Szakmai ismeret
A víz
A VÍZ A hidrogén oxidja (H2O). A Földön1 az egyik legelterjedtebb vegyület, molekula (2H2O). Színtelen, szagtalan folyadék, légköri (1013 mbar ~ 1013 hPa) nyomáson 0 oC-on megfagy, 100 oC-on forr, sűrűsége 4 oC-on a legnagyobb (ρ = 1 g/cm3 = 1 kg/dm3 = 1000 kg/m3). A folyékony víz gyakorlatilag összenyomhatatlan – 5 milliomod részben nyomható össze. A víz fizikai tulajdonságai Olvadáskor a szilárd jég – cseppfolyós állapotba megy át. Az olvadás folyamata a befektetett hőenergia hatására beindul, a jég hőmérséklete 0 oC-ig emelkedik, de a halmazállapot-váltás időtartama alatt hőmérsékletemelkedést már nem tapasztalunk, az energiaáram a szilárd állapotú részecskék helyhez kötött rezgési állapotának felszabadítására irányul. (Miután az olvadás bekövetkezett a hőmérséklet tovább emelkedik.) A folyamat megfordítása a fagyás, dermedés. A jég/víz „latens” fázisváltási hője 335 kJ/kg. Párolgáskor a folyadékok csak a felszínükön, de minden hőfokon párolognak. Ennek intenzitása több tényezőtől is függ, így például: -
A víz minőségétől, anyagától, hőmérsékletétől, (magasabb hőfokon gyorsabban párolog), páratartalomtól is függ, (a száraz levegőben könnyebben párolog), a légáramlás fokozza, szeles időben gyorsabb, felülettől függő, (minél nagyobb a felület, annál hatékonyabb a párolgás).
-
A felszínre nehezedő nyomás csökkenti, nagyobb nyomás alatt lassabban párolog stb.
A párolgás hőelvonással, vagyis a környezet lehűtésével jár. A víz intenzív melegítésekor már nem csak a felületen történik a párolgás, hanem a víz belsejében kialakuló buborékok határfelületén is párolog. A helyileg kialakuló buborékban növekszik a gőz nyomása, nagyobb lesz, mint a felette lévő folyadékoszlop hidrosztatikus nyomása, a felszínre kerül, azaz forr. Ez a hőmérséklet anyagminőségtől függő, de befolyásolja a folyadékfelszínre ható nyomás is! A forrásban lévő folyadék hőmérséklete az állandó melegítés hatására sem emelkedik, mert a közölt hő a részecskék közötti kohéziós és adhéziós erő illetve a külső légnyomás ellenében végzett munkához szolgáltatja az energiát. Ennek az energiának értéke vízre 2257 kJ/kg. A párolgás és forrás fordított folyamata a lecsapódás, mely hőfelszabadulással jár! (Vízgőz kondenzációja, köd, harmat, dér, zúzmara, jégvirág kialakulása.) 1
Víz előfordulása Csapadékvíz: a felszínre hulló csapadék egy része elpárolog, egy része elfolyik, és egy része beszivárog a talajba. Felszíni víz: forrás, folyóvíz, természetes tóvíz és mesterséges víztározó. Felszín alatti víz: kőzetpórusokban felszívott víz, talajvíz, rétegvíz, karsztvíz, hévíz, gyógyvíz.
Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium
1
Szakmai ismeret
A víz
Telí t et t ví zgő z: vízzel mindig közvetlen kapcsolatban van, telített gőznyomáson. Nedves gő z: a vízgőz még tartalmaz víz folyadék részecskéket is. S zár a z gő z: a folyadékvíztől elválasztott vízgőz további melegítésével keletkezik. Túlheví t et t gő z: a száraz gőz további hevítésével keletkezik. Kritikus nyomás és hőmérséklet A kritikus állapot az, amikor a folyadék és gőzének sűrűsége azonos, az ehhez tartozó nyomás a kritikus nyomás, a hőmérséklete a kritikus hőmérséklet. A víz kritikus hőmérséklete 374 oC, kritikus nyomása 221 bar, kritikus sűrűsége 314 kg/m3. A víz hőkapacitása Az a hő, ami 1 kg víz hőmérsékletét 1 oC–kal változtatja meg. Vízre, ha folyadék halmazállapotban van, akkor c = 4,2 J/kg oC, jég illetve vízgőz állapotban c = 2,1 J/kg oC. Az 1 kg ~ 1 liter víz melegítéséhez szükséges hőmennyiség számítható, illetve ∆T hőmérsékletkülönbségű vízzel szállítható valamint leadható hőáram
[m’ * c * ∆T]
meghatározható. A víz hőtágulása A víz sűrűsége 4 oC–on a legnagyobb. Fagyáskor a térfogat tágulási értéke 9,1 %, míg 4…100 oC között a hőtágulás átlagértéke 4,3 %. A víz kémiai tulajdonságai Kémiailag tiszta víz a természetben nem fordul elő, mindig tartalmaz olyan anyagokat, melyeket a levegőből vagy a földből vesz fel. Főként kalcium, magnézium, alkáli, mangán és vasvegyületek, melyeket a vízben jelen lévő szénsav tart oldott állapotban. Ezek adják a víz jellemző ízét. A víz keménysége A keménységet a vízben oldott kalcium és magnézium sók okozzák. Az összkeménység karbonát-keménységből és a nemkarbonát-keménységből tevődnek össze. (A nemkarbonátkeménységképzők nem okoznak keménységet, melegítés hatására nem válnak ki, ha azonban a vizet elpárologtatják, akkor a lerakódás visszamarad.) A karbonát-keménységet a kalcium és magnézium sói által okozott keménységet mésznek nevezik, mely 100 oC alatt a vízkőlerakódásáért felelős. A kazánkő 100 oC felett a kalciumkarbonáton kívül kalcium-szulfátot (gipsz) és szilikátokat is tartalmaz. A kemény vízben a szappan nem habzik, a víz amellyel a szappant nehezen lehet lemosni, az általában lágy. (0-6 nko igen lágy, 6-11 nko lágy, 11-17 nko középesen kemény stb.) 1 (német) nko = 10 mg kalcium-oxid ~ 18 mg kalcium-karbonát (mész) 1 liter vízben.
Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium
2
Szakmai ismeret
A víz
A víz pH-értéke A
pH-érték
a
folyadék
lúgosságának
vagy
savasságának +
szobahőmérsékleten hidrogén és hidroxil ionokra disszociál: H +
mértéke.
A
víz
-
OH és semleges
állapotban 10-7 g/liter. (A pH-érték a hidrogén ion koncentráció kitevőjére utal – a tizes alapú negatív logaritmus). A pH-érték 0…7 savas 7…14 lúgos, a pH 7 semleges. A víz minősítése A víz jellemző minősítési szempontjai: hőmérséklet, szín, zavarosság, íz és szag, radioaktivitás, szén-dioxid tartalom, oldott oxigén tartalom, keménység, pH-érték, biokémiai oxigénigény, vegyi anyag (vas-, mangán-, nitrit-, nitrát-, foszfát-, klorid-, szulfátion, ammónia, hidrogénszulfid stb.) tartalom. Biokémiai oxigénigény (BOI) az az oldott oxigén, amely a vízben lévő szerves anyagok aerob baktériumok
általi lebontásához szükséges. Értéke alapján a vizsgált víz
szervesanyag-tartalmának mértékére következtethetünk. Biológiai sajátosság, hogy a felszíni vizek öntisztulása végbemegy, a vízbe jutott szennyezőanyagokat a vízben élő mikroorganizmusok feldolgozzák, lebontják úgy, hogy a szennyezés előtti állapot áll helyre. Bakteriológiai minősítés a víz felhasználhatóságának mérvadója. A kórokozó baktériumok egyértelmű kimutatása nem egyszerű, inkább a szennyeződést jelző (nem feltétlenül fertőző) Coli baktériumokat mutatják ki. Ha a 1 ml vízben 1 Coli baktérium található, akkor a víz gyanús, ha 0,1 ml vízben már találnak 1 Coli baktériumot, akkor használatra nem alkalmas a minősítése. A víz tisztítása, kezelése A felhasználásra szánt vízből a szennyeződéseket el kell távolítani, a vizet felhasználásra alkalmassá kell tenni. A tisztítás mechanikai, kémiai, biológiai folyamatok célszerű alkalmazásával
valósítható
meg.
Alapelv:
először
a
durvább,
majd
a
finomabb
szennyezőanyagokat választják ki a minőségi igényeknek megfelelő mértékig. Durva tisztítás A tisztítandó felszíni vízből a durvább szilárd úszó vagy lebegő szennyeződéseket kell eltávolítani – például rácsos gerebenekkel – elsősorban a szivattyúk zavartalan üzemének biztosításához. A szita- vagy dobszűrők például a faleveleket távolítják el. Ezt követően ülepítéssel a víznél nagyobb sűrűségű szilárd anyagokat a gravitáció segítségével választják ki. A vízben lévő kolloid szemcsék, noha a víznél nehezebbek, mechanikai úton mégsem ülepíthetők, mert elektrosztatikus felületi erők lebegő állapotban tartják. Vegyi úton (alumínium-hidroxid) derítik, így tovább ülepíthetővé válnak a kolloidos szemcsék is.
Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium
3
Szakmai ismeret
A víz
Szűrés A víz szemcsés közegen (homok, kovaföld) szivárog át. Célja a vízben lévő kolloid (~ 1…15 µm) lebegő anyagok, pelyhek, mikroorganizmusok, kémiai szennyezőanyagok eltávolítása. Ha a szűrő eltömítődése folytán túlzottan megnő az áramlási ellenállás, akkor a szűrőréteget át kell öblíteni Kémiai tisztítás Bizonyos mennyiségű oldott állapotban lévő vas- és mangántartalom már nem fogadható el, ezért kémiai úton – vegyszeradagolással kicsapatják, pelyhesítik, ülepítik, végül kiszűrik a szennyező összetevőket. A vas- és mangántalanításhoz kapcsolódhat a savtalanítás folyamata. Célja a vízben lévő agresszív szén-dioxid eltávolítása mechanikus (kiváló gázok) és vegyszeres (meszes CO2 megkötés) módszerrel – nevezik savtalanításnak is. Csak a feles szén-dioxidot (szénsavat) kell megkötni, mert az adagolt meszes vegyszer keménységet így csőlerakódást okoz. A szabad – nem oldott állapotban lévő – szén-dioxid (szénsav) tartalmú víz rendkívül korróziós hatású, ha még klór is kerül a vízbe, márpedig a fertőtlenítéskor valószínű! Vízlágyítás Célja a keménységet okozó sók koncentrációjának csökkentése a kívánt, előírt mértékig. Termikus vízlágyításkor melegítik a vizet, és a szén-dioxid kiválása miatt az oldott állapotú kalcium- magnézium-hidrogénkarbonátok elbomlanak, kalcium- és magnézium-karbonátok keletkeznek. Vegyszeres vízlágyításnál olyan anyagokkal – mész, szóda, nátronlúg – kezelik a vizet, melyek oldhatatlan szűrhető vegyületekké alakítják. Ioncserélős vízlágyítás lényege, hogy a vizet szemcsés ioncserélős közegen átszűrik, miközben a víz a nemkívánatos ionokat természetes- (zeolit) vagy műgyantának átadják. A keménységet okozó sók ionjait (Ca2+, Mg2+) keménységet nem okozó ionokra (Na+) cserélik. Csírátlanítás, fertőtlenítés Célja a vízben élő összes kórokozó baktériumok (vírusok) elpusztítása. Kémiai kezeléskor klórral, klórgázzal, hipoklór-savval oxidációs hatás révén (ózon) csírátlanítanak. (A csírátlanító anyagok azonban nemcsak az élő szervezetekkel, hanem az egyéb szennyezőanyagokkal is reakcióba lépnek, - így fontos az adagolt mennyiség – ivóvíznél 0,5…10 g/m3, szennyvíznél 10…30 g/m3). UV-sugaras kezelés is megfelelő eredményt adhat, különösen baktériumszűrővel kiegészítetve. Gáztalanítás Az oxigén és a szénsav okozta korróziós károk megelőzése érdekében gáztalanítják a vizet. Módszerei az oxigén, a szénsav semlegesítése vegyi lekötése más anyagokkal vagy fizikai termikus úton – csörgedeztetés, forralás – a gázok kiválasztása. Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium
4
Szakmai ismeret
A víz
Szennyvíz A szennyvízben szerves és szervetlen szennyezőanyagok találhatók, melyek úszó, lebegő és oldott állapotban lehetnek. A szennyvizek tisztítása végbemehet természetes úton is, de az ember a természetes folyamatok elősegítésére különböző műtárgyakat hoz létre. A szennyvíztisztítás feladata, hogy a szennyvizet olyan mértékig tisztítsa (méregtelenítse, semlegesítse), hogy az a higiéniai és esztétikai követelményeket is kielégítve kerüljön a befogadóba. A szennyvíztisztítás fokát vízvédelmi előírások határozzák meg. Előtisztítást alkalmaznak - elsősorban egyesített (csapadék + házi szennyvíz) csatornázási rendszereknél - a mechanikai tisztító műtárgyakat megvédve. (Berendezései: rácsok, homok-, zsír és benzin- és habfogók.) Mechanikai tisztítás lényege, hogy a durva szennyeződéseket eltávolítják, majd fizikai módszerekkel a lebegő anyagokat is kivonják. (Finomrácsok, szűrők, ülepítő medencék.) Előfordulnak olyan esetek, amikor a mechanikai és a szigorúbb követelményeket is kielégítő biológiai tisztítás közötti tisztítási fok szükséges, illetve elégséges. Ekkor vegyszeres (kémiai)
derítést
(kezelést)
alkalmaznak.
Ennek
lényege,
hogy
a
szennyvízhez
csapadékképző anyagot adagolnak, mely jobb hatásfokú ülepítést eredményez. Biológiai tisztítás során a nem ülepíthető kolloidok és oldott szerves anyagok eltávolítása történik. A mikroorganizmusok élettevékenységén alapul, melyek komplett szerves vegyületeket bontanak le. A biotechnológiai folyamat révén nitrogén és foszfor sók kerülnek oldatba. A sók a vízinövények és algák túlburjánzását okozhatják, ezért ezeket is el kell távolítani, de a sók mellett a biokémiai tisztítással a rosszul oldódó olaj és fenol származékokat is távol kell tartani a befogadó élővíztől. A megmaradó iszapot mezőgazdasági iparnövényi területre vezetik, esetleg halastavakba vezetik, lehet föld alatti iszapszikkasztó ágyakba vezetni, vagy sajtolják és szárítják. Kezelése a szennyezettség mértékétől függően további rothasztás után klórozással földmedencékbe (agyaggödrökbe) helyezés vagy égetés (hő hasznosításával). Megjegyzés: Aer ob
iszapstabilizáció:
bűzképződés
nélkül
a
szerves
anyagok
energiaszegény
végtermékké alakulnak levegőztetés mellett. (3… 6 nap) Anaer ob iszaprothasztás: a melegen tartott iszapból gáz fejlődik (30…120 nap), az úgynevezett biogáz, mely robbanásveszélyes. A megmaradó iszap nem tekinthető sterilnek, bár a kórokozók nagy része elpusztul, de túléli például a lépfene és tbc baktérium, illetve nem bomlanak el a szaruanyagok és szőrszálak.
Építőipari, Faipari Szakképző Iskola és Kollégium
5
