TECHNOLOGIA PRZYGOTOWANIA
WODY DO CELÓW
KONSUMPCYJNYCH
I PRZEMYSA
OWYCH
1. WODA  CENNY ZWI
ZEK CHEMICZNY
Budowa chemiczna, surowiec chemiczny, silnie polarny
rozpuszczalnik, środowisko licznych reakcji chemiczny, rozpuszczalnik,
nośnik ciepła, środek pomocniczy w procesach technologicznych,
czynnik myjący, czyszczący itp.
Roztwory właściwe zawierają cząstki rozpuszczone o średnicy
d<107- cm a koloidalne o średnicy d = 10-7  10-5 cm. Rozpuszczalność
gazów w wodzie zwiększa się ze wzrostem ciśnienia a maleje ze
wzrostem temperatury.
2. WODA W PRZYRODZIE (w %)
morza i oceany 97,200
lody polarne 2,150
wody głębinowe 0,620
jeziora 0,017
atmosfera 0,001
wody rzek 0,0001
3.WODY NATURALNE - RODZAJE I CHARAKTERYSTYKA
wody opadowe
wody powierzchniowe
wody podziemne
wody wgłębne
4. ZANIECZYSZCZENIA WÓD NATURALNYCH
fizyczne
chemiczne
bakteriologiczne
radioaktywne
Skład wód podziemnych zależy od rodzaju i budowy skał i ma stały
skład chemiczno-fizyczny w odróżnieniu od wód powierzchniowych.
5. GOSPODARKA WOD

przemysł
rolnictwo i hodowla
cele komunalne
energetyka
6. WYMAGANIA STAWIANE WODZIE
Woda do picia i do celów gospodarczych nie może zawierać
substancji szkodliwych, powinna być przez
roczysta, bezbarwna, bez
zapachu, mieć przyjemny i orzez
wiający smak, nie może zawierać
bakterii chorobotwórczych oraz nadmiernych ilości manganu, żelaza,
chlorków, azotanów, azotynów, siarczanów i wapnia. Uzdatnianie wody
wymaga: klarowania, filtrowania, usuwania żelaza i manganu,
zmiękczania, poprawiania smaku i odkażania.
Woda do celów przemysłowych - wymagania stawiane tej wodzie
zależą od charakteru produkcji i przeznaczenia.
7. OCENA WODY POD WZGL
DEM CHEMICZNYM I SANITARNYM
Analiza ilości i dopuszczalnych wartości normowanych wskaz
ników w
wodzie jest obligatoryjna. Obserwuje się tempo wzrostu liczby
normowanych wskaz
ników wodzie do picia w Polsce i na świecie.
amoniak (N amonowy) 0,5 mg/l
azotany (N azotanowy) 50,0 mg/l
chlorki 250,0 mg/l
chlor pozostały 0,3-0,5 mg/l
żelazo 0,3-0,5 mg/l
mangan 0,1 (0,04)mg/l
odczyn wody (pH) 6,5 - 8,5
utlenialność 3 mg/l
twardość 5 - 20 st.tw.
8. PROCESY OCZYSZCZANIA WODY
Procesy te można podzielić na: fizyczne, chemiczne, biologiczne. Woda
dostarczana odbiorcom musi spełniać nie tylko wymagania jakościowe,
ale również i ilościowe. Do oczyszczania wody wykorzystywane są
następujące procesy jednostkowe: napowietrzanie i odpędzanie gazów
(stripping), koagulacja, sedymentacja i flotacja, filtracja, cedzenie,
wymiana jonowa, chemiczne strącanie, sorpcja na węglu aktywnym,
utlenianie chemiczne, procesy membranowe, dezynfekcja, infiltracja itp.
Dostarczanie wody z przerwami i wynikające z tego jej magazynowanie
przez odbiorców sprzyja zakażaniu. Wahania ciśnienia w sieci mogą
powodować zanieczyszczenie wody innymi obcymi wodami zassanymi
do sieci wodociągowej.
Praktycznie wszystkie (nawet bardzo zanieczyszczone wody) można
uzdatnić do właściwego poziomu  ale czy to z ekonomicznego punktu
widzenia jest rozsądne.
9. WYBRANE PARAMETRY WODY
twardość wody
stopień niemiecki - ilość wapnia i magnezu równoważna zawartości 10
mg CaO w 1 litrze wody
stopień francuski - odpowiada 10 mg CaCO3 w 1 litrze wody
stopień angielski - odpowiada zawartości 64,8 mg CaCO3 w 4,546
litrach wody
stopień międzynarodowy - wyraża ilość miligramorównoważników
wapnia i magnezu w litrze wody (wynik miareczkowania 100cm3 badanej
wody za pomocą roztworu odczynnika w cm3 wyraża od razu twardość w
mval/l)
stopień amerykański - ilość miligramów CaCO3 w litrze wody
1 st. tw. = 10 mg CaO/l ; 10 mg/l /28 mg/mval = 0 357 mval/l np.: 12 st.
tw. = 12 x 0,357 = 4,28 mval/l, 1 st. tw. = 0,357 mval/l czyli 1 st.
tw. = 0.357 mval/l x mval = mg/l
Rodzaje twardości wody
węglanowa, często nazywana twardością przemijającą - powodowana
obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu
niewęglanowa, często zwana stałą - powodowana jest obecnością
chlorków, siarczanów, krzemianów i inne.
ogólna lub całkowita, która jest sumą obydwu wymienionych wyżej
Wody miękkie - poniżej 8 st. tw. niem.
 średnie -  8 - 16 st. tw.
 twarde -  16 - 30 st. tw.
 b. twarde - powyżej 30 st. tw.
ZASADOWOŚĆ WODY
Jest to zdolność do zobojętniania kwasów mineralnych w określonych
warunkach. Właściwość tę nadają wodzie obecne w niej wodorowęglany,
węglany oraz występujące rzadziej wodorotlenki, krzemiany, borany i
fosforany.
zasadowość  p - miareczkowanie 100 cm3 wody 0,1 N HCl wobec
fenoloftaleiny (zmiana barwy w zakresie pH 8,2 - 10)
zasadowość  m - miareczkowanie 100 cm3 wody 0,1 N HCl wobec
oranżu metylowego (zmiana barwy w zakresie pH 3,1 - 4,4)
Zasadowość ogólna  zm to suma wszystkich związków chemicznych w
wodzie, które reagują zasadowo wobec oranżu metylowego (pH 4,5);
zasadowość wobec fenoloftaleiny oznacza sumę wszystkich związków
które reagują zasadowo powyżej pH 8,3; zasadowość węglanową;
zasadowość wodorowęglanową i zasadowość wodorotlenową.
Krzywa miareczkowania:
I) OH- + H+ =H2O f (cz --b); or (ż -- ceb.)
II) CO32- + H+ = HCO3- f ( cz-- bl-r); or (ż--ż)
III) CO32- + 2H+ = H2O + CO2 f ( cz--b); or (ż--ceb.)
IV) HCO3- + H+ = H2O + CO2 f (b--b); or (ż--ceb.)
Zależnie od wzajemnych wielkości  p i  m rozważa się 5 wariantów
składu wody:
p =0 i m >0
Po dodaniu fenoloftaleiny woda nie zabarwia się, a więc nie ma wolnych
zasad ani węglanów, wobec oranżu metylowego wykazuje zasadowość
 m (wymaga na 100 cm3 próbki dodania  m cm3 0,1 N HCl. W wodzie
są tylko wodorowęglany (r. IV).
p = m
Po dodaniu fenoloftaleiny próbka zabarwia się na czerwono. Po
zmiareczkowaniu do odbarwienia i dodaniu oranżu metylowego do
drugiej takiej samej próbki okaże się, że ilości 0,1 N HCl wobec każdego
ze wskaz
ników są sobie równe znaczy to, że zasadowość pochodzi
wyłącznie od wolnych zasad (I) - brak w niej węglanów i
wodorowęglanów.
p < m < 2p
Próbka zabarwia się od fenoloftaleiny. Aby ustalić skład wody trzeba
pamiętać, że zgodnie z reakcją II wartość  p oznacza połowę węglanów
obojętnych (pH = 8,2). Taki skład oznacza, że w badanej wodzie nie ma
wodorowęglanów, a zasadowość pochodzi od wolnych zasad i
węglanów obojętnych. Aby oznaczyć ich ilości należy rozwiązać układ
równań:
2OH- + CO32- =2p
OH- + CO32- =m -
po rozwiązaniu tego układu równań otrzymujemy:
OH- = 2p -m; oraz CO32- = 2(m-p)
m = 2p
Woda zabarwia się od fenoloftaleiny. Znaleziona wartość  p stanowi
połowę  m , a to oznacza, że zgodnie z równaniem (III) w wodzie są
wyłącznie węglany obojętne, nie ma wolnych zasad ani
wodorowęglanów.
m > 2p
Woda zabarwia się od fenoloftaleiny. Jak wynika z reakcji III wartość
 2p odpowiada zawartości węglanów obojętnych, natomiast nadwyżka
 m w stosunku do  2p oznacza, że w wodzie znajdują się również
wodorowęglany. Na zasadowość wody składają się więc:
CO32- = 2p mval/l, HCO3- = (m - 2p) mval/l
Zasadowość wody Zawartość jonów powodujących zasadowość
mval/l mval/l
OH- CO32- HCO3-
p = 0 , m >0 0 0 m
p = m p 0 0
p < m < 2p 2p-m 2(m-p) 0
2p = m 0 2p 0
2p < m 0 2p m - 2p
Obok wodorowęglanów i węglanów wapnia oraz magnezu w niektórych
wodach znajdują się węglany i wodorowęglany sodu i potasu. W takich
przypadkach woda cechuje się większą zasadowością od twardości
ogólnej. Różnica pomiędzy zasadowością a twardością ogólną jest
określana jako zasadowość alkaliczna. Jest ona odpowiedzialna za
tzw. pienienie wody w kotle lub straty garbników w garbarstwie. Z punktu
sanitarnego ma ona znaczenie drugorzędne.
ALKALICZNOŚĆ WODY
Stosując konieczny dodatek NaOH lub Na2CO3 do wody kotłowej dla
ochrony przed korozją należy pamiętać, że zasadowość ta musi być
kontrolowana. W tym celu oznacza się: liczbę sodową ( LS) inaczej
zwaną liczbą alkaliczną (LA). Na drodze praktycznej ustalono
minimum alkaliów, zapobiegających korozji. Wynosi ono 0,4 mg/dm3
NaOH, lub 1,85 mg/dm3 Na2CO3. Ponieważ te substancje mogą się
nawzajem zastępować, gdyż węglan w tych warunkach łatwo hydrolizuje
do wodorotlenku w stosunku 1 : 4,5 - wobec tego można w wodzie
kotłowej oznaczyć przez miareczkowanie zasadowość  p i  m , a stąd
ilość węglanu i wodorotlenku.
KAMIEC
KOTA
OWY
Wymagania jakościowe wody kotłowej określają producenci kotłów.
Zależą one od konstrukcji kotła i rosną wraz z ciśnieniem. Woda kotłowa
nie może powodować wytrącania się kamienia kotłowego, korozji oraz
pienienia wody. Powodem powstawania kamienia kotłowego jest głównie
obecność: węglanów, siarczanów, krzemianów, zawiesin, olejów w
wodzie. W skład kamienia kotłowego wchodzą: trudno rozpuszczalne
sole wapnia i magnezu, związki glinu, żelaza, związki organiczne,
domieszki mechaniczne.
-kamień węglanowy zawierający do 90% węglanu o przewodności 0,5-
5 kcal/m.h.oC
-kamień gipsowy o zawartości 50% CaSO4, 3 razy mniejsza
przewodność cieplna
-kamień krzemianowy o zawartości 25% kwasu krzemowego -
szczególnie twardy
Straty węgla lub innego paliwa spowodowane obecnością kamienia
kotłowego są ogromne - często sięgają około 2 mln. ton.
KOROZJA
Surowe wody powierzchniowe zawierają zwykle małe ilości CO2
agresywnego. O ich korozyjnym charakterze decyduje mała twardość
węglanowa, duże stężenie jonów wodorowych oraz wysoki poziom
mineralizacji.
Korozję sieci przesyłowej wody wywołują: woda, rozpuszczone
kwasy nieorganiczne, tlen, azotany, chlorki magnezu i potasu.
Optymalny zakres pH znajduje się w przedziale 8,7 - 11,5. Szczególną
rolę odgrywa dwutlenek węgla i tlen, powodując charakterystyczne
wżery i wgłębienia na powierzchni żelaznych części.
Niezwiązany CO2 znajduje się w równowadze z wodorowęglanami
obecnymi w wodzie, resztę stanowi tzw. agresywny CO2 atakuje żelazo
dając Fe(HCO3)2. Ustala się równowaga między atakowanym żelazem a
rozpuszczoną solą, która mogłaby zahamować dalsze rozpuszczanie się
żelaza, gdyby nie obecność tlenu, który utlenia Fe2+ do Fe3+.
Aby zapobiec korozji:
- usuwa się z wody:CO2 i tlen,
- utrzymuje się określony stopień alkaliczności,
- wprowadza się inhibitory (sole chromu, azotany, hydrazynę, morfolinę,
cykloheksyloaminę, alifatyczne aminy krzemiany), substancje
kompleksotwórcze, - metal pokrywa się warstewką ochronną metalu
odpornego na korozję. Inhibitory są skuteczne jeżeli: dysocjując
wytwarzają jony o dużych ładunkach, nie są toksyczne, nie posiadają
właściwości pianotwórczych, nie powodują zmian cech
organoleptycznych wody, nie są pokarmem dla mikroorganizmów itp.
Często stosowanymi inhibitorami są: heksametafosforan sodowy,
tripolifosforan sodowy, wodorofosforany ortofosforan cynkowy,
krzemiany sodowe.
UZDATNIANIE WÓD NATURALNYCH DLA POTRZEB LUDNOŚCI
I PRZEMYSA
U
Uzdatnianie wody polega na usuwaniu niepożądanych składników np.
zawiesin poprzez stosowanie krat, sit, osadników, filtrów oraz procesy
fizyczno-chemiczne takie jak: koagulacja, zmiękczanie, odsalanie,
odżelazianie, usuwanie manganu, odkrzemianie, stabilizację wody.
Wszystkie procesy stosowane do oczyszczania wody można podzielić
na: fizyczne, chemiczne i biologiczne oraz mogą być łączone układy.
Każdy z procesów oprócz głównego zadania spełnia również rolę
uboczną. Do oczyszczania wody najczęściej wykorzystywane są
następujące procesy jednostkowe:
- napowietrzanie i odpędzanie gazów (stripping),
- koagulacja,
- sedymentacja,
- flotacja,
- filtracja,
- wymiana jonowa,
- chemiczne strącanie,
- sorpcja,
- utlenianie chemiczne,
- procesy membranowe,
- dezynfekcja
- infiltracja.
Zmniejszanie się dyspozycyjnych zasobów wody, wskutek ich
zanieczyszczenia, spowodowało zainteresowanie metodami odnowy
wody, które polegają na takim oczyszczeniu ścieków miejskich bądz

przemysłowych, że mogą one ponownie stanowić surowiec do celów
wodociągowych.
Operacje jednostkowe mają charakter fizyczny bądz
fizyczno-
chemiczny i obejmują: operacje dynamiczne (przepływ płynów, filtracja
rozdrabnianie ciał stałych, mielenie), cieplne (przewodzenie ciepła,
ogrzewanie, chłodzenie, wrzenie, kondensacja) i dyfuzyjne (przenikanie
masy, destylacja, absorbcja, ekstrakcja, suszenie).
Procesy jednostkowe chemiczne (spalanie, zgazowanie, wymiana
jonowa, elektroliza, chemiczne strącanie itd.) stanowią łącznie z
operacjami jednostkowymi chemiczny proces technologiczny.
KLAROWANIE WÓD
Proces ten ma na celu usunięcie zanieczyszczeń mechanicznych, które
dzielimy na:
- lekkie zawiesiny grube, usuwane za pomocą krat
- zawiesiny mniejsze usuwane za pomocą sit metalowych
- zawiesiny bardzo drobne usuwane za pomocą mikrosit i w osadnikach
Kraty sporządzone są z metalowych prętów ustawionych pionowo lub
pod kątem. Prześwit krat wynosi 10-20mm lub 30-50mm. Czyszczenie
odbywa się ręcznie bądz
mechanicznie.
Sita ustawia się za kratami, mogą być nieruchome lub obrotowe. Sita są
instalowane podwójnie i pracują na zmianę. Gęstość sit dobiera się
stosownie do rozmiarów zatrzymywanych ciał i prędkości przepływającej
wody w kanale. Mikrosita służą do pełniejszego usuwania zawiesin typu
planktonu. Są to bębny obrotowe pokryte tkaniną z nierdzewnych nitek
metalowych, o oczkach od 65 do 23 mikronów, umieszczoną na stalowej
siatce o większych rozmiarach oczek (2 x 2 mm). Bębny wmontowane
są poziomo w zbiornik betonowy. Mikrosita, podobnie jak sita zwykłe,
ustawia się przed filtrami, jako urządzenia do wstępnego oczyszczania
wody.
Osadniki
Służą one do zatrzymywania zawiesin łatwo-opadających, naturalnych lub
wytworzonych w procesie koagulacji i chemicznego strącania związków trudno
rozpuszczalnych. Ich miejsce w układzie urządzeń zależy od jakości wody, a
więc rodzaju i kolejności procesów jednostkowych oczyszczania wody
(wstępne dla zawiesin łatwo opadających i wtórne po koagulacji i chemicznym
strącaniu). Miarą skuteczności działania osadników jest zawartość zawiesin w
wodzie po sedymentacji i zależy od rodzaju cząstek oraz czasu sedymentacji.
W celu określenia parametrów sedymentacji zawiesin o nieznanej gęstości,
wielkości i charakterze wymagane są badania laboratoryjne.
Wprowadzona woda pozostaje w osadniku (osadniki wstępne) w spokoju
i przepływa bardzo powoli, a zawiesiny opadają na dno. Klarowne górne
warstwy wody odprowadza się do dalszych etapów oczyszczania. Na tym
etapie nie usuwane są zanieczyszczenia koloidalne. Osadniki bywają o
działaniu okresowym lub ciągłym, ze stałym przepływem wody  poziomym,
pionowym lub mieszanym, odśrodkowe i wielo-strumieniowe..
Osadniki poziome
Usuwają one do 70% zawiesin. Szybkość przepływu V=2-7 mm/s, czas
przebywania t=2-3 a nawet 6 godzin.
Osadniki pionowe
Prędkość przepływu wody w rurze centralnej wynosi 20 - 25 mm/s, a prędkość
wznoszenia się wody wewnątrz osadnika 0,5 - 0,75 mm/s, czas przebywania
wody w osadniku jest ok. 2 godzin, wydajność usuwania zawiesin 70 - 90%.
Nadają się one szczególnie do wód o dość szybko opadających zawiesinach
(np. po koagulacji).
Osadniki odśrodkowe
Kierunek ruchu wody jest zbliżony do poziomego, a cylindryczny kształt czyni go podobnym do
osadnika pionowego. Charakteryzuje go zmienna prędkość przepływu.
Woda po filtrach zwykle kierowana jest na filtry zapewniające
dalsze usuwanie zawiesin
FILTROWANIE
Proces filtracji jest od dawna znany i stosowany w oczyszczaniu wody.
Najwcześniejsze informacje pochodzą z Indii sprzed 3000 lat. W 10
wieku p.n.e w Chinach stosowano materiał granulowany do klarowania
wody. W 1746 roku w Paryżu przyznano pierwszy patent na urządzenie
do filtracji. W 1804 roku filtracje zastosowano w Szkocji, 1828 roku w
Anglii, w 4 lata póz
niej w Richmont zainstalowano filtry ze złożem
piaskowym do filtracji wody surowej. W Warszawie w 1885 roku
wybudowano filtry powolne, które eksploatowane jest do dzisiaj.
Jest to najważniejszy proces uzdatniania wody, usuwane są
zanieczyszczenia mechaniczne o rozmiarze 0,0001cm i ma
zastosowanie zarówno do oczyszczania wód surowych, jak i wstępnie
uzdatnionych. Jakość filtratu zależy od: rodzaju zanieczyszczeń,
konstrukcji urządzeń filtrujących, rodzaju materiału filtracyjnego, liniowej
prędkości przepływu wody, wysokości złoża. Procesy zachodzące
podczas filtrowania mają złożony charakter.
Proces mechaniczny polega na zatrzymywaniu makro-zawiesin
(średnica porów złoża ma być mniejsza od wymiarów zawiesin).
Działanie adsorpcyjne i kontaktowe wiąże się z uaktywnieniem
powierzchni ziaren złoża. Procesom adsorpcji sprzyjają: silnie porowata
powierzchnia materiału filtrującego i zewnętrzna powierzchnia
zatrzymywanych cząstek, mała średnica zatrzymywanych cząstek,
obniżona do pewnych granic temperatura wody, zwiększone ciśnienie,
optymalna prędkość przepływu wody. Podczas filtracji na niektórych
filtrach zachodzą również procesy biochemiczne dzięki obecności w
złożu mikroorganizmów i bakterii. Przepływ wody przez filtr jest
hamowany przez opór przepływu i aby nie dopuścić do jego
nadmiernego wzrostu złoże oczyszcza się okresowo.
Budowa i zasada działania filtru
Podstawowe elementy każdego filtru stanowią: sieć drenażowa, warstwa
podtrzymująca złoże, złoże filtracyjne właściwe, obudowa filtru.
Sieć drenażową stanowi dolna część filtru i ma za zadanie równomierne
odprowadzenie filtratu. Służy on także do okresowego płukania filtrów
pośpiesznych, wówczas do rur rozdzielczych wprowadza się wodę
płuczącą, którą kieruje się na filtr od dołu.
Warstwa podtrzymująca złoże składa się z podkładu żwirowego o
grubości warstwy od 0,2 do 0,6 m i zróżnicowanym uziarnieniu. Dolną
część ułożoną na drenażu stanowi ziarno największe o średnicy ok. 50
mm (jest to gruby żwir lub tłuczeń)
Złoże właściwe składa się z materiału filtracyjnego o zróżnicowanym
uziarnieniu, odpornego na czynniki chemiczne i mechaniczne (piasek
kwarcowy, rozdrobniony marmur, antracyt, koks, piasek rzeczny.
Najczęściej stosuje się piasek o wymiarze czynnym d10 = 0,7 - 0,8 mm.
"Wymiar czynny" - odpowiada wielkości oczek sita, przez które
przechodzi 10% wagowych piasku podczas analizy sitowej. "Wymiar
średni" oznaczany d60 odpowiada wymiarowi oczek sita przez które
przechodzi 60% wagowych piasku. Z tych 2 wielkości wyznacza się
"współczynnik nierównomierności" K = d60 /d10
Szybkość filtracji V
V = Q/F [ m3/h /m2]
gdzie: V - szybkość filtracji w m/h, Q - ilość wody przepływającej w m3/h,
F - powierzchnia złoża w m2
Ze względu na warunki pracy oraz rodzaj złóż filtracyjnych, filtry
można podzielić na: grawitacyjne, ciśnieniowe, powolne, pospieszne,
jedno- i wielowarstwowe, otwarte, zamknięte, ze złożem niskim i
wysokim o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych i kierunku przepływu
wody.
Rodzaje filtrów
Prefiltry wypełnione są piaskiem gruboziarnistym lub żwirem. Mogą one
spełniać funkcje podobne jak osadniki.
Filtry powolne - wielkie prostokątne komory betonowe otwarte lub kryte.
Komory są wypełnione od dołu masą filtracyjną (żwirem) o wysokości 0,3
do 0,5 m i piaskiem o wysokości 0,3 m. Na tej warstwie znajduje się
złoże właściwe składające się z piasku o wymiarze czynnym od 0,25 do
0,45 mm i współczynniku nierównomierności mniejszym od 3, wysokość
złoża wynosi od 1 do 1,2 m, wysokość wody nad złożem 1,2 m,
szybkość filtracji od 0,1 do 0,3 m/h.
Filtry pośpieszne stosuje się do ostatecznego filtrowania mętnych wód
po koagulacji, w procesie odżelaziania i odmanganiania wody, jako I
stopień oczyszczania wody surowej przy filtracji dwustopniowej, do
filtrowania wody dla celów przemysłowych po zabiegach chemicznego
uzdatniania. Ich wydajność. filtrowania jest nieporównywalnie wyższa niż
filtrów powolnych, choć osiągany stopień oczyszczania jest niższy.
Różnice między nimi to: odmienna konstrukcja, częste mechaniczne
czyszczenie, znaczna prędkość filtracji (od 4 do 20 m/h), inne
uziarnienie złoża, udział całego złoża, bez wytworzenia błony
biologicznej. Pod względem konstrukcji dzielą się na otwarte
(grawitacyjne) i zamknięte (ciśnieniowe), przy czym te ostatnie mogą być
pionowe lub poziome. Pracę filtra opisuje się poprzez:
Cykl roboczy T między kolejnymi płukaniami jest krótki
T = 1000 x P/mox V [h]
gdzie : mo - zawartość zawiesin w wodzie w g/m3, V - szybkość filtracji w
m/h, P - zdolność złoża do zatrzymywania zanieczyszczeń w kg/m2,
która zależy od wymiaru ziaren złoża i wynosi od 0,4 do 0,6 kg/m2
powierzchni złoża. Cykl roboczy filtra bywa różny i często wynosi od 8 do
12 godzin.
Na całkowite ciśnienie hydrostatyczne H, równe różnicy poziomu
wody nad filtrem i poziomu z rury odprowadzającej filtrat, składają się 3
wielkości
H = ho+ hf + hr = const
gdzie: ho - straty ciśnienia w czystym filtrze, hf - straty ciśnienia w filtrze
wynikające z zanieczyszczeń w danym czasie, hr - straty ciśnienia w
urządzeniach regulujących szybkość filtracji
Filtry pośpieszne zamknięte mają kształt cylindryczny i są wykonane z
grubej blachy stalowej. Mogą być pionowe lub poziome. Warstwa
filtracyjna składa się z piasku i żwirku o różnej granulacji (0,5-0,8mm, 3-
5 mm, 5-25 mm). Złoże filtracyjne ma wysokość 0,8 - 2,0 m. Pracują one
pod ciśnieniem 4 - 6 ata. Szybkość filtracji wynosi 10 - 16 m/h. Filtry
wielo-strumieniowe są ulepszone, gdyż mają większą szybkość filtracji.
Filtry super-pośpieszne mają dużą prędkość filtrowania (do 100 m/h).
Filtry kontaktowe łączą filtrację z koagulacją.
Filtry namywane to te, które oprócz konwencjonalnego materiału mają
naniesioną cienką warstwę masy filtracyjnej złożonej z substancji
powierzchniowo-czynnej.
Filtry suche jest to specjalny przypadek filtrów pospiesznych, w których
woda przesącza się przez suche (nie zalane wodą) złoże filtracyjne.
Równomierność obciążenia powierzchni filtracyjnej uzyskuje się przez
rozdeszczowienie wody nad złożem.
Płukanie filtru
Istnieje kilka sposobów płukania stosowanych w praktyce: wodą tzw.
odwrotne, wodno-powietrzne, odwrotne łącznie z płukaniem
powierzchniowym, odwrotne łącznie z mechanicznym mieszaniem
górnych warstw itp.
KOAGULACJA
Najdrobniejsze zanieczyszczenia (cząstki gliny, bakterie, glony,
koloidowe substancje humusowe) można usunąć w procesie koagulacji,
który polega na dodaniu do wody określonych substancji chemicznych,
wytrącających się w postaci kłaczkowatych, łatwo opadających zawiesin.
Koagulacja polega na przejściu pseudo-roztworu koloidowego zwanego
zolem w żel. Fazę rozproszoną stanowią cząstki o wymiarach107- do
2*105- cm. Siłami stabilizującymi są przede wszystkim siły
elektrostatyczne odpychania się cząstek jedno-imiennie naładowanych.
Cząstki koloidowe mają jednoimienne ładunki pochodzące bądz
z
adsorpcji jonów elektrolitów znajdujących się w środowisku
dyspersyjnym, bądz
też na skutek własnej dysocjacji elektrolitycznej.
Cząsteczka koloidowa jest tym bardziej stabilna, im ma mniejsze
rozmiary i większy ładunek.
Cząstki koloidowe w zależności od zdolności adsorbowania na sobie
cząstek rozpuszczalnika dzielimy na liofilowe (ulegają one solwatacji)i
liofobowe. A
adunek elektryczny koloidów jest m.in. wynikiem
selektywnej adsorpcji jonów z otaczającego roztworu na powierzchni
cząstki. najlepiej adsorbują się jony wchodzące w skład struktury cząstki
koloidowej. Dzięki selektywnej adsorpcji cząstka uzyskuje ładunek
dodatni lub ujemny. Koagulacji zolu sprzyjają: zwiększenie stężenia
elektrolitów w roztworze lub dodatek koloidu o przeciwnym znaku.
Koagulacja pod wpływem dodanego elektrolitu polega na
zwiększeniu liczby jonów o znaku przeciwnym niż ładunek cząstki
koloidowej. Zewnętrzna warstwa tej cząstki posiada podwójną warstwę
elektryczną:
I - stanowi warstewka jonów zaadsorbowanych,
II - stanowi warstwa jonów przeciwnego znaku znajdująca się w pewnej
odległości wraz z odpowiednią ilością cząstek wody.
Zdolność koagulacyjna jonów zależy od wielkości ładunku. W procesie
koagulacji stosowanej do oczyszczania wód naturalnych mamy do
czynienia z układem, w którym woda jako czynnik dyspergujący oraz
dwa rodzaje koloidów:
1 - nadające wodzie mętność i zabarwienie (mają ładunek ujemny)
2 - powstające podczas dodawania koagulanta (wodorotlenki Fe i Al,
powstające po dodaniu soli tych metali nadają ładunek dodatni).
Ujemnie naładowane koloidy mogą być destabilizowane dodatnio
naładowanymi wodorotlenkami koagulantów i wytrącają się w postaci
kłaczków.
Do najczęściej stosowanych koagulantów należą: Al2(SO4)3*18 H2O,
polimeryczny AlCl3 - PAC, FeSO4*7 H2O, FeCl3*6 H2O - PIX, Na2Al2O4
Koagulacja siarczanem glinowym
I. hydroliza: Al2(SO4)3 + 6 H2O � 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4
II. reakcja wtórna: 3 H2SO4 + 3 Ca(HCO3)2 �3 CaSO4 + 6 CO2 + 6 H2O
(Mg) (Mg)
W środowisku o określonym pH wodorotlenek glinowy ma ładunek
dodatni, przy czym powstający koloidowy wodorotlenek wypada z
roztworu w postaci kłaczkowatego osadu uwodnionego tlenku. Osad ten
dzięki dużej powierzchni adsorpcyjnej porywa naturalne zawiesiny
koloidów, które następnie zostają usunięte z wody w osadnikach, a
potem na filtrach. Wyniki koagulacji zależą od: stężenia koagulantu (20-
100 mg/l wody), temperatury (około 100C), pH (optymalne pH dla
substancji humusowych 4,0-6,0 a nawet do 7,5, zaś dla nieorganicznych
5,0-7,0 zależnie od twardości wody), dobrego wymieszania koagulantu z
wodą, rodzaju zawiesiny. Wartości pH = 8 i wyższe są mniej korzystne
ponieważ w tych warunkach tworzą się gliniany.
Wadą tej metody jest zmiana twardości węglanowej na stałą, a
jednocześnie zwiększa się w wodzie zawartość agresywnego CO2.
Siarczan glinu używany jest dla wód miękkich, o małej twardości
węglanowej i wymaga jednocześnie wprowadzania substancji
neutralizujących np. NaOH, Na2CO3 lub Ca(OH)2, aby zobojętnić kwaśne
produkty hydrolizy i spowodować wytrącanie wodorotlenku glinowego.
Najmniejszą rozpuszczalność ma wodorotlenek przy pH w zakresie 6,5 -
7,5.
Koagulacja za pomocą glinianu sodowego
Daje on osad wodorotlenku w wyniku hydrolizy w roztworach wodnych
oraz w reakcjach z solami wapnia, magnezu i wolnym dwutlenkiem
węgla.
Na2Al2O4 + 4 H2O � 2 Al(OH)3 + 2 NaOH
Na2Al2O4 + Ca(HCO3)2 + 2 H2O � CaCO3 + Na2CO3 + 2 Al(OH)3
Na2Al2O4 + MgSO4 + 4H2O � Mg(OH)2 + 2 Al(OH)3 + Na2SO4
Na2Al2O4 + CO2 + 3 H2O � 2 Al(OH)3 + Na2CO3
Może być użyty w niższej temperaturze, wiąże krzemionkę oraz sole
magnezu, lecz jest dość drogi.
Na2Al2O4 + 4SiO2 � 2 NaAl(SiO3)2
2 NaAl(SiO3)2 + MgSO4 � MgAl2(SiO3)4 + Na2SO4
Koagulacja siarczanem żelazawym
FeSO4 + 2H2O � Fe(OH)2 + H2SO4
Tworzący się kwas reaguje z wodorowęglanami wapnia i magnezu.
Tworzący się początkowo Fe(OH)2 ma dość dużą rozpuszczalność, lecz
pod wpływem tlenu rozpuszczonego w uzdatnianej wodzie utlenia się do
Fe(OH)3, który wypada w postaci kłaczków:
2 Fe(OH)2 + 0,5 O2 + H2O � 2 Fe(OH)3; (2Fe(OH)3 � Fe 2O3*3H2O)
Związki żelaza(III) ulegają hydrolizie z tym, że koagulują w szerszym
zakresie pH: 4,5 do 9,0 (optymalne = 6,5), a siarczan żelaza(II) przy pH
ok. 8,2. Konieczna jest korekta wapnem dla usprawnienia przebiegu
koagulacji.
FeSO4 + Ca(HCO3)2 � Fe(HCO3)2 + CaSO4
Fe(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 � Fe(OH)2 + 2 CaCO3 + 2 H2O
FeSO4 + Ca(OH)2 � Fe(OH)2 + CaSO4
dodatek wapna przyśpiesza samoistny rozkład wodorowęglanu żelaza
(II):
Fe(HCO3)2 � Fe(OH)2 + 2 CO2
Wapno nadaje pożądaną zasadowość (pH). Najlepsze wyniki daje
koagulacja z udziałem chloru, który utlenia żelazo. Koagulacja solami Fe
ma tę wyższość nad koagulacją siarczanem glinu, że: osad Fe(OH)3 jest
1,5 razy cięższy od Al(OH)3 i szybciej opada, jest mniej wrażliwy na
wyższą zasadowość (nie tworzą się żelaziany). Ma natomiast pewne
wady: zwiększa zawartość Fe w wodzie, Używając FeCl3 następuje
znaczny spadek pH (10% roztwór w wodzie ma kwasowość zbliżoną do
0,1 N HCl. Czasem stosuje się mieszane koagulanty (siarczan glinowy i
chlorek żelazowy).
Celem przyśpieszenia koagulacji oraz zwiększenia kłaczków
stosuje się polielektrolity. Są to naturalne lub syntetyczne
wielkocząsteczkowe substancje organiczne lub nieorganiczne, które
aktywują koagulację oraz flokulację, czyli narastanie kłaczków. Należy
do nich m.in. aktywowana krzemionka. Mechanizm ich działania nie jest
dobrze poznany, natomiast efekty są duże: przyśpieszają powstawanie
gęstych i dużych kłaczków, skraca proces flokulacji, umożliwia przebieg
procesu w niskich temp., zmniejsza zużycie flokulantu, ułatwia opadanie
osadu. Stosowane dawki polielektrolitów są bardzo małe - rzędu 0,5 do
10 mg/l.
Przebieg procesu koagulacji i stosowane urządzenia
Rodzaj urządzeń do prowadzenia koagulacji zależy od warunków, w
jakich ona przebiega, oraz od rodzaju wody.
Proces koagulacji i flokulacji obejmuje:
1) przygotowanie roztworu koagulantu i jego dawkowanie
2) szybkie wymieszanie roztworu koagulantu z uzdatnianą wodą
3) reakcja koagulantu ze składnikami wody
4) tworzenie się i wzrost kłaczków oraz ich opadanie.
Proces ten przebiega w dwóch etapach:
I wymieszanie roztworu koagulantu z wodą w ciągu kilku minut i
zajście reakcji chemicznej
II: powolne mieszanie trwające 15 do 30 minut, wtedy zachodzi
proces flokulacji, a na powstających kłaczkach następuje adsorpcja
zanieczyszczeń i opadanie osadu.
Dawkowanie roztworu koagulantu bezpośrednio do
przewodów wlotowych doprowadzających wodę surową do filtrów
żwirowych. Koagulacja ma wtedy charakter kontaktowy. Ustalona
uprzednio dawka koagulantu nie ulega zmianie w razie wahań
temperatury i jest na ogół niższa (1,5 - 3-krotnie) niż w metodach
klasycznych (stosowana do wód surowych zawierających mało
koloidów).
Zwykła, powolna koagulacja jest stosowana do wód
zanieczyszczonych dużymi ilościami koloidów, nosi ona nazwę
objętościowej i wymaga specjalnych urządzeń:
a) urządzenia do przygotowania i dawkowania koagulantów,
b) mieszalnika do mieszania koagulantu z uzdatnianą wodą,
c) urządzenia dla procesu flokulacji,
d) osadnika,
e) filtru pośpiesznego.
Ad. a).Koagulanty w roztworze przygotowuje się w zbiorniku zarobowym a
dalej w zbiorniku roboczym. Najczęściej przygotowuje się roztwór o stężeniu 5
do 10%. Roztwór ten przepływa następnie do dawkownika. Jony używanych
koagulantów ulegają w wodzie reakcji protolitycznej, prowadzącej do obniżenia
pH a warunki koagulacji wymagają podwyższonego pH - konieczne jest więc
wprowadzanie wapna. Urządzenia do przygotowania wody wapiennej lub
mleka wapiennego i ich dawkowania to dawkowniki stałe. Są to zbiorniki, do
których doprowadza się koagulanty i z nich wypływają odpowiednio
wyregulowanym zaworem. Dawkowniki proporcjonalne mają automatyczne
urządzenia do zmiany dawkowania w zależności od zmiennego przepływu
wody. Do dawkowania substancji sypkich stosuje się: dawkowniki
gąsiennicowe, tarczowe i inne. Stałe koagulanty nie powodują korozji
urządzeń, lecz one same nie mogą zbrylać się, muszą mieć jednolity skład
chemiczny w całej masie i jednorodne uziarnienie, muszą być odporne na
zmiany temperatury (do takich należy siarczan glinu).
Ad b). Mieszanie wody z koagulantem musi być intensywne i krótkotrwałe.
Mieszalniki dzielą się te z burzliwym przepływem tzw. mijakowe oraz z
mechanicznym mieszaniem.
Ad. c). Tu odbywa się właściwy proces koagulacji: tworzenie się kłaczków, ich
wzrost i opadanie. Proces flokulacji trwa 15 - 30 minut i zależy od: optymalnej
dawki koagulantu, temperatury, mieszania - jego tempo musi być tak dobrane,
aby nie rozbijać powstających aglomeratów i zapobiegać ich szybkiemu
opadaniu. Zależnie od sposobu mieszania rozróżnia się: komory reakcji z
przegrodami, komory reakcji z mieszadłami mechanicznymi umieszczonymi
pionowo lub poziomo. Szybkość przepływu wody 0,2 do 0,3 m/s, czas
przebywania wody poddawanej flokulacji wynosi od 15 do 30 minut. Po
koagulacji i flokulacji wodę odprowadza się do osadników.
Ad. d). To urządzenia do klarowania wody przepływającej w przeciw-prądzie
do zawieszonego kłaczkowatego osadu z flokulacji.
Koagulacja kontaktowa w odróżnieniu od objętościowej, jest procesem
powierzchniowym, zachodzącym na powierzchni złoża filtrów kontaktowych.
Filtr kontaktowy podobny jest do filtru pośpiesznego otwartego. Woda wraz z
koagulantem dodanym bezpośrednio przed filtrem wpływa od dołu z
prędkością 5-6m/h, strącanie i wzrost kłaczków następuje wewnątrz złoża na
powierzchni ziaren piasku. Koagulacja kontaktowa góruje nad objętościową
dzięki osiąganiu szybkości procesu, mniejszym ilościom koagulantu,
niewrażliwości na zmiany temperatury oraz prostocie urządzeń, zaś wadą jest
niska wydajność procesu.
Koagulacja elektrolityczna polega na wykorzystaniu procesów
elektrolitycznych, które zachodzą między elektrodami z żelaza lub glinu. Z płyt
podłączonych do bieguna dodatniego przechodzą do roztworu kationy Fe3+ lub
All3+, które w przestrzeni anodowej tworzą wodorotlenki tych metali, będące
koagulantami. Metoda ta wymaga znacznych ilości energii elektrycznej, zaletą
jest szybkość powstawania i osadzania się kłaczków i mała zależność od
wahań pH wody oraz prostota urządzeń. Sprawność zależy od wielkości
powierzchni elektrod.
Akcelatory, precypitatory i pulsatory są to urządzenia, w których może
zachodzić cały proces koagulacji łącznie z klarowaniem.
W procesie tym są usuwane zanieczyszczenia organiczne i
nieorganiczne o rozdrobnieniu koloidalnym oraz zawiesiny, a także częściowo
substancje rozpuszczone.
Efektem skutecznej koagulacji jest zmniejszenie mętności,
intensywności barwy, wskaz
ników zanieczyszczenia organicznego, w tym
prekursorów ubocznych produktów dezynfekcji i utleniania chemicznego.
Koagulację w procesach uzdatniania wody stosuje się do usuwania
zawiesin trudno-opadających i koloidów naturalnych zaś w odnowie wody
stosuje się w celu zmniejszenia mętności oraz zawartości związków
fosforowych, a także związków organicznych mierzonych wskaz
nikami ChZT,
BZT, OWO.
ODŻELAZIANIE WODY
Związki żelaza w wodzie pochodzić mogą z różnych z
ródeł: z gruntu, z
zanieczyszczeń ściekami, z korozji żelaznych zbiorników i przewodów.
Wody żelaziste mają szereg ujemnych cech: nieprzyjemny, specyficzny
zapach i żelazisty smak, skłonność do osadzania szlamów w
rurociągach, grzejnikach, wyparkach, pozostawianie plam na pranych
tkaninach, pokrywanie żółtymi plamami porcelany i szkła, ujemny wpływ
na jakość produktów spożywczych i wyrobów przemysłowych. Woda do
picia nie powinna zawierać więcej niż około 0,3 mg/l, powyżej 0,5 mg/l
jest dawką zabójczą dla roślin a 1mg/l dla ryb. Wody żelaziste sprzyjają
rozwojowi bakterii żelazistych w instalacjach gdzie wytwarzają rdzę
gąbczastą lub nitkowatą - co powoduje zatykanie przewodów, zawartość
żelaza w wodzie sprzyja rozwojowi roślin wodnych np. alg. Woda w
Wiśle zawiera 8mg/l żelaza zaś dopuszczalne zawartości Fe do picia -
max 0,3mg/l, do produkcji pigmentów poniżej 0,001mg/l, zaś do
produkcji papierów wartościowych jeszcze mniej.
Odżelazianie wody można realizować na drodze:
- napowietrzania (aeracja) i filtrowania
- napowietrzania, nawapniania i filtrowania
- koagulacji.
O wyborze metody decydują: pochodzenie wody, skład fizyczno-
chemiczny wód naturalnych, ilość i rodzaj występujących związków Fe.
Napowietrzanie i filtrowanie. Odżelaziacze otwarte
Tę metodę stosuje się do wód wgłębnych, nie zawierających tlenu.
Fe(HCO3)2 + 2 H2O � Fe(OH)2 + 2H2O + 2 CO2
2 Fe(OH)2 +0,5 O2 + H2O � 2 Fe(OH)3
Napowietrzanie wykonuje się przez rozdeszczowienie, rozpylanie za
pomocą dysz, wtłaczanie powietrza pod ciśnieniem do wody, ściekanie
cienkich warstw wody po materiałach porowatych.
Odżelaziacze zamknięte (ciśnieniowe) mogą być jednostopniowe (dla
zawartości Fe poniżej 2mg/l) lub dwustopniowe (gdy żelaza jest powyżej
2mg/l) , ich budowa przypomina filtry ciśnieniowe. Napowietrzanie i
filtrowanie odbywa się pod ciśnieniem.
Odżelaziacze jednostopniowe składają się ze złoża filtracyjnego z
piasku kwarcowego o wysokości 1 - 1,5 m i uziarnieniu 0,8 - 1mm,
wydzielający się CO2 wraz z powietrzem jest usuwany.
Odżelaziacze dwustopniowe - w nich znajdują się dwie warstwy
wypełnienia: warstwa podtrzymująca i kontaktowa. Prędkość filtracji
waha się od 15 - 20 m/h. Ogólnie odżelazianie za pomocą
napowietrzania i filtrowania pozwala zmniejszyć ilość żelaza do 0,2 mg/l.
Odżelazianie przez napowietrzanie i nawapnianie stosuje się, gdy
żelazo występuje w postaci dobrze rozpuszczalnych soli. Nawapnianie
pozwala zmniejszyć ilość Fe do 0,1 - 0,2 mg/l.
2 FeSO4 + 2 Ca(OH)2 � 2 Fe(OH)2 + 2 CaSO4
2 Fe(OH)2 + 0,5 O2 + H2O � 2 Fe(OH)3
Odżelazianie za pomocą koagulacji stosuje się do tych wód gdzie są
obecne związki koloidowe lub drobne zawiesiny Fe(OH)3, Fe(OH)2, FeS ,
koloidowe związki organiczne np. związki humusowe, pH powinno być
utrzymywane w zakresie 5,7 - 7,5. Usuwanie kwasów humusowych
wymaga uprzedniego utlenienia za pomocą KmnO4 lub Cl2, ponieważ:
one utleniają się trudniej niż Fe(OH)2, tworzą ochronne koloidy. Związki
humusowe mają charakter kwasowy i wymagają ponadto zobojętnienia
wapnem.
ODMANGANIANIE WODY
Mangan może występować w postaci wodorowęglanu lub siarczanu a
także w postaci związków organicznych, występuje on zawsze obok
żelaza. Podczas gotowania na powierzchni tworzy się kożuszek. Wg
higienistów zawartość związków manganu w większych ilościach jest
szkodliwa dla zdrowia człowieka.
Mn(HCO3)2 + 0,5 O2 + 2 Ca(OH)2 � Mn(OH)4 + 2 CaCO3 + H2O
MnSO4 + 0,5 O2 + H2O + Ca(OH)2 � Mn(OH)4 + CaSO4
wytrącający się wodorotlenek manganowy przechodzi w MnO2*2 H2O
Najczęściej stosuje się następujące metody:
napowietrzanie z nawapnianiem i filtrowaniem, filtrowanie przez aktywne
złoże, filtrowanie przez kationit manganowy, koagulacja.
ODOLEJANIE
Woda do celów spożywczych i do zasilania kotłów musi być poddana
odtłuszczeniu (nie może zawierać więcej niż 1-3 mg/l). Głównymi metodami
odolejania są:
* metoda mechaniczna - przepuszczanie wody przez odoliwiacze, tj. zbiorniki
wypełnione koksem węglem aktywnym, watą drzewną. Oczyszczanie na węglu
aktywnym w temperaturze 50-80 0C pozwala zmniejszyć zaoliwienie do 0,3-1
mg/l.
* metoda koagulacji - ponieważ zawiesiny olejów mają charakter koloidów
usuwa się je za pomocą koagulantów: siarczanów glinu lub żelaza w
temperaturze 50 0C w ciągu 1-2 godzin.
*metoda elektrolityczna - ona polega na zastosowaniu elektrod żelaznych
pod niskim napięciem zanurzonych w wodzie z dodatkiem soli. Przepływający
prąd niszczy emulsje, koloidalne cząstki pobierają ładunki elektryczne i
koagulują, a tworzący się wodorotlenek żelaza (III) adsorbuje
cząstki oleju i opada na dno. Tą metodą uzyskuje się spadek zawartości
olejów do 0,5 mg/l.
ZMI
KCZANIE WODY
Woda do celów przemysłowych musi być zmiękczana, tj. pozbawiona
częściowo lub całkowicie składników powodujących twardość. Metody
usuwania twardości wody:
* destylacja
* metoda termiczna - w 40 0C następuje rozkład wodorowęglanów
wapnia i magnezu zgodnie z poniższymi reakcjami
Ca(HCO3)2 � CaCO3 + CO2 + H2O
2 Mg(HCO3)2 � Mg2CO3(OH)2 + 3 CO2 + H2O
Mg2CO3(OH)2 + H2O � 2 Mg(OH)2 + CO2
Szybkość rozkładu obu wodorowęglanów nie jest jednakowa - Mg
(HCO3)2 rozkłada się 1,5 razy wolniej niż wapniowy i zależy od
temperatury.
�� metody chemiczne - polegają na strącaniu na drodze chemicznej
nierozpuszczalnych osadów lub wiązania w kompleksowe związki
jonów wapnia i magnezu przy pomocy różnych reagentów jak np.:
wodorotlenku wapniowego (wapno), węglanu sodowego (soda),
wodorotlenku sodowego (soda kaustyczna), fosforanów, soli baru i in.
DEKARBONIZACJA WODY
Jest to proces umożliwiający usunięcie z wody uzdatnionej węglanów -
zazwyczaj przy użyciu wapna lub kwasu solnego.
dekarbonizacja wapnem
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 � 2 CaCO3 + 2 H2O
Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 � 2 CaCO3 + Mg(OH)2 + 2 H2O
MgSO4 + Ca(OH)2 � Mg(OH)2 + CaSO4
4 Fe(HCO3)2 + 8 Ca(OH)2 + O2 � 4 Fe(OH)3 + 8CaCO3 + 6 H2O
CO2 + Ca(OH)2 � CaCO3 + H2O
(woda wapienna to klarowny roztwór Ca(OH)2, mleko wapienne to
zawiesina Ca(OH)2 w wodzie)
Proces ten przebiega z różną szybkością, zależnie od warunków.
Na zimno zachodzi powoli (3-6 godzin) a w pobliżu 100 0C czas skraca
się do 10 minut.
Na ten proces mają wpływ: twardość wody, zawartość w niej
związków organicznych, sposób mieszania wody z reagentem oraz
obecność masy kontaktowej. Optymalna temperatura dla krystalizacji
węglanu wapnia jest 20-30 0C.
Wapno zużywa się na usunięcie twardości węglanowej, zamianę
twardości magnezowej na wapniową oraz związanie wolnego dwutlenku
węgla, stąd też wcześniej należy oznaczyć skład chemiczny surowej
wody.
28 (tw + tMg + CO2 + 0,5) Rwap - zapotrzebowanie wapna mg/l
Rwap = ________________________________ tw - twardość węglanowa w mval/l
a tMg - twardość magnezowa w mval/l
CO2 - zawartość w wodzie przeliczona na mval/l
0,5 - praktyczny nadmiar CaO w mval/l
a - czysty CaO w g/g wapna technicznego
Dekarbonizacja kwasem solnym
Ma zastosowanie w uzdatnianiu wody do chłodzenia i nosi nazwę
szczepienia kwasem. Zabieg ten sprowadza się do zmiany twardości
węglanowej na niewęglanową, co przeciwdziała tworzeniu się kamienia
kotłowego, ale zwiększa właściwości korozyjne wody.
Zmiękczanie sodą ustępuje metodom nowoczesnym.
(Mg)CaSO4 + Na2CO3 � (Mg) CaCO3 + Na2SO4
(Mg)Ca(HCO3)2 + Na2CO3 � (Mg)CaCO3 + 2 Na2HCO3
Jakkolwiek z zapisu reakcji wynika, że soda usuwa oba rodzaje
twardości, to sposób ten ma zastosowanie do wód posiadających prawie
wyłącznie twardość niewęglanową i bardzo niewielką magnezową.
zmiękczanie wapnem i sodą polega na jednoczesnym usuwaniu
twardości węglanowej i niewęglanowej gdzie: Ca(OH)2 usuwa twardość
węglanową, wszystkie sole magnezowe, rozpuszczony CO2, zaś Na2CO3
usuwa twardość niewęglanową. Stosuje się następujące warunki
przebiegu procesu: podgrzanie wody do 70-90 0C, zwiększenie nadmiaru
odczynników do 10-20 % (80-100 mg/l Na2CO3 i 15-30 mg/l CaO),
wprowadzenie masy kontaktowej.
Czynnikiem, który ujemnie wpływa na wyniki zmiękczania są
substancje koloidowe (humusy), które opóz
niają reakcję i powodują
mętność wody uchodzącej z reaktora i nawet mogą przechodzić przez
filtr.
zmiękczanie wody wodorotlenkiem sodowym sprowadza się do
działania dwóch czynników: NaOH i tworzącego się wtórnie Na2CO3,
gdzie ług usuwa twardość wapniową węglanową, twardość magnezową i
dwutlenek węgla, zaś soda likwiduje twardość wapniową niewęglanową.
(Mg)Ca(HCO3)2 + 2 NaOH � CaCO3 + Na2CO3 + H2O
(Mg(OH)2)
MgSO4 + 2 NaOH � Mg(OH)2 + Na2SO4
CO2 + 2 NaOH � Na2CO3 + H2O
CaSO4 + Na2CO3 � CaCO3 + Na2SO4
Zmiękczanie ługiem sodowym nadaje się do tych wód, w których
twardość węglanowa jest w przybliżeniu równa niewęglanowej.
zmiękczanie wody fosforanami polega na strącaniu praktycznie
nierozpuszczalnych fosforanów wapnia i magnezu, dzięki czemu
osiągalna jest bardzo mała twardość szczątkowa. Używa się fosforan
trisodowy Na3PO4*10 H2O.
3(Mg)Ca(HCO3)2 + 2 Na3PO4 � (Mg)Ca3(PO4)2 + 6 NaHCO3
(Mg)CaSO4 + Na3PO4 � (Mg)Ca3(PO4)2 + 3 Na2SO4
Powstający wodorowęglan sodowy w wyższych temperaturach
rozkłada się z utworzeniem węglanu sodowego, który może likwidować
twardość niewęglanową co zmniejsza zużycie fosforanu
6 NaHCO3 � 3 Na2CO3 + 3 CO2 + 3 H2O
Metoda fosforanowa ma wiele zalet: zapewnia 2-3 krotne większą
szybkość procesu, nie wymaga ścisłego dozowania fosforanu którego
nadmiar nie szkodzi, zapobiega tworzeniu się kamienia kotłowego w
postaci krzemianu. Jest to możliwe dzięki temu, że fosforan wapniowy
jest trudniej rozpuszczalny od krzemianu co może spowodować reakcję:
2 CaSiO3 + 2 Na3PO4 � Ca3 (PO4)2 + 3 Na2SiO3
Metoda ta nie ma zastosowania do zmiękczania wody surowej, gdyż
fosforany są drogie, nadaje się do usuwania szczątkowej twardości tzw.
korekcji nawet w samym kotle.
10Ca(HCO3)2 + 2 NaOH + 6 Na3PO4 � Ca(OH)2*3 Ca3(PO4)2 + 20 NaHCO3
zmiękczanie związkami kompleksowo czynnymi - one nie dają osadu
z solami wapnia i magnezu, lecz tworzą sole kompleksowe
rozpuszczalne w wodzie. Jony wapnia i magnezu przechodzą do
kompleksowego anionu i w związku z tym przestają być czynnikiem
kamieniotwórczym, tracą zdolność reagowania z mydłami. Do tej grupy
związków należą metafosforany (NaPO3)x , a szczególnie te, gdzie x = 4
lub 6.
Handlowy produkt KALGAN to (NaPO3), który zawiera 67-69 % P2O5,
który w wodzie jest zdysocjowany.
Na2[Na4(PO3)6] � 2 Na+ + [Na4(PO3)6]2-
Jony sodu w anionie kompleksowym mogą być całkowicie lub częściowo
zastąpione przez Ca i Mg.
Na2[Na4(PO3)6] + CaSO4 � Na2[Na2Ca(PO3)6] + Na2SO4
Na2[Na4(PO3)6] + 2 CaSO4 � Na2[Ca2(PO3)6] + 2 Na2SO4
Na zimno rozpuszczają osady mydeł wapniowych.
ODGAZOWANIE WODY
Woda zawiera zawsze składniki powietrza: tlen, azot, dwutlenek
węgla, siarkowodór i inne. Konieczne jest pozbycie się gazów
agresywnych, które korodują aparaturę. Najbardziej agresywny jest tlen.
odgazowanie mechaniczne - polega na odpędzeniu rozpuszczonych
gazów, czemu sprzyja rozwinięcie powierzchni przez: rozpylenie wody,
intensywne mieszanie, przedmuchiwanie powietrzem (wyłącznie do
usuwania CO2 i H2S)
Odpowiednie urządzenia celowo jest umieszczać po podgrzewaczu,
gdyż to zmniejsza rozpuszczalność gazów.
odgazowanie termiczne - urządzenia do odgazowania termicznego
pracują przy zastosowaniu podciśnienia lub nadciśnienia.
odgazowanie chemiczne służy przede wszystkim do usuwania tlenu,
którego dopuszczalna zawartość w wodzie do kotłów zwykłych (15-20
ata) wynosi 0,5 mg/l, a do wysokoprężnych 0,05mg/l.
Do tego celu używa się reduktorów. Stosuje się: siarczyn sodowy,
dwutlenek siarki, hydrazynę, podsiarczyn sodowy, fosforyn sodowy,
chlorek żelazawy.
Dobre wyniki daje też filtrowanie wody przez wiórki żelazne i
miedziane, które reagują z tlenem oraz agresywnym dwutlenkiem węgla
z wody na zasadzie korozji.
2Na2SO3 + O2 � 2 Na2SO4 (50-100 % nadmiar, temp. 800C)
SO2 + H2O + 0,5 O2 � H2SO4 (katalizator CuSO4)
NH2-NH2 + O2 � N2 + H2O (szybka reakcja, nie zmienia się jakość wody)
Usuwanie CO2 nazywa się często odkwaszaniem i dokonuje się go
poprzez przepuszczanie wody przez rozkruszony marmur, w wyniku
czego powstaje twardość węglanowa Ca(HCO3)2, filtrowanie przez filtr z
masą MAGNO (prażony dolomit zawierający MgO i CaCO3) zg. z równ.
MgO + 2 CO2 + H2O � Mg(HCO3)2 , wiązanie za pomocą wody
wapiennej [Ca(OH)2 + CO2 � CaCO3 + H2O ].
ODKRZEMIANIE WODY
Krzemionka występuje w postaci rozpuszczalnej lub koloidowej,
często jest ługowana ze złóż filtrów piaskowych. Jest to niepożądany
składnik gdyż daje kamień o b. małym przewodnictwie. Koloidalna
krzemionka jest lotna i z parą dostaje się do turbin, gdzie osiada na
łopatkach, zmniejszając wydajność tych pomp. Zwykle usuwa się ją
metodami chemicznymi i fizyczno-chemicznymi (nigdy do końca).
odkrzemianie za pomocą wapna - już w procesie dekarbonizacji
metodą wapienną adsorbuje się na osadach soli wapnia oraz wytrąca
się krzemian wapnia. Wadą tej metody jest konieczność usuwania
nadmiaru mleka wapiennego, stosuje się ją do wód o niskich
zawartościach SiO2.
odkrzemianie uwodnionym dolomitem- CaMgO(OH)2 miesza się go z
wodą surową w reaktorze, przy czym zachodzą 2 procesy:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 � 2 CaCO3 + 2 H2O
MgO + SiO2 � MgSiO3
Po krótkim czasie (kilka minut), wodę kieruje się do osadnika, a
następnie do filtra wypełnionego masą MAGNO i to jest II etap
odkrzemiania. W procesie odkrzemiania ważne jest, aby nie było
rozpuszczonego CO2, gdyż on powoduje częściowy rozkład krzemianów,
stąd też wodę przed filtrem podgrzewa się do 80-90 0C w celu
odpędzenia CO2 .
odkrzemianie za pomocą tlenków metali takich jak: żelaza, chromu,
glinu, cynku, magnezu, kadmu, miedzi w postaci żeli ich tlenków w
postaci czystej lub osadza się je na porowatym złożu obojętnym: koks,
węgiel aktywny, pumeks. Prawdopodobnie powstają związki typu
adsorpcyjnego. Metody fizyczno-chemiczne obejmują odkrzemianie
elektrolityczne i za pomocą jonitów.
odkrzemianie elektrolityczne polega na zanurzeniu do oczyszczanej
wody elektrod aluminiowych lub żelaznych, podłączonych do z
ródła
prądu stałego. Anoda wysyła do wody jony Al3+, które w przestrzeni
anodowej wytwarzają wodorotlenek glinu na którym adsorbuje się
krzemionka i wraz z nim jest zatrzymywana na filtrach żwirowych.
odkrzemianie za pomocą jonitów polega na związaniu krzemionki w
kwas fluorokrzemowy, który następnie zatrzymywany jest przez silnie
zasadowy anionit (usuwana jest tylko krzemionka w postaci jonowej).
6HF + SiO2 � H2SiF6 + 2H2O
An + H2SiF6 � An . H2SiF6
DEZYNFEKCJA WODY
metody fizyczne::
ogrzewanie (w ciągu 10 minut gotuje się wodę lub ogrzewa w
700C).
napromieniowanie (przez 10-30 sekund naświetla się
promieniami lampy rtęciowej-2,5 tys. A)
specjalne filtrowanie (przez filtry ceramiczne o porach
mniejszych od rozmiarów bakterii)
metody chemiczne:
Dezynfekcja metodą chemiczną polega na wprowadzeniu do wody
substancji chemicznych, które niszczą bakterie. Skuteczne ich działanie
zależy od: ich rodzaju i stężenia, ilości i rodzaju mikroorganizmów
znajdujących się w wodzie, fizycznych własności i składu chemicznego
wody, czasu kontaktu mikroorganizmów znajdujących się w wodzie ze
środkami dezynfekującymi. Metody chemiczne sprowadzają się do
stosowania środków silnie utleniających: chlor, ozon.
Chlor i jego związki w wodzie działają silnie utleniająco i
bakteriobójczo i ulega następującym przemianom:
Cl2 + H2O � HClO + HCl
HClO � HCl + O
HClO � H+ + ClO-
NH3 + Cl2 � NH2Cl + HCl lub NH3 + 2 Cl2 � NHCl2 + 2 HCl
chlorowanie wstępne ma na celu polepszenie własności
organoleptycznych, ułatwia koagulację i odżelazianie i in.
chlorowanie normalne służy do dezynfekcji wody. Aby zwiększyć
skuteczność i ograniczyć jego zużycie zwykle wprowadza się go przed
wprowadzeniem wody do sieci wodociągowej.
Do chlorowania stosuje się gazowy chlor lub jego związki zawierające
 czynny chlor (chlor użyteczny, związany). Działaniu chloru ulegają
reduktory organiczne i nieorganiczne oraz w dalszej kolejności bakterie.
Zapotrzebowaniem chloru określa się najmniejszą ilość wolnego chloru
wyrażoną w mg/l Cl2, która dodana do 1 litra wody w 200C po 30 min.
kontakcie z wodą daje 0,1 mg/l pozostałego chloru, które oznacza się
doświadczalnie. Czasem chlorowanie wolnym chlorem prowadzi się z
udziałem np. KMnO4, związków srebra lub miedzi. Poza chlorem wolnym
używa się podchlorynów: sodu (NaOCl), wapnia, wapno chlorowane
(CaClOCl), dwutlenek chloru ClO2 oraz chloraminy (C6H5SO2NClNa).
Nadmiar chloru w wodzie powyżej 0,7 mg/l nadaje jej przykry smak. Do
usuwania nadmiaru stosuje się środki fizyczne i chemiczne:
napowietrzanie, węgiel aktywny i inne środki chemiczne takie jak:
tiosiarczan sodowy, siarczyn sodowy lub dwutlenek siarki.
2 Na2S2O3 + Cl2 � Na2S4O6 + 2 NaCl
Na2SO3 + Cl2 + H2O � NaHSO4 + NaCl + HCl
SO2 + Cl2 + 2 H2O � H2SO4 + 2 HCl
Dechlorację można też zapewnić przepuszczając chlorową wodę przez
warstwę granulowanego CaSO3 węgla aktywnego jednocześnie usuwa
się substancje barwne, smakowe i zapachowe).
Cl2 + H2O � 2 HCl + 0,5 O2 (HCl rozkłada węglany),
Cak + O2 � CO2
Filtr z węglem aktywnym ustawia się za filtrami pośpiesznymi,
zużyty filtr węglowy regeneruje się okresowo przy pomocy pary wodnej w
temp. 6000C lub przepuszczając 1% Na2CO3 albo 5% NaOH.
Ozonowanie wody jest nowoczesną metodą. Ozon otrzymuje się
metodą fotochemiczną, na drodze elekrolitycznej, na drodze syntezy
chemiczno-nuklearnej, metodą  cichych  wyładowań elektrycznych.
Chemizm ozonowania nie jest jeszcze poznany. Ogólnie przyjmuje się,
że działa silnie tlen atomowy
O3 � O2 + O
O3 + H2O � O2 + 2 (OH.)
O3 + (OH.) � O2 + (O2H.) itd.
Ozonowanie skutecznie usuwa wiele typowych zanieczyszczeń zarówno
nieorganicznych jak organicznych związków na drodze utleniania oraz
poprawia własności organoleptyczne (utlenia H2S do siarki i siarczanów,
cyjanki do azotu i dwutlenku węgla, związki barwne pochodzące od
kwasów humusowych, fenole utlenia do CO2, węglowodory często dają
substancje rakotwórcze, substancje powierzchniowoczynne nie utleniają
się całkowicie, zaś pestycydy są bardzo odporne na działanie ozonu zaś
zapach i smak są całkowicie likwidowane).
HALOGENOWANE W
GLOWODORY ALIFATYCZNE
Są to produkty reakcji halogenów z węglowodorami. Najczęściej
występują chlorowane węglowodory (wysoko- i niskocząsteczkowe).
Niskocząsteczkowe węglowodory alifatyczne są na ogół łatwo lotne,
gdyż są to pochodne metanu, etanu lub etenu. Halogenowane
węglowodory wysokocząsteczkowe mają złożoną strukturę, są mało
lotne i trudne do oznaczenia. Są to chlorowane ligniny lub chlorowane
substancje humusowe. Są to związki polarne. Oznacza się je jako AOX
 absorbujące się organiczne halogeny. Halogenowane węglowodory
mogą być syntezowane w nieznacznych ilościach przez organizmy żywe
i występują w przyrodzie w postaci naturalnej w małych ilościach. Te
węglowodory i ich pochodne są stosowane w przemyśle chemicznym i
ze ściekami mogą być odprowadzane do wód powierzchniowych.
Powstają one w wyniku działania halogenów na węglowodory.
Reakcje te zachodzą podczas chlorowania wody i ścieków,
podczas bielenia chlorem w przemyśle tekstylnym i papierniczym. Są
bardzo toksyczne, często nazywane są ubocznymi produktami
dezynfekcji. Wśród węglowodorów halogenowanych największe
znaczenie mają trihalometany (THM), zwane także haloformami. Są to
związki o ogólnym wzorze CHX3 , gdzie X oznacza halogeny: F, Cl, Br,
I. Głównymi przedstawicielami tej grupy są: chloroform (trichlorometan)
CHCl3 ; bromodichlorometan HCl2Br, dibromochlorometan CHClBr3 ;
bromoform (tribromometan) CHBr3
Szczególne znaczenie ma powstawanie haloformów w czasie
chlorowania wody do picia ze względu na ich dużą szkodliwość dla
człowieka. W dużych ilościach powstają też przy chlorowaniu wód
używanych w systemach chłodzących elektrowni a także podczas
chlorowania ścieków. Haloformy powstają także w wodach
powierzchniowych, do których doprowadzane są ścieki zawierające
chlor: z fabryk chloru i sody oraz chlorowane wody pochłodnicze. W
świeżo chlorowanych ściekach stwierdza się (we Francji) stężenia od
26- 600 mg/dm3. Jeżeli trihalometany powstają w reakcji chloru ze
związkami organicznymi, to te ostatnie są zawsze prekursorami
trihalometanów. Prekursorami są głównie substancje humusowe oraz
pochodzenia petrochemicznego. Wykazano też, że chlorofil i glony mogą
być prekursorami THM podczas chlorowania tych wód.
Proces i mechanizm chlorowania nie został ostatecznie
wyjaśniony, chociaż najdokładniej zbadano chlorowanie związków
humusowych. Reakcja ta obejmuje kilka etapów: jonizację, hydrolizę i
halogenowanie. Jest to bardzo wolna reakcja rejestrowana w chemii
wody. Przebieg reakcji zależy głównie od pH, dawki chloru, obecności
bromu (domieszka chloru), temperatury, rodzaju i stężenia związków
organicznych.
Dawka chloru
Reakcję chloru z prekursorami THM można podzielić na 3 etapy:
- natychmiastowe zapotrzebowanie na chlor powodowane przez
związki organiczne
- reakcja ze związkami organicznymi, która jest liniową zależnością
dawki chloru a ilością powstających THM
- dalsze dodawanie chloru powoduje niewielki przyrost THM.
Dawka bromu
Obecność bromu zwiększa ilość powstających THM przy danej dawce
chloru.
Temperatura
Ze wzrostem temperatury zwiększa się ilość THM. W 25 0C tworzy się
dwukrotnie więcej chloroformu niż w 30C.
Zawartość prekursorów
Ilość powstających THM jest na ogół wprost proporcjonalna do
zawartości prekursorów w wodzie. Z tego powodu wprowadzono test
THM-PT potencjał tworzenia.
INNE W
GLOWODORY HALOGENOWE
Poza THM w wodach mogą występować inne węglowodory
halogenowane, które są rozpuszczalnikami lub półproduktami wielu
reakcji chemicznych. Spalanie odpadów (szczególnie PCW) także zasila
środowisko w niskocząsteczkowe węglowodory.
Czas półtrwania chlorku metylenu wynosi 200 tygodni, chloroformu
105 tygodni. Chlorowane eteny wprowadzane są do ścieków jako
rozpuszczalniki, zmiękczacze, płyny do czyszczenia.
THM W WODACH WODOCI
GOWYCH POLSKI I ŚWIATA
Zawartość THM po gotowaniu wody znacznie spada. W mieście
liczącym 1 mln mieszkańców przy zużyciu wody do picia 100 dm3 na
dobę i mieszkańca przy średnim stężeniu CHCl3 ok. 20 mg/dm3 roczna
produkcja chloroformu wynosi około 7 ton. THM są szkodliwe dla
organizmów wodnych i człowieka. Chloroform ma udowodnione
działanie rakotwórcze, stwierdza się ścisły związek raka jelit i ilością
chloroformu. Dopuszczalne stężenia THM w wodzie do picia (mg/dm3) w
różnych krajach jest następujące [mg/dm3]: RFN 25, USA 100, Kanada
350, Polska 100
METODY OZNACZANIA
- metoda chromatografii gazowej
- oznaczanie potencjału tworzenia trihalometanów THM-PT
- oznaczanie metodą analizy fazy gazowej nad roztworem (head
space)
- metoda spektrofotometryczna (związki halogenowane tworzą
kompleks o zabarwieniu czerwonym przy ogrzaniu z NaOH i
pirydyną).
Związki THM w środowisku zasadowym reagują na gorąco z amidem
kwasu N,N-dietylonikotynowego do pośredniej formy dialdehydu. Próbka
po schłodzeniu jest zakwaszana do pH 2,5. Pośrednia forma dialdehydu
reaguje następnie z kwasem 7-naftyloamino-1,3disulfonowym tworząc
zasadę Shiffa absorbującą światło w zakresie 515 nm. Intensywność
zabarwienia jest wprost proporcjonalna do całkowitej ilości THM w
próbce wody.
Zgodnie z Rozporządzeniem Dz.U. Nr 82, poz. 937 z dnia 4 września
2000 roku zalecane jest wykorzystanie chromatografii gazowej.
W wodach gruntowych i deszczowych stężenia THM są zwykle
poniżej 0,1 mg/dm3 , w powierzchniowych są wyższe, gdyż to zależy od
zrzutów zanieczyszczeń, podczas, gdy w ściekach mogą osiągać stan
nasycenia fazy wodnej.
WYMIANA JONOWA - JONITY
W procesie wymiany jonowej usuwane są z wody substancje
rozpuszczone - występujące w formie jonów. W Polsce wymiana jonowa
nie jest stosowana w zakładach uzdatniania wody przeznaczonej do
zaopatrzenia ludności jest zaś wykorzystywana do przygotowywania wód
przemysłowych dla: energetyki, przemysłu farmaceutycznego i innych.
Do oczyszczania wody do picia mogą być stosowane żywice
posiadające atest PZH. Na świecie istnieją zakłady uzdatniające wodę
na potrzeby komunalne w celu usunięcia niektórych kationów i anionów i
związków organicznych. Rosnące wymagania jakości wody do picia
wskazują, iż ilość zastosowań wymiany jonowej w układach
oczyszczania wody będzie się zwiększać. W przeszłości jako
wymieniacze jonowe stosowano zeolity i krystaliczne glinokrzemiany,
obecnie zastąpiono je żywicami jonowymiennymi. W wielu przypadkach
(szczególnie do oczyszczania ścieków przemysłowych) naturalne jonity
wracają do łask.
Podczas wymiany jonowej jony obecne w wodzie i cząsteczki
mające określony ładunek wiązane są przez jonit przy jednoczesnym
przekazaniu do roztworu jonów wodorotlenowych, wodorowych,
sodowych, chlorkowych itp. W tym procesie oprócz wymiany jonowej
zachodzi sorpcja. Usuwanie z wody kationów - to dekationizacja a
anionów deanionizacja. Proces wymiany jonów z roztworów obejmuje:
- transport jonu z roztworu do powierzchni ziarna jonitu, a następnie do
miejsca wymiany
- reakcja podwójnej wymiany
- transport wypartego jonu wewnątrz ziarna jonitu od miejsca wymiany
do powierzchni ziarna jonitu a następnie do roztworu.
Transportowi dyfuzyjnemu towarzyszy powstanie potencjału międzyfazowego.
Sumaryczną szybkość wymiany określa prędkość najwolniejszego etapu.
Wymieniacze jonowe to ciała stałe nierozpuszczalne w wodzie,
posiadające zdolność wymiany własnych jonów z jonami otaczającego je
roztworu elektrolitu. Wymieniacze jonowe można podzielić na
nieorganiczne i organiczne, na naturalne, półsyntetyczne i syntetyczne.
Zależnie od znaku ładunku zjonizowanych grup rozróżnia się dwa
rodzaje: kationity - posiadają grupy: sulfonowe, karboksylowe,
diaminooctanowe, fosforanowe i anionity - posiadają grupy dodatnie:
czwartorzędowe amoniowe, trzeciorzędowe aminowe, drugorzędowe
aminowe, fosfoniowe. Podział jonitów na  słabe i silne jest
najważniejszym podziałem. Każda z tych grup ma inne własności i inne
zastosowanie. Obok jonitów monofunkcyjnych znajdują zastosowanie
wielofunkcyjne.
W zależności od metody otrzymywania polimeru stanowiącego szkielet
jonitu dzielimy jonity na polimeryzacyjne i polikondensacyjne.
Jeśli jonit suchy umieścić w roztworze elektrolitu, będą zachodziły
następujące zjawiska: pęcznienie jonitu, przenikanie elektrolitu do
wnętrza jonitu, wymiana jonowa.
Czynniki wpływające na przebieg wymiany jonowej:
- ładunek jonów (ładunek rośnie  energia wymiany rośnie),
- wielkość jonów (większe jony organiczne są szybciej wiązane, związki
nieorganiczne - siła rośnie w miarę zwiększania się liczby atomowej
pierwiastka),
- hydratacja jonu (im promień jonu jest mniejszy tym silniej jest on
wiązany przez jonit),
- charakter grup funkcyjnych,
- stopień usieciowania jonitu (stopień usieciowania wzrasta- zmniejsza
się zdolność jonitu do wiązania większych jonów),
- stężenie roztworu,
- temperatura oczyszczanych roztworów i ich pH.
Kolumny jonitowe, nazywane są wymiennikami jonitowymi. Przemysłowe
wymienniki jonowe budową przypominają żwirowe filtry zamknięte.
Cykl wymiany jonowej składa się z:
- przygotowanie jonitu do pracy (pęcznienie i właściwy cykl pracy)
- wymiana jonowa do punktu przebicia (czas pracy użytecznej jonitu)
- regeneracja złoża, która obejmuje: spulchnienie, regeneracja
właściwa, płukanie złoża.
Jonitowe uzdatnianie wody znajduje głównie zastosowanie do:
- zmiękczania
- demineralizacji i odsalania
- usuwania fosforanów i azotanów
- usuwania azotu amonowego, metali i radionuklidów
- usuwania zanieczyszczeń organicznych.
Do uzdatniania wody najczęściej stosuje się jonity o szkieletach z
polimerów styrenu i diwinylobenzenu, charakteryzujące się dużym
stopniem usieciowania, kulistym kształtem ziaren i wykazujące dużą
odporność mechaniczną i termiczną. Zanieczyszczania organiczne
usuwane są zwykle na szeroko porowatych żywicach.
Zmiękczanie wody
W zależności od wymaganego stopnia zmniejszenia twardości wody
oraz rodzaju usuwanej twardości stosuje się wymianę jonową:
- w cyklu H na kationitach słabo kwaśnych  usuwanie twardości węglanowej
- w cyklu Na lub H na kationitach silnie kwaśnych  usuwanie twardości
węglanowej i niewęglanowej
- w cyklu H (sł./sil.) i Na (sil.) usuwanie twardości węglanowej i niewęglanowej
- w cyklu H (kationit słabo kwaśny  dekarbonizacja + kationit silnie kwaśny 
usuwanie twardości niewęglanowej)
- dekarbonizacja i dekationizacja na kationicie silnie kwaśnym pracującym w cyklu
Na i anionicie silnie zasadowym w cyklu Cl.
Tym procesom często towarzyszy odpędzanie ditlenku węgla.
Podczas zmiękczania wody na jonitach zasadowość nie ulega zmianie,
gdyż wodorowęglany wapna i magnezu przechodzą w wodorowęglan
sodu w ilościach równoważnych. Pozbywanie się zasadowości jest
równoznaczne z pozbywaniem się węglanów i nosi nazwę
dekarbonizacji. Zmiękczanie wody obejmuje także dekarbonizację.
Demineralizacja i odsalanie wody
Demineralizacja wody polega na usunięciu z niej wszystkich kationów i
anionów. Częściowe usuwanie jonów jest odsalaniem. Demineralizację
stosuje się w celu uzyskania wody o bardzo dużej  czystości która jest
wykorzystywana w niektórych gałęziach przemysłu. W oczyszczaniu wód
zawierających ponadnormatywną ilość substancji rozpuszczonych, a
przeznaczonych do picia i na potrzeby gospodarcze, stosuje się
odsalanie.
Demineralizacja obejmuje:
- dekationizację, tj. wymianę wodorową na kationicie silnie
kwasowym, pracujący w cyklu wodorowym. Silny kationit pozwala na
pełną dekationizację. Jednak często dla demineralizacji wód ze
znaczną zawartością twardości węglanowej i ze względów
ekonomicznych, wprowadza się najpierw kationit słabo kwaśny (do
usunięcia węglanów) a następnie silnie kwaśny.
- deanionizację na anionicie silnie zasadowym, pracującym w cyklu
wodorotlenkowym. Słabo zasadowy jonit nie usuwa anionów słabych
kwasów, stąd w wodzie znajdą się: krzemionka i ditlenek węgla.
Odgazowywacze CO2 umieszcza się w układzie zawsze za anionitem
słabo zasadowym lub wymiennikiem wodorowym.
Prekursory chlorowanych związków organicznych usuwane są w
procesie deanionizacji na szerokoporowatych, silnie zasadowych
anionitach, pracujących w cyklu chlorkowym.