lerakóhelyre szállítjuk Kezeljük a talajt; ártalmatlanítjuk, remediáljuk in situ, vagy ex situ módszereket alkalmazva.
Ha a szennyeződés elérte a talajvíz szintjét, akkor a talajtisztítást a talajvíz tisztításával kell kombinálni (angol szakkifejezéssel pump and treat). A talajvízbe került,
abban
oldott,
vagy
szuszpendált
szennyezőt
a
talajvíz
felszínre
szivattyúzása után a felszínen történő kezeléssel távolíthatjuk el. A tisztított talajvizet visszalocsolhatjuk a talaj felszínére, de csatornába, vagy más befogadóba is vezethetjük. A talajvíz tisztításával párhuzamosan vagy azt követően végezhetjük a talaj remediálását.
Kőolajszármazékok által okozott talajszennyeződések kezelése. Kiemelten kell foglalkoznunk ezzel a problémával, mert rendkívül gyakran fordul elő, és komoly anyagi megterhelést jelent a terület tulajdonosának, vagy az államnak. A kőolaj kitermelése, szállítása, feldolgozása, értékesítése és felhasználása során sajnos számtalan lehetőség nyílik arra, hogy szénhidrogének kerüljenek a talajba. A haváriákat előidézheti emberi hiba, nem megfelelő kezelés, gondatlanság, de természeti katasztrófa is. Jelen pillanatban a legnagyobb gondot az üzemanyag-töltő állomások több évtizede nem megfelelő módon telepített, és korrózióvédelemmel el nem látott tartályainak kilyukadása következtében a talajba jutó nagy mennyiségű üzemanyag okozza. A károk felszámolása már két évtizede tart, és még mindig vannak jelentősen szennyezett területek. A talaj szerkezetétől függően a szennyeződés különböző mélységekbe juthat el. Amennyiben eléri a talajvizet, akkor annak tisztításáról is gondoskodni kell. A talajba került olaj helyzete és előfordulási formái. Az olaj helyzetét befolyásolja a talaj szerkezete, fizikai kémiai tulajdonságai, a hidrogeológiai adottságok,valamint a szénhidrogének fizikai-kémiai tulajdonságai. Ennek 67
megfelelően a következő formákban lehetnek jelen: folyékony (szabad) fázisként (olajtest) a talajszemcsékhez kötődve (adszorbeálódva) a pórusokban gőz formájában a talajvízen elterülve, és a kapilláris zónában oldott állapotban a talajvízben Remediálási módszerek: Fizikai, kémiai, termikus és biológiai módszerek ismertek, melyek ex situ, a talaj eltávolításával, és in situ, a talaj eltávolítása nélkül, helyben végezhetők el. Szénhidrogén szennyeződések
Talajban
Talajvízben
In situ fizikai Ex situ fizikai tisztítási módok tisztítási módok Résfal, vízszintes felszíni takarás, Talajmosás, szennyezett termikus talajlevegő bontás, égetés, kiszivattyúzása, pirolízis, forró vizes, vitrifikáció, vagy gőzös szolidifikáció talajmosás, levegőztetés, termikus Úszó olaj és vízben oldott olaj Ülepítés, kitermelése, felúsztatás áteresztő résfalak alkalmazása
In situ biológiai Ex situ biológiai tisztítási módok tisztítási módok
Biológiai lebontás bioágyban (komposztálás) Iszapfázisú
Mikroorganizmusok talajba juttatása, enzimes biológiai eljárás, talajlazítás (landfarning) biológiai kezelés
Mikroorganizmusok bejuttatása kutakba, az oxigéndúsítást hidrogénperoxiddal, vagy levegőbesajtolással lehet biztosítani
Eleveniszapos, vagy csepegtetőtestes víztisztítás
Talajszennyezés ártalmatlanításának in situ módjai. Talaj in situ fizikai tisztítása.
1. Szennyezett talajlevegő kiszivattyúzása vákuumkutak létesítésével. Az illékony szénhidrogének gőz halmazállapotban a talaj pórusait töltik meg ahonnan vákuummal eltávolíthatók. Kitermelő kutakat létesítenek, amelyeket vákuum alá helyeznek. Ez a technológia talajszellőztetés néven is ismert. A telítetlen zónában elhelyezett vákuum-kutakban kialakuló felfelé irányuló légáramlás elősegíti a 68
szennyezett közeg illékony komponenseinek távozását. Egyedi értékelés alapján szükséges lehet a kitermelt gáz tisztítása. Elsősorban kis mélységű vákuum-kutakat alkalmaznak (kb. 1.5 m), de sor került már 91 m mély vákuum-kutak alkalmazására is. A helyi adottságokat kihasználva lehetséges vízszintes vagy ferde szellőztető furatok kiképzése is. A technológia hatásfokának növelése érdekében gyakran sor kerül
a
talajfelszín lezárására is. Légbefúvással növelhető
a
technológia hatásfoka,
ha
mélyen helyezkedik el
a
szennyezés,
valamint
alacsony
áteresztőképességű talajok
esetében,
vagy
a
telített
zónában elhelyezkedő (vagy oda
is
benyúló)
szennyezések esetén.
2. A talajszellőztetéses talajtisztítás speciális változata, amikor a talajba levegő helyett forró gázt, vagy gőzt injektálnak, vagy a talajt más módon (pl. forró levegővel, rádióhullámokkal) melegítik a talajban A kialakuló magasabb hőmérséklet következtében
a
szerves
szennyezőanyagok
illékonysága
nő
az
eljárás
hatékonysága javul.
3. Forróvizes, vagy gőzös talajmosás. Előnye, hogy egyrészt az illékonyabb szénhidrogének gőzfázisba kerülnek, másrészt a viszkózusabbak viszkozitása csökken. Hátránya, hogy nagy mennyiségű szennyezett víz keletkezik, amelynek tisztításáról gondoskodni kell.
4. Vízszintes felszíni takarás. Akkor alkalmazzák, ha meg akarják akadályozni, hogy szennyeződés jusson a talajba. (beton, bitumen) 69
5. Függőleges árnyékolás. Szádfalat, vagy résfalat hoznak létre, melynek talpát a legalacsonyabb talajvízszint alá helyezik. Ez esetben nem a szennyezés eltávolítása a cél, hanem a szennyezés kockázatának csökkentése. Ez a módszer alkalmazható átmeneti, vagy végleges mentesítési technológiaként is.
A tömör
szádfalak véglegesnek tekinthetők. A porózus szerkezetű falak szűrőanyagát viszont időnként cserélni kell. Előnye azonban, hogy nem akadályozza a talajvíz mozgását, ugyanakkor megtisztítja azt.
6. Hidraulikus gát. Kútsor, melynek depressziós görbéi összeérnek. A talajvíznek a szennyezett
területről
való
kijutását
akadályozza
meg. A
kutakat
olyan
távolságra
telepítik
egymástól, talajvíz
hogy a
a
terület
bármely
pontjáról
valamelyik
kút
felé
haladjon.
Így
a
szennyeződés mindenképpen
a
kitermelő kutakban köt ki.
7. In situ talajmosatás Vizet,
vagy
egyéb
adalékokat is tartalmazó vizes oldatot juttatnak a szennyezett közegbe a szennyezések
kioldásának fokozása
érdekében.
Cél
lehet
a
talajvíztükör
megemelése is olyan mértékben, hogy az a szennyezett talajteret elérje, lehetővé téve a szennyezések oldódását. Ezt követően a szennyezett talajvíz kitermelése, majd tisztítása következik. Alkalmazása következő esetekben korlátozott:
alacsony áteresztő képességű vagy heterogén közeg mentesítése nehézkes;
a mosó folyadék és a talaj kölcsönhatása következtében a porozitás, ezáltal a szennyezés mobilitása csökkenhet;
70
csak abban az esetben használható, ha a kimosott szennyezés és
a mosó folyadék kinyerése lehetséges; a mentesítés gazdaságosságát erősen befolyásolja az, hogy a
kitermelt mosófolyadék milyen mértékű kezelése szükséges.
8. In situ termikus A félig illékony szennyezők eltávolításának hatékonysága növelhető a hőmérséklet emelésével. A hőmérséklet növelésére általában forró levegő vagy
gőz
befúvást,
elektromos
fűtést,
elektromágneses
vagy
rádiófrekvenciás melegítést alkalmaznak. Minden más tekintetben a technológia megegyezik a talajgáz-kitermeléses mentesítési eljárással. Elektromos ellenállásos fűtés: elektródák elhelyezésével (gyakran 6 db elektródát helyeznek el) a szennyezett talajtér fűthető. Az elektródákat a viszonylag kis áteresztőképességű talajokba helyezik, ezzel elősegítve a víz és a szennyezőanyag elpárolgását, és a kiszárított talajban repedések képződését. Ezek után a közeg légáteresztő képessége megnő, lehetővé téve a talajgáz-kitermelés hatékony alkalmazását.
9. A kétfázisú kitermeléses eljárás abban az esetben alkalmazható megfelelő
hatékonysággal, ha a víz felszínén úszó olajlencse vastagsága meghaladja a 20 cm-t. A talaj in situ biológiai tisztítása.
71
Mikroorganizmusok talajba juttatása, ill. az ott lévők optimális életfeltételeinek biztosítása. A szennyezőanyagok mikrobák által végzett ún. biodegradációja
(biológiai lebontása) lassú folyamat, melyet optimális körülmények teremtésével fel lehet gyorsítani pl. tápoldat bejuttatásával: nitrogén, foszfor, magnézium, mikroelemek. Az
aerob
körülmények
biztosítására
a
szennyezett
talaj
levegőztetését is végezhetik. mikroorganizmus+szennyezőanyag+elektronakceptor=CO2+H2O+biomassza A mikroorganizmusokat az un. beszivárogtató árokból juttatják a talajba úgy, hogy a terület közepén lévő kútból kitermelt, majd oxigénnel dúsított vízzel öntözik a tenyészetet. (rajz) A talajvízszint a kút felé lejteni fog, a leszivárgó, mikroorganizmusokat hordozó víz keresztül-halad a szennyezett területen. A lebontó folyamatok lejátszódásához aerób körülmények között a következő optimális feltételeket érdemes biztosítani: C/N = 30:1, P/N = 150:1, 55-65% nedvességtartalom,
pH=7.
Toxikus
anyagok
gyors
aktivitáscsökkenést
eredményeznek. Fagypont alatt a lebontási folyamat leáll. A talaj optimális nedvességtartalma 20 - 80 %, optimális kémhatása: pH 6,5-7,5. Talajszennyező
szénhidrogének
lebontására
alkalmas
törzsek:
Pseudomonas,
Acinetobacter, Citrobacter. A kitermelt vízből az illékony szénhidrogéneket levegővel hajtják ki (sztripping). A levegőt aktívszenes adszorberben tisztítják meg Enzimes biológiai eljárás. Az előzőhöz hasonló, de a beszivárogtató árokba 72
enzimes preparátumot helyeznek. Landfarming. Felszíni szennyezések esetén a biológiai lebontás elősegítése érdekében a szennyezett felszínt felszántják, ezáltal a szennyezők aerob lebontásához szükséges oxigén bevitelével a lebontási folyamat sebességét gyorsítják. A szántás (forgatás) periodikus ismétlésével, illetve segédanyagok alkalmazásával a hatásfok növelhető. A lebontás feltételeinek szabályozásával még kedvezőbb hatásfok érhető el. Általában az alábbi paraméterek beállítására kerül sor:
nedvességtartalom (öntözéssel);
semleges pH beállítás mész adagolással;
egyéb adalékok talajhoz keverése (tápanyag, stb.);
levegőztetés (ütemezett szántás, fellazítás)
Talajszennyezés ártalmatlanításának on site módjai. Talaj ex situ fizikai tisztítása 1. Ex situ talajmosás: A
szennyezett
talajt
előkezelik:
rostálással
eltávolítják
a
növényi
maradványokat, nagyobb tárgyakat (pl. fadarabokat, köveket). A
kitermelt
szennyezett
talajt
speciális
berendezésben
alaposan
összekeverik a kivonószerrel A kivonószert elválasztják a talajrészecskéktől A szennyezőanyagokat tartalmazó kivonószert kezelik, tisztítják 2. Alacsony hőmérsékletű termikus bontás (93 – 315 C0) – a víz és az illékony szénhidrogének távoznak. 3. Magas hőmérsékletű termikus bontás (315 – 538 C0) – az illékony alkotórészek távoznak. 4. Égetés. (871 – 1204 C) – az illékony alkotórésze elpárolog, másik része pedig a bejuttatott oxigén hatására elég. A kitermelt, szennyezett talajból a 40-50 mm-nél nagyobb átmérőjű részeket szitálással eltávolítják, majd a talajt aprítják.
73
1. égetési szakasz: olajjal fűtött forgó
kemencében
a
talajrészecskék szennyezőit 200700 ˚C közötti hőmérsékleten elpárologtatják, illetve kémiailag átalakítják. 2.
égetési
szakasz:
berendezésben (oxigén)
olaj
utóégető –
levegő
keverék elégetésével
900-1100 ˚ C–on a
gázhalmazállapotú szennyezőanyagokat szén-dioxiddá és vízzé
oxidálják, a szennyezett gázokat lehűtik, a szennyezőanyag részecskéket ciklonokban leválasztják, a gázt gáztisztító berendezésben tisztítják. Az ártalmatlanított, megtisztított talajt ezután levegővel vagy vízzel lehűtik. Hátránya: Az égetés során a halogénezett szerves szennyezőanyagokból másodlagos toxikus anyagok (pl. dioxin) keletkezhetnek A dioxinok emisszióját elkerülése érdekében az utóégetőben 1000-1100 ˚Cnál magasabb hőmérsékletet kell kialakítani. Az eljárás során a talaj szervesanyag-tartalma, illetve humusztartalma elvész, a talaj mezőgazdasági célra már nem hasznosítható 5. Pirolízis – oxigénmentes hevítés, melynek hatására a szerves anyagok egyik része gázneművé alakul, míg a másik része szénné, ill. hamuvá válik. 6. Vitrifikáció (1600 – 2000 ºC) A talajüvegesítés (vitrifikáció) során a szennyezett talajokban vagy iszapokban lévő kioldódó vagy kioldható nehézfémeket és/vagy radionuklidokat olvadt üvegben oldhatatlan oxidokká alakítják. A nehézfémek mérgező hatása megszűnik, az olvadékot depóniákban lehet elhelyezni. A szerves szennyezők a magas hőmérsékleten leválnak a talajkolloidokról és/vagy elégnek. Igen fontos kritérium, hogy a talajüvegesítési eljárás során ne szabaduljanak fel mérgező
gázok
a
szennyezett
talajokból
Megfelelő
előkezeléssel
és
adalékanyagokkal értékes építőanyag (kerámia, díszkavics) állítható elő; azonban költségigénye magas. 7. Kitermelés, deponálás. 8. Szolidifikáció. A szennyezett talajt kötőanyaggal (cement) keverik össze, ezek után pl. a nehézfémek nem oldódnak ki. 74
Ex situ biológiai eljárások. Agrotechnikai (angolul land treatment, landfarming) eljárás a szennyezett talajt vékony 0,5-1,5 m-es rétegben vízzáró réteg felett terítik szét. A szennyezőanyagok aerob biológiai lebontását a talajréteg rendszeres forgatásával (oxigén bejuttatásával), víz és tápanyagok adagolásával segítik el. A forgatás elősegíti a könnyebb kőolajszármazékok elillanását, míg a nehezebb származékokat a mikrobák bontják le. Az eljárás során dréncsövekkel, illetve övcsatornával összegyűjtik a keletkezett szennyezett vizet és visszajuttatják a talajréteg tetejére. A szerves szennyezőanyagok lebontása 1-3 év alatt játszódik le, a folyamatot mesterséges levegőztetéssel, a talajhőmérséklet emelésével gyorsítani lehet. Ex situ bioágyban A kőolajjal, vagy kőolaj származékokkal szennyezett talajt kiemelik és halmokba (prizmákba) rakják. A környezettől elzárt bioágyban (prizmában) kedvező feltételeket teremtenek az általában mesterségesen bevitt (beoltott) mikroorganizmusoknak. A talaj lazításával, forgatásával biztosítják az oxigénszükségletet, vízzel tápanyagokat visznek be (N, P, K), és beállítják az optimális 60-65% nedvesség-tartalmat. Semleges kémhatást és 10-15 C0-os hőmérsékletet érdemes tartani. A csurgalékvizeket összegyűjtik, és visszajuttatják a bioágyra. A lebontási folyamatok végeztével a talaj eredeti helyére visszahelyezhető. A módszer előnye, hogy kisebb helyet igényel, mint az agrotechnikai eljárás és az in situ bioremediációs eljárásokkal ellentétben kötöttebb talajok esetén is alkalmazható. Iszapfázisú biológiai kezelés A szennyezett talajt bioreaktorban vízzel, és egyéb adalékokkal keverve vizes zagyot készítenek. Folyamatosan keverik, hogy a szilárd részeket lebegve tartsák. A beadagolt baktériumokkal diszperz rendszer alakul ki. Megfelelő tisztítás elérése után az iszapot víztelenítik, és a kezelt talajt deponálják. Első lépésben a szennyezett talajból fizikailag eltávolítják a köveket és a kőzúzalékot. Lehetséges a szennyezett talaj előzetes vizes átmosása, amely során a tiszta homok frakció már lerakásra kerülhet és csak a szennyezést felhalmozó finom szemcséjű anyag és a mosóvíz kerül biológiai tisztításra. Az iszap szárazanyag tartalma jellemzően 10 és 30 súly% közötti. A technológia gyakorlatilag azonos az eleveniszapos biológiai szennyvíztisztítással.
75
Zaj- és rezgésvédelem. Zaj fogalma: A zaj nemkívánatos hanghatás, mely negatívan hat az emberekre és az élőlényekre.
Hangtani alapfogalmak: Hangmagasság a hang, elsősorban a zenei hang egyik jellemzője. A hangmagasságot a hang frekvenciája (f) határozza meg: nagyobb frekvencia esetén
magasabb
hangot
érzékelünk.
(mértékegysége:
Hz = 1/s) A
hangmagasság érzete a frekvencia logaritmusával arányos. Ennek megfelelően a fülünk által egyenletes távolságra, például egy-egy oktávra elhelyezkedő hangok frekvenciája rendre 2-, 4-, 8-, 16-szorosa az eredeti hangnak, azaz egy oktávnak dupla frekvencia felel meg. Az emberi fül számára hallható hangmagasság-tartomány körülbelül a 20 Hz – 20 kHz közötti intervallumba esik. Az emberi életkor előrehaladtával és a hallás romlásával a magas frekvenciájú hangokat egyre kevésbé érzékeljük. Hullámhossz: az a távolság, amekkora távolságonként a hullám ismétlődik. Jele a λ, mértékegysége a m. Hangsebesség: c = λ • f (m/s). A sebesség a közvetítő közegtől függ. Példák néhány anyagban mért sebességre:
Levegőben: 20 ˚C – on 343 m/s
Vízben: ~ 1400 m/s
Vasban: 5170 m/s
Berillium: 12900 m/s
Gyémánt: 18000 m/s
Hangnyomás:
a
hang terjedése
közben
kiváltott,
egy adott
periodikusan változó nyomás. Mértékegysége: Pa Hangteljesítmény: mértékegysége a W Hangintenzitás: az egységnyi felületre jutó teljesítmény Hangerőszintek: mértékegységük a dB
76
Hangteljesítményszint: L = 10 • lg P/P0 ahol P0 = 10-12 W
Hangintenzitásszint: L = 10 • lg I/I0 ahol I0 = 10-12 W/m2
pontban
Fon
Hangnyomásszint: L = 20 • lg p/p0 ahol p0 = 2 • 10-5 Pa
skála:
A
decibel-skála nem
veszi
figyelembe, hogy az emberi fül különbözően érzékeny
a
különböző frekvenciájú hangokra. Egy hang fon-értékén azt a hangnyomásszintet értjük, amilyen hangnyomásszintű 1 kHz-es hangot ugyanolyan erősségűnek halljuk, mint a vizsgált hang. Számítási példák: 1. Egy munkahelyen több zajforrás található a következő hangintenzitás-szintekkel: 14db 78dB, 7db 83dB, 5db 85dB, 3db 88dB és 1db 90dB. Mennyi a teremben az eredő hangintenzitás-szint? Megoldás: Le = 10 ● lg Σ10L/10 Le = 10 ● lg (14•107,8 + 7•108,3 + 5•108,5 + 3•108,8 + 109) Le = 10 ● lg (8,83•108 + 14•108 + 15,8•108 + 18,93•108 + 10•108) Le = 10 ● lg 6,756•109 = 98,29dB az eredő zajszint. 2. Egy fal 88 dB hangintenzitás-szintű zaj útjában áll. A falról 94% visszaverődik, a maradék fele pedig elnyelődik a falban. Milyen erősnek halljuk a falon átjutó hangot? Megoldás:
77
I 88dB = 10 log I0
I = 108,8 = 6,3 108 I0
6,3 • 108 • 0,03 = 1,89 •107
L = 10 • log1,89 •107 = 72,8 dB
Tehát a 88 dB-es hangot a fal másik oldalán 72,8 dB-esnek halljuk!
3. Egy gépteremben 4 gép dolgozik. Az egyes gépek által keltett zaj jellemző adatai a következők:
Első gép hangnyomása: 6•10-2Pa
Második gép hangintenzitása: 6•10-5 W/m2
Harmadik gép hangteljesítménye: 3•10-5 W
Negyedik gép hangintenzitás-szintje: 60 dB
(P0 = 10-12 W, I0 = 10-12 W/m2, p0 = 2•10-5 Pa) Mennyi az egyes gépek zajszintje? (L1, L2, L3, L4)? Mennyi az eredő zajszint? (Le) Megoldás:
4. Egy repülő 54 W hangteljesítményét milyen hangerővel halljuk, ha 250 m magasan halad el felettünk? Megoldás:
78
A hangteljesítmény 250 m sugarú gömbfelületen oszlik el: A = d2• π = 196350 m2
Az intenzitás tehát: I =
P 45W = = 2,3 10 4 A 196350m2
I L = 10 log I0
2,3 10 4 L = 10 log 12 10
L = 83,6 dB
Zaj és rezgés élettani hatásai A zaj élettani hatása függ a Zaj erősségétől Frekvenciájától Időbeli változásától Zajhatás időtartamától Tartósan ható 85 dB feletti zajszint maradandó halláskárosodást okoz. 65 dB - 85 dB vegetatív idegrendszeren keresztül egyes szervek állapotát befolyásolja 30 dB - 65 dB zavarja az alvást Összehasonlításul:
halk televízió - 40 dB
beszéd - 50 - 60 dB
légkalapács - 100 dB
sugárhajtású repülő - 140 dB
„halálos adag” - 175 dB
A rezgés élettani hatása Rezgéstani szempontból az emberi test bonyolult rendszer, külső gerjesztő rezgés hatására rezgésbe jön. Az egyes szervek rezonancia frekvenciái különbözők:
79
3-6 Hz = csípő - váll - fej
5-9 Hz = máj - lép - gyomor
7 Hz = agy
9-15 Hz = száj - torok
60-90 Hz = szemgolyó
100-200 Hz = állkapocs
Rezgések következtében gerincbántalmak, légzési panasz, szívritmuszavar, szédülés léphet föl, ízületi, csont- és érrendszeri elváltozások várhatók. Zajforrások csoportjai: Közlekedési zajok: közúti, vasúti, légi közlekedés Ipari, üzemi Bányászat katonai tevékenység szabadidős zajforrások; egyéb zajforrások: épületen belüli zajforrások, épületen kívüli zajforrások Zaj- és rezgéscsökkentés lehetőségei 1. Emisszió csökkentés a zajforrásnál: kisugárzott zajteljesítmény csökkentése – aktív védekezés. Ilyenek lehetnek:
gépjárműforgalom kitiltása
a gép működési elvének módosítása
rugalmas elemek közbeiktatása
segédtömegek elhelyezése vékony lemezek megmunkálásakor
turbulenciák elkerülése
áramlási sebesség csökkentése
hangtompítók alkalmazása
lakossági szokások megváltoztatása: gépkocsik helyett tömegközlekedési eszközök és kerékpár használata
2. Transzmisszió csökkentése az átviteli úton: a zajterjedési viszonyok módosítása – passzív védekezés (pl. gépek tokozása, zajvédő falak). Egy „d” vastagságú falban az áthatoló hang intenzitásának csökkenése a következő összefüggéssel 80
- β•d
jellemezhető: I = I0 • e
A „β” csillapítási tényező a frekvenciától függ, méghozzá annak négyzetével arányos. Ebből következik, hogy a mély hangokat sokkal nehezebb csillapítani. Zajvédő falakat telepítenek utak és vasutak mellé, amennyiben az védendő terület közelében halad el. A falak anyaga lehet:
fa
fémlemez (alumínium, vagy acél)
beton
tégla faforgács lemez
PVC
növényzettel befuttatott
Falakon kívül jó eredményt lehet elérni:
domb, hangvédő gát telepítésével
fasorokkal
3. Immisszió csökkentés a vevőnél: a vevőt érő zajterhelés kiküszöbölése – passzív védekezés (pl. zajvédő sisak, füldugó). Az egyéni zajvédő eszközök 125 és 8000 Hz közötti frekvenciatartományban hatásosak:
hallásvédő füldugó (csillapítása: 9 - 32 dB)
zajvédő fültok (csillapítása: 8 - 45 dB)
zajvédő sisak (csillapítása: 12 - 47 dB)
Sugárvédelem. Izotópok: •
Izotópoknak nevezzük azokat a kémiai elemeket, amelyek atommagjai azonos számú protonból, de eltérő számú neutronból épülnek fel.
•
Ebből következik, hogy egy adott elem izotópjai ugyanazon helyet foglalják el a periódusos rendszerben (innen az elnevezés is: izotóp = azonos hely), ugyanakkor a tömegszámuk eltérő.
• 81
Izotópokat egyértelműen a kémiai elem vegyjele elé alsó indexbe tett rendszámmal
(Z) és a felső indexbe tett tömegszámmal (A) jelöljük •
Mivel a rendszám és a vegyjel ekvivalens fogalmaknak tekinthetőek, ezért az esetek többségében az előbbit nem is szokás feltüntetni.
•
Kivételt
képeznek ez alól
az olyan
magátalakulási folyamatok
általános
reakcióegyenletei, ahol a rendszám is megváltozik, így fontos annak számszerű értékét jelezni. •
A periódusos rendszerben fellelhető valamennyi kémiai elemnek több izotópja is létezik.
•
A legegyszerűbb elemnek, a hidrogénnek például három, a természetben is megtalálható izotópja ismeretes: •
Prócium: 1H (rövidebb jelölése: H)
•
Deutérium: 2H (rövidebb jelölése: D)
•
Trícium: 3H (rövidebb jelölése: T)
Az atommag. Az atommag nukleonokból épül fel, melyeket a töltésfüggetlen erős nukleáris kölcsönhatás tart össze. Az összetett mag tömege mindig kisebb, mint az őt alkotó részecskék tömege külön-külön. A tömeghiánynak (tömegdefektusnak) megfelelő (kötési) energia tartja össze az atommagot. stabil magok
olyan atommagok, amelyeknél radioaktivitást nem tapasztaltak
kb. 264 ilyen atommagot ismerünk
pl.: 12C, 14N, 16O
elsődleges természetes radionuklidok
olyan
természetes
radioaktív
magok,
amelyek
megtalálhatóak
a
Naprendszer keletkezése óta
felezési idejük nagyon hosszú
26 ilyen mag ismert pl.: (T1/2 =4,8·1010 év)
82
238
U (T1/2 =4,47·109 év),
40
K (T1/2 =1,28·109 év),
87
Rb
Másodlagos természetes radionuklidok
Olyan magok, amelyek az elsődlegesek bomlása révén keletkeznek
Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg
38 ilyen mag ismert
Pl.: 226Ra (T=1600 év), 234Th (T=24,1 nap)
Indukált természetes radionuklidok
állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására
10 ilyen mag ismert
Pl.: 3H (T=12,3 év), 14C (T=5730 év)
Mesterséges radionuklidok
emberi
tevékenység
során
keletkeztek,
a
természetben
nincsenek
számottevően jelen
2000 ilyen mag ismert
Pl.: 60Co, 137Cs, 24Na
Sugárzások. α-sugárzás: nagy sebességű He2+- ionokból áll, ionizáló hatása legnagyobb, áthatoló képessége a legkisebb. A sugárzó atom rendszáma kettővel, tömegszáma néggyel csökken β--sugárzás: közel fénysebességű, az atommagból kiinduló elektronokból áll. A sugárzó atom rendszáma eggyel nő, tömegszáma nem változik β+-sugárzás: közel fénysebességű pozitronokból áll. A sugárzó atom rendszáma eggyel csökken, tömegszáma nem változik Ionizáló hatásuk kisebb, mint az α-sugárzásé, áthatoló képességük nagyobb γ-sugárzás: nagy frekvenciájú elektromágneses hullám, ionizáló hatása a legkisebb, áthatoló képessége a legnagyobb. A sugárzó atom rendszáma, tömegszáma nem változik. neutron sugárzás: A sugárzó atom tömegszáma eggyel csökken, rendszáma nem 83
változik. A nagy sebességű neutronnak, mivel semleges, nincs ionizáló hatása, ezért nagy az áthatoló képessége. Ezért a neutronsugárzás árnyékolására nem alkalmas a radioaktív alfa-, béta- és gamma- (ill. röntgen-) sugarakat hatékonyan elnyelő ólomlemez, még vastagon sem. Az árnyékoláshoz először a neutronokat lelassítják, majd a lassú neutronokat elnyeletik. Lassításra a nagy hidrogén-tartalmú anyagok, elnyeletésre a kadmium és a bór a legalkalmasabbak. A szabad neutron radioaktív: 10.8 perc felezési idővel szétesik egy protonná, egy elektronná és egy antineutrínóvá. Ezért is volt olyan nehéz kimutatni: a neutront . Chadwick angol fizikus csak 1932-ben fedezte fel. Protonsugárzás esetén a magból kilépő proton felvesz a környezetből egy elektront, így hidrogénatom jön létre. Az első mesterséges magreakció (Rutherford, 1919) eredménye is proton kilépése volt, bár a protonsugárzás viszonylag ritka folyamat. 1913-ban Geiger, Rutherford kísérletei számára számlálókészüléket szerkesztett, amellyel meg tudta számlálni az α - részecskéket. A készülék 1928-ban tökéletesített változata, a Geiger-Müller-féle számlálócső azóta mindenféle részecskekutatás alapműszere lett. 1919-ben nitrogént bombázott α - részecskékkel, és először figyelt meg Wilsonkamra segítségével atommag-átalakulást, amikor 17-es tömegszámú oxigén és proton keletkezett. Megállapította, hogy az így keletkező proton energiája nagyobb, mint a reakciót létrehozó héliummag energiája, tehát a magátalakulás közben energia szabadul fel. A röntgensugárzás az elektromágneses sugárzás egyik formája. Nagyjából a 0,1 nm-nél hosszabb hullámhosszú röntgensugárzást nevezzük lágy röntgensugárzásnak,
az
ennél
rövidebb
hullámhosszúakat
pedig
kemény
röntgensugárzásnak. A kemény röntgensugárzás és a gamma-sugárzás részben átfedi egymást. Valójában az elnevezésben a sugárzás forrása számít, nem a hullámhossza: a 84
röntgensugárzást nagy energiájú elektronfolyamatok hozzák létre, a gamma sugárzás pedig atommag-átalakulások során jön létre. A röntgensugárzás hullámhossza 0,0006 nm és 1,25 nm között, energiája 11 és 500 keV között van.
Sugárz ás
α
Sugárzó anyag rendszá m változás a
A minőségi tényező értéke az egyenérték dózis (Sv) kiszámításáh oz
A sugárzás elnyeléséhez szükséges falak anyaga
- 4
-2
20
Nem szükséges (1-2 cm levegőben is elnyelődik)
+1
Sugárzó Elemi anyag részecské tömegszá je m változása Hélium atommag
β-
Elektron (e-)
nincsen
β+
Pozitron (e+)
nincsen
γ
γ-foton (energia kvantum)
Neutron Neutron
nincsen
-1
-1
nincsen
Nincsen
1–2
Alumínium
1–2
Alumínium
1
Ólom, beton. Nagy energiájú sugárzás esetén több méteres vízréteg + vas tartalmú betonfal
3 -10
Hidrogén tartalmú anyagok: víz, paraffin, stb
Sugárzásra jellemző adatok. Aktivitás. Az időegység alatti bomlások száma. Mértékegysége a Bq (Becquerel). 1 Bq, ha átlagosan másodpercenként 1 bomlás történik. Felezési idő. A bomlás sebessége állandónak tekinthető. Ebből következik, hogy a bomló anyag mennyisége az időben folyamatosan, azonos ütemben (monoton) csökken. Azt az időtartamot nevezzük felezési időnek, amelynek végén a kiinduló mennyiségből csak a fele marad meg.
85
Számítási feladat. A növények és állatok szervezetében lévő szén mennyiségének 1,2 • 10 -10%-a
14
C izotóp
mindaddig, amíg élnek. Ez annak köszönhető, hogy a légkörben is ilyen arányban állandósult a mennyisége (ugyanannyi keletkezik nitrogénből a kozmikus sugárzás hatására, mint amennyi elbomlik) évezredek óta. Elpusztulásuk után, amikor már nem vesznek fel szenet (növények a levegőből, állatok a növényekből), akkor mennyisége a radioaktív bomlás következtében csökkenni kezd. A felezési idő 5730 év. Egy régészeti ásatás leletét megvizsgálva az összes szén mennyiségének 5,22 • 10 -11%-át találták
14
C
izotópnak. Hány éves a lelet? Megoldás: N = N0 • e-ln2 •t/T(1/2) N/N0 = e-ln2 •t/T(1/2) N/N0 = 5,22 • 10-11% /1,2 • 10-10% = 0,435 0,435 = e-ln2 •t/T(1/2) ln0,435 = - ln2 • t/T1/2 -0,831 = -0,693 • t/5730 t = 1,2 • 5730 = 6876 éves a lelet
Elnyelt dózis, egyenérték dózis. A sugárzás és az anyag kölcsönhatása során a sugárzásból energia nyelődik el az anyagban. Ennek megfelelően definiáljuk az elnyelt dózist, amely a tömegegységben elnyelt sugárzás mennyiségét hivatott jellemezni: D = W / m ahol: D az elnyelt dózis; W a sugárzásból elnyelt energia; m az elnyelő anyag tömege. Az elnyelt dózis Sl mértékegysége:Gy (Gray) A Gy/s meglehetősen nagy egység, így a sugárvédelem gyakorlatában a mGy/h, μGy/h használatos. A gyakorlati tapasztalatok azonban azt igazolják, hogy az emberi szervezet várható sugárkárosodásának mértéke nem kizárólag a testszövetben elnyelt dózis nagyságától függ. Azonos testszövetben (pl. y-sugárzás és neutronsugárzásból) elnyelt dózis esetén nagyobb
károsodás származik a
neutronsugárzás hatására,
tehát a szervezet
érzékenysége eltérő más-más ionizáló sugárzásokkal szemben. Ezért szükséges a dózis86
egyenérték fogalmának a bevezetése: H = D · Q ahol D a testszövetben elnyelt dózis; Q pedig az ionizáló sugárzás fajtájától függő ún. minőségi tényező. A Q minőségi tényező mértékegység nélküli szám, így ennek az egységnek külön nevet adtak: a dózis egyenérték Sl-egysége a sievert (Sv). A dózisteljesítmény egyenértékének gyakorlati egységei mSv/h, μSv/h stb. A Q minőségi tényező az emberi szervezet egy adott ionizáló sugárzásra vonatkozó relatív átlagérzékenységét fejezi ki, amelyet elsősorban megfigyelések, sugárbiológiai kísérletek alapján határoztak meg. Az összehasonlítás alapja a 200 keV átlagenergiájú röntgensugárzás biológiai hatása. A Q minőségi tényező számértékeit az egyes ionizáló sugárzásokra a 1. táblázat szemlélteti. Ionizáló sugárzás fajtája
Q minőségi tényező értéke
Röntgen, y-sugárzás, p-sugárzás (elektronok)
1
Protonok, egyszeresen töltött részecskék
10
α- ill. többszörösen töltött részecskék
20
Neutronok (energiától függően)
2,5 - 10,5
Radioaktív sugárzás forrásai A természetes eredetű sugárzás két forrása az űr és a földkéreg. A kozmikus (a Napból és a még távolabbi űrből jövő), valamint a földkérgi sugárzások a földi élet kialakulását megelőzően is hatottak. Az ember, sugárzási térben fejlődött ki, és fejlődik ma is tovább. A természetes
radioaktív
anyagok
kiszűrhetetlenül
és
állandóan
jelen
vannak
a
környezetünkben (a talajban, az építőanyagokban, a levegőben, az élelmiszerekben és az ivóvízben), valamint a szervezetünkben.
A testünket felépítő atomok közül sokmilliárdnyi radioaktív. Ezek a radioaktív atomok ugyanolyan szerepet töltenek be a sejtépítésben és a szervek működésében, mint ugyanezen elemek stabil (nem radioaktív) atomjai. A radioaktivitás bizonyos elemek egyes 87
atommagjainak az a tulajdonsága, hogy elbomlás közben különféle ionizáló sugárzásokat bocsátanak ki. A testünkben jelenlévő (a sejtjeinket alkotó, illetve a levegővel, a táplálékkal, avagy az ivóvízzel felvett) természetes eredetű radioaktív atomok közül minden órában közel 16 milliónyi bomlik el. A sugárzó részecskék és fotonok olyan óriási mennyiségben keletkeznek a környezetünkben és a szervezetünkben, hogy minden másodpercben átlagosan 75.000 éri a testünket.
A természetes radioaktivitás okozta sugárterhelésünk forrásai kiküszöbölhetetlenek, a mértéke pedig bolygónk népességének többségét illetően viszonylag kicsiny eltéréseket mutat. Ezen eltérések oka egyrészt a lakóhely földrajzi és geológiai sajátosságaiban, másrészt az adott területre jellemző lakásviszonyok, építkezési szokások, valamint az épületben töltött átlagos időtartam különbözőségében rejlik. Így például néhányszor nagyobb a kozmikus sugárzástól származó sugárdózis a magas hegyek lakói körében, mint a tengerszinten élő embereknél, mivel a sűrű (tengerszint közeli) légrétegek sugárzáselnyelő képessége a magasság növekedésével egyre kevésbé érvényesül. Természetes
(2,4 mSv/év)
kozmikus külső
0.3 mSv
kozmikus belső
0.015 mSv
földkérgi külső
0.5 mSv
földkérgi belső
1.6 mSv
Mesterséges
(0,4 mSv/év)
nukleáris ipar
0.0002 mSv
orvosi célú
0.4 mSv
atomrobbantás
0.01 mSv
Hazánk lakosságának természetes sugárterhelése mintegy 20 %-kal nagyobb, 3 mSv/év, mivel azon országok közé tartozunk, amelyek lakói viszonylag több időt töltenek épületben. Az emberiség létszámából jelentős hányadot képviselő, többnyire a szabadban tartózkodó trópusi népek építőanyagoktól származó sugárterhelése kisebb a világátlagnál, míg az északi országok lakóinál annak a dupláját is elérheti. 88
A radonnak köszönhető sugárdózis annál nagyobb, minél többet tartózkodunk rosszul, avagy nem szellőztetett, illetve földszinti, s netán földalatti helyiségben. Ezért is fontos a huzamos tartózkodásunkra szolgáló helyiség gyakori, nappal egy-két óránként néhány perces, illetve elalvás előtti alapos szellőztetése - lehetőség szerint kereszthuzattal.
A múlt század legvége óta a természetes sugárzáson felül az emberiséget mesterséges (az ember által létrehozott) forrásokból származó sugárterhelés is éri. A mesterséges sugárzások között elsőként az 1895-ben Wilhelm Conrad Röntgen által leírt, majd róla elnevezett
röntgensugárzás
vált
ismertté,
amelynek
hasznosítása
-
főleg
az
orvostudományban - világszerte rohamléptekkel terjedt el. A röntgensugárzás a népesség mesterséges eredetű átlagos sugárterhelésének mind a mai napig messze a legnagyobb részét okozza.
Atombomba. Az első amerikai atomprogram, a Manhattan-terv 1939-ben indult, olyan neves tudósokkal, mint Enrico Fermi, Robert Oppenheimer és a magyar származású Szilárd Leó. Az első komoly lépés 1942-ben, a chicagói egyetemen megépített nukleáris reaktor volt. A szabályozott láncreakciótól a szabályozatlan robbanásig három év alatt jutottak el titokban. Hatvan éve, 1945. július 16-án robbantották fel az első atomtöltetet az amerikaiak az új-mexikói sivatagban. (Trinity) Az iszonyú erősségű detonáció döbbenetes következményekkel járt. A kísérletben több tízezer tonna hagyományos robbanóanyagénak megfelelő energia szabadult fel, és ez érzékelhető volt az egész államban. A mennydörgésszerű robaj 500 kilométerre is hallható volt, az epicentrumban felszabaduló, a Nap felszínénél tízezerszer magasabb hőmérséklet pedig 800 méteres sugarú körben és három méteres mélységig üveggé olvasztotta a sivatag homokját.
89
A radioaktív sugárzás élettani hatásai. Sugársérülés. Helyi sugársérülésről akkor beszélünk, amikor csak egyes szerveket, illetve testrészeket ér nagy besugárzás. A sugársérülés mindig determinisztikus hatás következménye. Ilyenek
lehetnek
például
a
fehérvérsejtek számának csökkenése, a bőrpír,
átmeneti,
vagy
maradandó
sterilitás, a szőrzet hullása. A különböző szövetek "sugárállósága" nagyon eltérő lehet. Legkönnyebben a gyorsan osztódó és a nagymértékben diffrerenciált sejtekből álló szövetek sérülnek. Sugárbetegség. Sugárbetegség lép fel, amennyiben nagyon nagy, 1000 mGy-nél nagyobb dózis éri egy ember egész testét. A sugárbetegség szintén kizárólag determinisztikus hatás következménye. A heveny sugárbetegség négy szakaszra osztható: Kezdeti szakasz: A dózistól függően néhány óra múlva hányinger, étvágytalanság, émelygés fejfájás, rossz közérzet, esetleg hasmenés vagy láz lép fel. Lappangási szakasz: a tünetek elmúlnak, a sérült jól érzi magát. Minél nagyobb a dózis, annál rövidebb ez a szakasz. 2-3 Gy dózis esetén akár 3-4 hét is lehet, míg nagy dózisok esetén el is maradhat. Kritikus szakasz: A kezdeti tünetek súlyosabb formája, továbbá pontszerű bőrbevérzések, véres széklet, az immunrendszer sérülése miatt fertőzések lépnek fel. A túlélés szempontjából a 3-6-ik hét a legkritikusabb. Lábadozási szakasz: a felépülés hónapokig is elnyúlhat. A történelemben eddig a következő tragédiák okoztak sugárbetegséget nagy számban: Hirosimában és Nagaszakiban mintegy százezer ember, 1986-ban Csernobilben 145 fő szenvedett sugárbetegségben. 90
A további balesetek során néhány, illetve a Brazíliában 1987-ben elveszett orvosi sugárforrás miatt további 20 eset fordult elő. A számok önmagukért beszélnek: a két atomtámadáson kívül csak nagyon korlátozott számú sugárbetegséggel járó baleset fordult elő a világon. A 8 Gy dózist kapott betegek szinte minden esetben elhaláloztak, ezért ezt az értéket hívjuk halálos (letális) dózisnak. A 3-4 Gy dózist elszenvedők – egy hónap elteltével, orvosi ellátás nélkül - fele marad életben. Ezt az értéket hívjuk félhalálos dózisnak. Megfelelő orvosi kezeléssel a túlélés nagymértékben megnövelhető: a 4,2-6,3 Gy dózist kapott 21 csernobili sérült közül 14-et meg tudtak menteni Sztochasztikus hatások. A sztochasztikus sugárhatások nem speciális kórok, hanem bizonyos természetes gyakorisággal a sugárhatásnak nem kitett populációban is előfordulnak. Mind a daganatos betegségek, mind a genetikai elváltozások sajnos meglehetősen gyakoriak. Magyarországon évente mintegy 30 ezer személy hal meg daganatos betegségben és az öröklődő károsodások spontán gyakorisága is 10,5%, igaz ezek zöme nem szembeötlő hatású genetikai ártalom. A sugárvédelem mai gyakorlatában úgy tekintjük, hogy már az átlagos természetes háttérsugárzás (kb. 2,4 mSv) nagyságánál kisebb többletterhelés is megnövelheti a sztochasztikus hatásokat - a daganatokat és örökletes károsodásokat. Ugyanakkor a világ számos területén a háttérsugárzás értéke a világátlag 10-20szorosát is eléri, de a megbetegedések gyakoriságának valódi növekedését ezidáig nem mutatták ki ezeken a területeken. Jellemző károsodások. A vérképzés kifejezetten sugár érzékeny (megszűnhet). Dózistól függően a regenerációs folyamat 10-14 nap múlva megkezdődhet. A lép összezsugorodik. Újjáépülése 5-6 nap múlva kezdődik meg. A nyiroksejtek eltűnnek, 5 nap múlva jelennek meg ismét. A pajzsmirigy is igen sugár érzékeny, rákos szövetburjánzása indul meg. 91
A tüdőből a radioaktív por köhögéssel nem képes kiürülni (tüdőrák). A mellben - elsősorban a nőknél - a tejmirigyekben felhalmozódó cézium és ruténium 10-20 éven belül rákot okoz. Hasonló a helyzet, a céziumot akkumuláló májban és a vesében, felezési ideje ugyanis 30 év. Gyomorba, bélbe kerülve rosszullétet, hányást, vagy a teljes emésztőcső bevérzését okozhatja. Az ivarmirigyek is jelentősen károsodhatnak: nemzőképtelenség következik be, mivel a herék csírasejt-termelése megszűnik (fontos azonban, hogy az érett ondósejtek kevésbé érzékenyek). A petefészek tömege csökken, a tüszők zsugorodnak, roncsolódnak az öröklődési anyagok. Így torzszülöttek jönnek világra, akár több nemzedéken keresztül is. A csontok rendkívüli sugárérzékenysége a vérkép megváltozásával magyarázható. A bőrön okozott elváltozások: gyulladás, pigmentáció, szőrzet kihullása. Az egyszerre elszenvedett nagyobb dózis biológiai hatása mindig nagyobb, a szervezet teljes mértékben soha nem épül újjá. Egyes kismértékű sugáradagok hatásai sem állíthatók helyre: ilyenek pl. a genetikai károsodások, vagy a rosszindulatú daganatok. Sugárvédelem alapelvei. Az indoklás elve: sugárveszélyes tevékenységet kizárólag akkor szabad végezni, ha nem áll rendelkezésre hasonló eredményt adó, nem sugárveszélyes technológia. Az optimálás elve: ha mégis sugárveszélyes technológiát kell bevezetni, akkor azt úgy kell megtervezni, hogy a sugárterhelés a lehető legkisebb legyen. A korlátozás elve: sugárveszélyes munkakörben egyetlen dolgozónál sem léphet fel nagyobb kockázat, mint amit a társadalom elviselhetőnek ítél. Pl. a sugárveszélyes munkakörben dolgozó felnőttek effektív dózisegyenérték korlátja 50 mSv/év, a 1618 éves tanulóké 5 mSv/év.
92
Az atomenergia hasznosítása. Maghasadás. A maghasadást 1939-ben fedezte fel Hahn, Strassman és Meitner: azt találták, hogy neutronsugárzás hatására az uránatom magja két közepes méretű magra esik szét. Később kimutatták, hogy elméletileg minden atommag elhasadhat, de a gyakorlatban csak néhány urán- és plutóniumizotóp esetében jön létre könnyen a hasadás (neutronok segítségével). Ezek az izotópok ráadásul energetikailag kedvezőbb állapotba jutnak a hasadás során, tehát több energia szabadul fel, mint amennyi a hasításhoz szükséges. A természetes urán 99.3 %-a 238-as, 0.7 %-a pedig 235-ös izotóp. Az U-238-as csak igen ritkán hasad, és csak akkor, ha a neutron nagy sebességgel ütközik a magnak. Az U-235-ös hasadása gyakorlati szempontból sokkal jelentősebb: ezt a magreakciót használja ki a ma működő atomreaktorok döntő többsége. Ha egy lassú (kis energiájú, más néven termikus) neutron ütközik az U-235 magjának, a mag befogja azt, és egy új gerjesztett mag, U-236 jön létre. Az esetek kb. 85 %-ában igen rövid idő alatt (10-14s alatt) bekövetkezik a maghasadás, 15 %-ában pedig a mag gamma-sugárzással szabadul meg felesleges energiájától. A hasadványok igen sokfélék lehetnek: ma 35 elem mintegy 200 izotópját ismerjük, ami az urán hasadási terméke lehet. 1 db U-235 elhasadásakor kb. 200 MeV =3.2*10-11 J energia szabadul fel. (MeV, ejtsd mega-elektronvolt, egymillió elektronvolt. 1 eV= 1.6*10-19 J) Moderátorok. Az U-235 hasadásakor a magból nagyenergiájú neutronok lépnek ki, amelyek csak igen kis valószínűséggel hoznak létre újabb maghasadást. Ahhoz, hogy gyors neutronokkal valósítsunk meg láncreakciót, nagyon nagy dúsítású uránra van szükség, ez pedig igen drága megoldás. Járhatóbb út olyan anyagok alkalmazása, amelyek a gyors neutronokat annyira lelassítják, hogy azok nagy valószínűséggel hozzanak létre újabb hasítást. Ezek az anyagok a moderátorok. 93
Moderátor használatával akár természetes uránnal (0.7% U-235-tartalom) is létrejöhet láncreakció. A moderátorként használt anyagokkal szemben két fő követelményt támasztunk: legyen minél kisebb rendszámú, és minél kevésbé legyen hajlamos a neutronok elnyelésére. Ezen igényeknek a gyakorlatban csak négy anyag felel meg: a víz (H 2O, könnyűvíz), a nehézvíz (D2O), a grafit (C) és a berillium (Be). Ezek közül a víz a legelterjedtebb moderátor. A nehézvíz tulajdonságai ugyan valamivel kedvezőbbek, de sajnos roppant drága anyag. Kritikus tömeg. Ha elkezdünk egyre több U-235-öt egymás mellé halmozni (persze némi moderátorral elkeverve), jó darabig nem indul be a várt láncreakció. Ennek oka abban keresendő, hogy kis mennyiségű hasadóanyag esetén a szerteszét repülő neutronoknak igen nagy hányada kilép az uránból anélkül, hogy hasadást okozna (kiszökik). Növelve a hasadóanyag mennyiségét, a teljes térfogathoz képest egyre csökken az a felület (a fajlagos felület), amin keresztül kiszökhetnek a neutronok. Egy adott méretet elérve kevesebb neutron tud kiszökni, mint ami az önfenntartó láncreakcióhoz szükséges, ekkor érjük el az ún. kritikus tömeget. Például golyó alakú, moderátor nélküli fém U-235 kritikus tömege 49 kg. (Ennyi tiszta U-235-nek kell együtt lenni!) Sokszorozási tényező. U-235 hasadásakor átlagosan 2.4 neutron szabadul fel, azonban nem mind okoz újabb hasadást. A neutronviszonyokat az ún. sokszorozási tényezővel (k) jellemezhetjük: ez a neutronok számának aránya egy adott, és az azt megelőző neutrongenerációban. A neutrongeneráció a hasadásból kilépő neutron megszületése, és az általa kiváltott hasadásból keletkező neutronok megszületése között eltelt idő. Tipikus értéke tiszta U-235-re kb. 1 nanosekundum, azaz 10-9 s.) Ha a sokszorozási tényező értéke 1, kritikus reaktorról beszélünk. Ekkor tehát a 94
neutronok száma a rendszerben állandó, azaz pl. másodpercenként ugyanannyi hasadást okoznak. k<1 esetén a rendszer szubkritikus, a neutronok száma folyamatosan csökken. Ha pedig k>1, a neutronok száma egyre nő, a reaktor szuperkritikus. Szabályozás. A neutronok számát a reaktorban nyilvánvalóan szabályoznunk kell, hiszen ettől függ a létrejövő maghasadások száma, és így a felszabaduló energia is. A láncreakció szabályozásához olyan anyagok kellenek, amelyek előszeretettel elnyelik (abszorbeálják) a neutronokat. A leginkább használatos neutron-abszorbensek a kadmium (Cd) és a bór (B), mivel ezek sokkal nagyobb valószínűséggel nyelik el a neutronokat, mint maga az urán. A szabályozás legfőbb eszközei az ún. szabályozó rudak, amelyek minden reaktorban megtalálhatók. Ezek olyan, neutronelnyelő anyagból készült rudak, amelyeket a hasadóanyagba lehet engedni, ill. kihúzni, így szabályozva a maghasadást létrehozó neutronok számát. Ha például csökkenteni akarjuk a reaktorban felszabaduló energiát (azaz a teljesítményt), elég beljebb tolni a szabályozó rudakat, hiszen ez elnyeli az épp hasítani készülő neutronok egy részét, így csökken a hasításra rendelkezésre álló neutronok száma. Ha növelni akarjuk a teljesítményt, több neutronra van szükségünk a hasításhoz, vagyis kijjebb kell húzni a neutronelnyelő rudakat. A szabályozó rudak főleg a rövid időn belüli beavatkozáshoz és a leálláshoz szükségesek. Hosszú távú szabályozáshoz a hűtőközegben oldott bórsavat használnak. Paksi erőmű: A paksi atomerőműben 4 darab VVER-440/213 típusú reaktor működik. Ezek a rektorok a nyomottvizes reaktorok (PWR) csoportjába tartoznak. A név a "víz-vizes energetikai reaktor" orosz megfelelőjének rövidítéséből adódik, a "440" szám pedig arra utal, hogy egy ilyen atomerőműi blokk eredeti névleges villamos teljesítménye 440 MW volt.
95
Ma ez a szám a különböző fejlesztéseknek köszönhetően az összes blokkon 460 MW-ra és a 4. blokkon 1999 óta 470 MW-ra nőtt. A
paksi
atomerőmű
elektromos
összteljesítménye
így
1850
MW.
A reaktorok hőteljesítménye egyenként 1375 MW, ebből kiszámolható a hatásfok: kb. 34%.
Radioaktív hulladék keletkezése Magyarországon •
A magyar radioaktív hulladékok három fő forrását lehet megkülönböztetni : –
az orvosi, ipari izotópalkalmazásokat és zárt sugárforrásokat,
–
az öt kiemelt nukleáris létesítményt (az élen Pakssal),
–
és az uránbányászatot.
1000-2000 darab zárt sugárforrás származik az ipari, mezőgazdasági, egészségügyi felhasználásból, valamint kb. 20 m3 az izotópok gyártásakor. Ez összességében 50-60 m3 éves hulladékmennyiséget jelent. Aktivitás
Levegőben
koncentráció
dózisteljesítmény a felülettől
(Bq/kg)
10 cm-re (Gy/h)
kis aktivitású
< 5* 105
< 300
közepes aktivitású
5*105 - 5*108
300 - 104
nagy aktivitású
>5*108
>104
Aktivitás koncentráció ill. dózisteljesítmény szerint
elnyelt
A radioaktív hulladék elhelyezése. A kiválasztott telephely vagy telephelyek földtani alkalmasságát legalább ötéves in situ mérésekkel és megfigyelésekkel szükséges vizsgálni és bizonyítani. A telephely tektonikai, szeizmikus, vulkanikus, geomechanikai, ásvány-kőzettani, geokémiai, hidrogeológiai stabilitása földtörténeti léptékben vizsgálandó és tízezer évre prognosztizálandó. A befogadó kőzet felett olyan kis vízvezető képességű, nagy kiterjedésű földtani gát legyen, mely képes visszatartani vagy elterelni a tároló felé irányuló vízáramlást. 96
A mélységi rétegvizek kémiai összetétele, elektrokémiai jellemzői (Eh, pH, vezetőképesség), radiokémiai összetétele és hőmérséklete olyan legyen, mely sem önmagában, sem a víz-kőzet kölcsönhatások során nem képez agresszív, korrozív mállásterméket és oldatot, nem veszélyezteti a műszaki védelem elemeit, és gátolja a víz-hulladék kölcsönhatás során a radioaktív anyagok kioldódását. A földtani környezet stabilitásának vizsgálatakor kiemelt figyelmet kell fordítani a különböző okokból (tektonika, kiemelkedés, erózió, felszíni domborzat és klíma változásai,
szeizmikus
és
vulkanikus
aktivitás)
potenciálisan
bekövetkező
hidrogeológiai változásokra. A telephely földtani környezetét olyan ásvány-kőzettani, geokémiai adottságok és folyamatok jellemezzék, melyek nem veszélyeztetik a műszaki védelem elemeit, és nem lépnek olyan kölcsönhatásba a tárolótérből kiszabaduló anyagokkal, melynek reakciótermékei tovább károsítanák a műszaki és földtani gátakat. A befogadó kőzet hőmérséklete, olvadáspontja, hővezető képessége, hőtágulási együtthatója biztosítsa, hogy az elhelyezendő hulladék hőtermelése ne módosítsa veszélyes mértékben a geomechanikai tulajdonságokat. A hőhatás nem befolyásolhatja a földtani gát kedvező ásvány-kőzettani, geokémiai, hidrogeológiai tulajdonságait. A hulladéktároló földtani környezetében ne legyenek olyan természetes üregek (nyitott kőzethasadékok, karszt- vagy más eredetű barlangok) vagy mesterséges üregek és műtárgyak (felhagyott vagy működő bányák, pincék, el nem tömedékelt mélyfúrások stb.), melyek kedvezőtlenül hathatnak a geomechanikai stabilitásra, segíthetik a radioaktív szennyeződés terjedését, és megnehezítik a földtani modellezést. Kis és közepes aktivitású hulladék esetében. A létesítést nem kell megelőznie ötéves in situ vizsgálati és megfigyelési időszaknak, de a földtani kutatás során létesített kutatóobjektumok egy részét megfigyelő állomássá kell kiképezni. A telephely földtani környezetének stabilitása az elhelyezendő radioaktív izotópok felezési
ideje
függvényében
hatszáz
éves
időtávlatban
bizonyítandó. A befogadó kőzeten nem kell hőtani vizsgálatokat végezni. 97
vizsgálandó
és
Számítási feladat. Mennyi üzemanyagot használ el naponta a 450 MW villamos teljesítményt leadó atomerőmű, ha egész nap teljes terheléssel üzemel és a töltetben lévő
235
U
mennyiség a friss üzemanyagnál 3,6%, a kiégettnél pedig 0,6%. 1db 235U atom hasadásakor 200 MeV energia szabadul fel. A keletkezett hő villamos energiává alakításának hatásfoka: 35%. (1eV=1,6•10 -19 J) Megoldás. 450 MW = 450 MJ/s 450 MJ/s = 450•86400 MJ/nap = 38880000 MJ/nap = 3,888•10 13 J/nap Teljes energiaigény: 3,888•1013/0,35 = 1,11•1014 J Egy atom: 200•106 • 1,6•10-19 = 3,2•10-11 J energiát termel 1,11•1014 J => 1,11•1014 /3,2•10-11 = 3,47 • 1024 db atom 3,47 • 1024 db atom => 3,47 • 1024/6•1023 mol = 5,78 mol m = n • M = 5,78 mol • 235 g/mol = 1358,3g Elhasználható: 3,6-0,6% = 3% A teljes mennyiség:
1358,3g/0,03 = 45277g
Tehát naponta ~ 45,3kg üzemanyagfogyással kell számolni!
Irodalom. dr. Barótfi István: Környezettechnika. Mezőgazda Kiadó Kalló Dénes: Katalitikus eljárások a környezetvédelemben, Veszprém, 1999 KÁRMENTESÍTÉSI KÉZIKÖNYV 4. Kármentesítési technológiák. Környezetvédelmi Minisztérium, 2001 Dr. Makra Zsigmond: Az atomreaktorokról és a radioaktivitásról Műszaki Könyvkiadó, 201/2001. (X. 25.) Kormányrendelet az ivóvíz minőségi követelményeiről és az ellenőrzés rendjéről Internetes oldal: Bemutatkozik a paksi atomerőmű, www.atomeromu.hu/bemutatkozás 98
