Ćwiczenie 1
Uzdatnianie wody
Cel uzdatniania wody: usuwanie zanieczyszczeń:
- zanieczyszczenia zawieszone (wpływ na mętności i barwę wody)
- substancje organiczne pochodzenia naturalnego i antropogenicznego (smak i zapach)
- związki Fe i Mn
- twardość (związki Ca i Mg), zasolenie
- pasożyty i drobnoustroje (dezynfekcja)
Metody usuwania stałej zawiesiny
- Koagulacja, flokulacja, klarowanie
- Filtracja
Koagulacja wody solami glinu i żelaza Zasady teoretyczne procesu
- Koloidy są to substancje stałe, rozdrobnione, których średnica cząsteczek wynosi 10-9 do 2*10-7 m.
- Cząstki rozproszone < od 10-9m tworzą z wodą roztwór właściwy i nie są identyfikowalne metodami optycznymi
- Cząstki > 2*10-7 m tworzą zawiesinę, która jest dostrzegana gołym okiem.
- Związki koloidalne nadają wodom naturalnym barwę i mętność i nie dają się usunąć za pomocą metod mechanicznych
Układy koloidowe
- Koloidy składają się cieczy, w której fazę rozproszona (zdyspergowaną) stanowią cząstki o wymiarach koloidowych.
- Układy te charakteryzują się stabilnością. Siłami stabilizującymi są przeważnie siły elektrostatycznego odpychania się cząstek koloidowych, jednoimiennie naładowanych.
Budowa cząstki koloidowej
1. jądro
2. warstwa ładująca (+)
3. warstwa absorpcyjna (-)
4. warstwa dyfuzyjna (+ - )
5. potencjał elektrokinetyczny zeta
Pomiędzy warstwom absorpcyjną i warstwą dyfuzyjną powstaje różnica potencjałów elektrokinetycznych tzw. potencjał zeta - z. Który świadczy o stopniu trwałości koloidu.
Szybkości procesu koagulacji
Oznaczenia:
1- próg koagulacji,
2- koagulacja powolna.
3- Koagulacja szybko
z - potencjał elektrokinetyczny – potencjał zeta
Koagulacja
Zol à Żel
(ciało w stanie koloidalnym) ß (bezpostaciowe osad wydzielony
z roztworu koloidalnego)
peptyzacja
koagulację można spowodować przez:
- Dodatek elektrolitu redukującego potencjał elektrokinetyczny
- Dodatek roztworu koloidu (koagulantu) o przeciwnym ładunku
- Działanie promieniami Beta i Gamma
- Ogrzewanie
- Działanie mechaniczne np. wytrząsanie
Koagulacja i jej przebieg
- I faza à dodatek koagulanta à destabilizacja cząstek koloidalnych (kilka sekund, intensywne mieszanie)
- II faza à flokulacja – dodatek flokulanta – transport i zderzenia cząstek zdestabilizowanych i powstawanie kłaczków à sedymentacja à filtracja (1-24 godziny, powolne mieszanie)
Koagulanty
Koagulantami nazywamy związki chemiczne, które w wodzie ulegają hydrolizie tworząc nierozpuszczalne wodorotlenki i wolny kwas. Najczęściej stosujemy
- Fe2(SO4)2 – siarczan żelaza
- Al2(SO4)3 x 18 H2) – siarczan glinu
- NaALO2 – glinian sodu
- FeCl3 – chlorek żelaza
- FeSO4 . 7 H2O[(Fe2SO4)3+FeCl3] – chlorowany siarczan żelazowy
Ilości koagulanta powinna być dawką optymalną tj. najmnijszą ilością koagulantu dającą najlepsze wyniki.
Koagulacja – chemizm
Koagulanty w wodzie ulegają dysocjacji a następnie hydrolizie (wielostopniowej):
Fe2(SO4)3 + 6H2O ßà 2Fe(OH)3 + H2SO4 à Jony H+ muszą być usuwane z wody H+ + HCO3 à H2CO3 à H2O + CO2
W wodzie wzrasta stężenie wolnego CO2, co prowadzi do agresywności kwasowęglowej wody.
Flokulacja
Flokulacja – proces nagromadzania koloidalnych cząsteczek przez dodatek flokulantów, przyspieszających sedymentację (osiadanie) cząstek zawiesiny w wodzie.
Sedymentacja
Sedymentacja – zjawisko zagęszczania zawiesiny pod wpływem działania pola grawitacyjnego Ziemi.
Konieczne zaistnienia zjawiska – różnica pomiędzy gęstością ciała stałego i cieczy
Prawo Stokesa – prędkości swobodnego opadania cząstek w cieczy V0:
Gdzie:
V0 – szybkości opadania, m/s
.g – przyśpieszenie grawitacyjne, 9,80665 m/s2
- gęstości masy ziarna, kg/m3
- gęstości cieczy, kg/m3
- lepkości dynamiczna cieczy, kg/(m s)
d –średnica cząstki, m
Flokulanty organiczne – polielektrolity
- związki jonowe (polielektrolity) – zobojętniają ładunki elektryczne którymi obdarzone są cząstki koloidalne i przyśpieszają koagulację
- dodatek koagulanta jest niewielki rzędu mg/dm3
- flokulant anionowy będzie reagował z zawiesiną której cząsteczki zawieszone są elektro dodatnie (potencjał zeta dodatni): wodorotlenki metali, sole
- flokulant kationowy będzie reagował z zawiesiną cząsteczkach elektro ujemnych: krzemian związki organiczne.
Roofus