Leonardo da Vinci Project
Udržitelný rozvoj v průmyslových prádelnách Modul 1 Používání vody Kapitola 3
Zdroje a příprava vody
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
1
Obsah
Role vody během pracího procesu Tvrdost vody Vliv tvrdosti vody na prací proces a na textilie Těžké kovy Vliv těžkých kovů na prací proces a na textilie Vlivy procesu, vlivy typů textilií na spotřebu vody
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
2
Cíle
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
3
Role vody během pracího procesu Role vody Rozpouštědlo - pro špínu rozpustnou ve vodě - pro detergent
Přenos energie na textilie - mechanickou energií (pohybem lázně) - tepelnou energií (zahříváním lázně)
Transport - detergentů do textilií - špíny z textilií
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
4
Voda - vlastnosti
bezbarvá kapalina chemický vzorec H2O úhlově uspořádaná molekula nepravidelné rozložení náboje dipól interakce s jinými dipóly nebo ionty vodíkové vazby polární rozpouštědlo
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
5
Voda – látky Přírodní voda obsahuje v různých množstvích rozpuštěné látky. Jsou to převážně: oxid uhličitý, dusík a oxid siřičitý ze vzduchu a soli vápníku, hořčíku a železa se stopami jiných alkalických a kyselých sloučenin z půdy. Tyto látky mohou negativně působit v různých částech prádelny. Vápenaté a hořečnaté soli mohou ničit mýdlo, inaktivovat povrchově aktivní činidla; kyslík a oxid uhličitý způsobují korozi ve vařáku a potrubí; sloučeniny železa zabarvují textilie atp. Tyto látky se tedy musí v maximální možné míře odstraňovat. Pečlivá analýza vodního zdroje je nutná k rozhodnutí, která metoda je v konkrétním případě nejvhodnější k jejich odstraňování. Hlavním zdrojem potíží je tvrdost vody.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
6
Požadavky na stav vody pro prádelny Čistá voda bez zápachu Nulová tvrdost nebo tvrdost přibližující se nule Minimální obsah kovů / Fe, Mn, Cu - Fe < 0,1 mg/l; - Mn < 0,03 mg/l; - Cu < 0,05 mg/l bez Fe (max. 0,1 mg/L)
pH mezi 6 – 9,5 Bez významného efektu: těžké kovy z detergentů, ze stroje a z textilií
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
7
Voda - Složky Jako výsledek svého původu voda obsahuje huminové kyseliny těžké kovy a sloučeniny alkalických kovů hydrogenuhličitany chloridy, sulfáty, fosfáty, silikáty bakterie rozpuštěné plyny (kyslík, oxid uhličitý)
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
8
Definice tvrdosti vody I Tvrdost vody – množství iontů alkalických zemin v milimolech na litr vody Co jsou kovy alkalických zemin? Skupina kovů alkalických zemin (2. skupina v periodické tabulce prvků): -
Berylium Hořčík Vápník Stroncium Barium Radium
Nejdůležitější prvky s ohledem na tvrdost vody
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
9
Definice tvrdosti vody II
Míra tvrdosti vody: Stupeň tvrdosti 1 mmol CaO/l = 56 mg CaO/l = 5.6 °d 1 °d = 10 mg CaO/l = 0.18 mmol CaO/l °d = Německý stupeň tvrdosti °e = Anglický stupeň tvrdosti °f = Francouzský stupeň tvrdosti
Modul 1 „Používání vody”
1 °d = 1.25 °e = 1.79 °f
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
10
Tvrdost vody Tvrdost vody je způsobena rozpuštěnými anorganickými solemi, zvláště vápníku, hořčíku, železa a manganu jako hydrogen- a normální uhličitany, sírany a chloridy. Existují dva typy tvrdosti: - Přechodná (karbonátová) tvrdost je způsobena přítomností hydrogenuhličitanů a lze ji odstranit zahřátím. Po zahřátí se část oxidu uhličitého vypaří, hydrogenuhličitany se přemění na špatně rozpustné normální uhličitany a ty koagulují ve formě vloček (vytváří tzv. kotelní kámen). - Trvalá (nekarbonátová) tvrdost – tu nelze odstranit zahříváním. Ostatní soli kovů alkalických zemin (chloridy, sírany, …) jsou dobře rozpustné.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
11
Přechodná a trvalá tvrdost Přechodná tvrdost (karbonátová tvrdost) - Ca-/Mg-hydrogenuhličitany - Při t > 60 °C: srážení hydrogenuhličitanů ve formě uhličitanů - Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2
Trvalá tvrdost (Nekarbonátová tvrdost ) - Ca-/Mg- sírany - Ca-/Mg- chloridy - Ca-/Mg- dusičnany
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
12
Celková tvrdost vody
Celková tvrdost = Přechodná tvrdost + Trvalá tvrdost
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
13
Vliv tvrdosti vody na účinnost praní
60
De te rg e nt 1
Was hing e ffic ie nc y [%]
50
De te rg e nt 2
40
De te rg e nt 3
30
20
10
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
o
w ate r hardne s s [ d]
Účinnost praní se vždy snižuje s rostoucí tvrdostí vody bez ohledu na použití různých typů detergentu. Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
14
Tvrdost vody a potřebné dávkování pracího prostředku
120
w as hing e ffic ie nc y [%]
100 80 60
ko nc e trac e prac ího pro s tře dku 2 [g/dm3] ko nc e trac e prac ího pro s tře dku 5 [g/dm3]
40 20 0 0
5
10
15
20
25
30
35
wate r hardne s s [o d]
V případě vyšší tvrdosti vody je nutné výrazně zvýšit koncentraci detergentu. Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
15
Tvrdost vody podle původu Původ
z jezer z řek pramenitá voda podzemní voda vodovodní voda
Tvrdost
měkká měkká měkká až tvrdá měkká až tvrdá měkká až tvrdá
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
16
Stupnice tvrdosti
mmol/L
°d
°e
°f
WH I
0 - 1,3
0-7
0 – 5,6
0 – 3,9
WH II
1,3 - 2,5
7 - 14
5,6 – 11,2
3,9 – 7,82
WH III
2,5 - 3,8
14 - 21
11,2 -16,8
7,82 – 11,73
WH IV
> 3,8
> 21
> 16,8
> 11,73
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
17
Anorganický kotelní kámen I
T > 60 °C srážení uhličitanu vápenatého a hořečnatého
Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2 Uhličitan vápenatý
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
18
Anorganický kotelní kámen II Sraženiny uhličitanu vápenatého a hořečnatého vedou k tomu, že zbytky na prádle způsobují - šednutí, - vysoký obsah popela - mechanické poškození vláken (jako výsledek působení hran mikrokrystalů)
usazeniny na stěnách trubek a elektrických topných hadech (usazeniny kotelního kamene) způsobují - ucpávání trubek - poškozování elektrických topných hadů
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
19
Anorganický kotelní kámen III
původní Modul 1 „Používání vody”
S usazeninami kotelního kamene Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
20
Anorganický kotelní kámen IV
Topný had s usazeninami kotelního kamene Mikrokrystaly Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
21
Organický kotelní kámen Za přítomnosti mýdel nebo detergentů na bázi mýdla tvoří ionty vápníku a hořčíku s mýdlem nerozpustné soli mýdla Následek ⇒ usazeniny vysráženého mýdla
Snížená koncentrace látek aktivních v praní v prací lázni Vyšší spotřeba detergentu Prostoupení částic špíny do prádla během srážení Šednutí Vytváření hydrofobního filmu na povrchu vláken Snížený příjem vody prádlem
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
22
Těžké kovy Zdroje těžkých kovů: voda, koroze potrubí a zásobníků, parní potrubí, textilní zboží, akumulace těžkých kovů v textiliích.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
23
Těžké kovy ve vodě Přítomnost v původním zdroji vody Koncentrace těžkých kovů v povrchové vodě může kolísat v rozsahu několika řádů v krátkých časových intervalech v závislosti na podmínkách, Zvláště škodlivé pro prací proces jsou ionty Fe2+, Mn2+, Cu2+ , Jedinou uspokojivou metodou je upravovat vodu tak, aby se odstranilo železo a mangan, což obvykle zahrnuje provzdušňování a filtraci, případně s dávkováním chemikálií po provzdušňování.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
24
Těžké kovy ve vodě Koroze potrubí a nádrží Velmi měkká voda z veřejného zdroje nebo měkčená voda jsou relativně korozívní a mají tendenci napadat železné potrubí a zásobníky, zvláště tehdy, když voda také obsahuje rozpuštěné plyny. Prevence zásobníky a potrubí se mohou upravovat křemičitanem sodným (vodním sklem) v množství odpovídajícím 15 mg/dm3, a tím zabránit odlupování rzi ve formě vloček.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
25
Těžké kovy Železo z parního potrubí skvrny železa na prádle mohou být způsobeny částicemi železité rzi vyfouknutými ze zkorodovaného parního potrubí na prádlo během praní tato potíž se někdy vyskytuje poté, co starý systém byl narušen instalací nového stroje řešení náhrada starého systému je pravděpodobně jedinou cestou k odstranění těchto potíží
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
26
Těžké kovy v textilním zboží Textilní zboží někdy obsahuje těžké kovy, které se pak přenášejí do praní a mohou rušit prací a bělicí proces, Je to způsobeno přítomností těžkých kovů ve špíně a padajícím prachem (Cd, Pb, Zn, Mn, Fe a Ni). Mohou se vyskytovat také v barvivech (Cr, Ni, Cu, and Co).
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
27
Akumulace těžkých kovů v textiliích Některé nebarvené vlny při prvém převzetí fakticky obsahují železo, Vlna je náchylnější k malým stopám železa ve vodě ve srovnání s bavlnou a lnem, Vlna má schopnost akumulovat železo z jednoho praní do druhého.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
28
Důsledky přítomnosti těžkých kovů na praní a bělení
ukládání na textilie, žloutnutí textilií, katalytický rozklad peroxidů, depolymerace celulózy.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
29
Důsledky přítomnosti těžkých kovů na praní a bělení Ukládání těžkých kovů na textilie. Ionty těžkých kovů (Fe2+, Mn2+) se za přítomnosti alkálií oxidují a ukládají se na textilie. 2 Fe(HCO3)2 + H2O + ½ O2 → 2 Fe(OH)3 ↓ + 4 CO2 ↑ 2 Mn (HCO3)2 + 2 H2O + O2 → 2 Mn(OH)4 ↓ + 4 CO2 ↑ Mn(OH)4 → MnO2 + 2 H2O
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
30
Důsledky přítomnosti těžkých kovů na praní a bělení Žloutnutí textilií Obecné nažloutlé zabarvení může vznikat následujícími cestami: - přítomností železa, manganu a mědi v původním zdroji vody, - železo z praného materiálu
Skvrnité žluté zabarvení může vznikat: - ze spláchnutí železné rzi do vody, - ze železa z parního potrubí, - z akumulace železa.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
31
Důsledky přítomnosti těžkých kovů na praní a bělení Katalytický rozklad peroxidů během bělení za přítomnosti iontů přechodných kovů (zvláště Fe3+, Mn2+ a Cu2+) Prevence vodný roztok peroxidu vodíku se musí stabilizovat komplexačními činidly, čímž se izolují kationty přechodných kovů
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
32
Důsledky přítomnosti těžkých kovů na praní a bělení Depolymerace celulózy Katalytický rozklad působený ionty kovů může urychlovat bělení a rozklad peroxidu během praní a bělení a způsobovat depolymeraci celulózy, Přítomnost kovových částic pocházejících z člunkových stavů může dokonce vést ke vzniku oxycelulózy, což později vede k proděravění textilie.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
33
Vliv iontů železa v ve vodě na máchání na žloutnutí bavlněných textilií 34
ye llo wing inde x [%]
32 30 28 26 24 22 20 18 16
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Fe concentration [g/l]
Žloutnutí textilie je způsobeno vyšší koncentrací iontů železa ve vodě. Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
34
Změny ve žloutnutí bavlněné textilie prané ve vodě o různé tvrdosti
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
35
Vliv koncentrace iontů Mn4+ na účinnosti praní 100
úč inno s t praní [%]
90 80 70 60 50 40
Konce ntrace pra cího pros tře dku 2g/l
30 20
Konce ntrace pra cího pros tře dku 5g/l
10 0 0
5
10
15
20
25
30
konce ntrace Mn4+ [mg/l]
Účinnost praní je také ovlivňována obsahem iontů Mn. Stejná úroveň účinnosti praní se udrží výrazným zvýšením koncentrace detergentu. Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
36
Demineralizace Princip demineralizace
Technologie výměny iontů
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
37
Zdroje vody a tvrdost vody Ne všechny zdroje vody poskytují vodu dobré kvality pro praní. Například voda v blízkosti rašeliniště obsahují huminové látky, které způsobují žluté, dokonce až nahnědle-žluté zabarvení praných textilií. Většina prádelen má svoje vlastní velké studny na vodu, ale tato voda není vhodná pro praní, protože její obsah Fe nebo Mn je až stokrát vyšší. Ve snaze šetřit vodu některé prádelny chytají dešťovou vodu ze střech a pevných povrchů do velkých kontejnerů a následně ji používají na praní. Dešťová voda vždy obsahuje rozpuštěné kyselé plyny (NOx, CO2), které mohou posunout pH až na hodnotu 3,5. Největšími nepříteli vody pro praní jsou zcela rozpustné minerální soli. Jejich vysoký obsah zcela znemožňuje praní.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
38
Tvrdost vody je v různých oblastech různá V síti zásobující vodou je většinou upravovaná voda ze zásobníků a tvrdost této vody je mezi 0,7 až 1,3 mmol/l (4-7°d) a jako taková je považována za měkkou vodu. Je-li podíl studniční vody větší, roste tvrdost vody až na 1,3 – 3,75 mmol/l (7 – 21 °d) a taková voda je považována za tvrdou. Nemálo studní poskytuje vodu o tvrdosti více než 3,75 mmol/l (21°d) a to je velmi tvrdá voda.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
39
Technologie výměny iontů
V prádelnách existuje pouze jediná technologie úpravy vody, a to je technologie výměny iontů. Tento postup je - spolehlivý, - technicky propracovaný, - ekonomicky přijatelný.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
40
Princip technologie výměny iontů Voda se čistí filtrací přes zásobník obsahující malé granule syntetické pryskyřice. Tyto granule jsou chemicky upravovány tak, aby adsorbovaly buď pozitivně nabité kationty (katex) nebo negativně nabité anionty (anex). Během úpravy vody se ionty Ca a Mg nahrazují kationtem Na. Tento proces výměny iontů čistí vodu tak dlouho, dokud nejsou všechna místa schopná výměny iontů využita; v tomto bodě je iontoměnič vyčerpán a musí se regenerovat použitím chemikálií.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
41
Schéma procesu demineralizace vody Neupravená voda Ventil
Po vyčerpání kapacity se ionotoměnič musí regenerovat pomocí NaOH a kyseliny
Zásobník výměníku iontů
Demineralizovaná voda
Schéma demineralizace vody Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
42
Příklady automatické katexové jednotky obvykle používané v průmyslových prádelnách
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
43
Kapacita iontové výměny Kapacita iontové výměny je velmi důležitým indikátorem iontové výměny. Ta je definována jako množství iontů vyměněných v jednom litru iontoměniče. Je vyjádřena v molech nebo gramech CaO na jeden litr. Objem iontoměniče se navrhuje podle kapacity. Příklad: Purolite C-100 – kapacita je 2 mol/litr katexu.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
44
Regenerace of měniče kationtů Když se pryskyřice vyčerpá, musí se provést její regenerace použitím roztoku chloridu sodného. Na+ má vyšší afinitu ke katexovým funkčním skupinám než Ca a Mg. Na-ionty nahrazují v ionexové mřížce ionty Ca a Mg a zaujímají jejich místa. Katex je regenerován a je schopen znovu pracovat. Teoretická spotřeba regeneračního činidla odpovídá kapacitě měniče iontů, prakticky je však vyšší. Počet regeneračních cyklů je z praktického hlediska neomezený a životnost katexu je závislá na mechanické pevnosti jeho mřížky.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
45
Praktické aspekty Pro regeneraci se používá 15 – 20 % roztok NaCl připravený v zásobníku se solankou. Sůl se používá většinou jako tablety nebo granule. Spotřeba NaCl se obvykle vyjadřuje na litr katexu Teoretická spotřeba: tvrdost 1°d a 1 m3 vody = 20,7 g NaCl Praktická spotřeba: 35 – 50 g NaCl (100 – 200 g v případě menších a starých typů zařízení) Počet cyklů regenerace je z praktického hlediska neomezený a životnost katexu je závislá na mechanické pevnosti jeho mřížky.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
46
Filtry pro výměnu iontů Staré filtry pro výměnu iontů jsou ocelové nebo litinové povrchově chráněné proti působení solanky. Tyto typy filtrů vyžadovaly ruční operaci. Operátor filtrů monitoroval množství upravené vody, její tvrdost, prováděl jejich regeneraci a vyplňoval formuláře zpráv. Moderní zařízení pro změkčování (tj. Kinetico, Earth Recources) pracují automaticky; postupy úpravy a regenerace jsou řízeny čidlem reagujícím na proteklé množství vody. Běžná kombinace jsou dva filtry a jeden zásobník se solankou. Filtry pracují střídavě Nádrže na solanku a filtry jsou vyrobeny z plastů, které jsou absolutně korozivzdorné. Z těchto materiálů jsou vyrobeny také potrubí, ventily atp.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
47
Voda dobré kvality pro prádelny U změkčené vody pro prádelny se neočekává žádné mikrobiologické znečištění. Bakterie by se mohly zachytit na filtrech a na granulích pryskyřice. V takovém případě se zařízení pro změkčování vody stávají zřejmým zdrojem kontaminace vody pro prádelny.
Modul 1 „Používání vody”
Kapitola 3 „Zdroje a příprava vody”
48
