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 - ζ. Który świadczy o stopniu trwałości koloidu.

Szybkości procesu koagulacji

Oznaczenia:

1. próg koagulacji,

2. koagulacja powolna.

3. Koagulacja szybko

ζ - potencjał elektrokinetyczny - potencjał zeta

Koagulacja

Koagulacja

Zol Żel

(ciało w stanie koloidalnym) (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 dodatek koagulanta destabilizacja cząstek koloidalnych (kilka sekund, intensywne mieszanie)

• II faza flokulacja - dodatek flokulanta - transport i zderzenia cząstek zdestabilizowanych i powstawanie kłaczków sedymentacja 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 2Fe(OH)₃ + H₂SO₄ Jony H⁺ muszą być usuwane z wody H⁺ + HCO₃ H₂CO₃ 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.