OPERACJE (PROCESY) JEDNOSTKOWE W OCHRONIE

Ś

RODOWISKA

W ka

ż

dej technologii zachodzi konieczno

ść

uwzgl

ę

dnienia, obok czynników o

charakterze fizycznym i chemicznym, czynników ekonomicznych.

Wzgl

ę

dy natury prawnej musz

ą

by

ć

tak

ż

e brane pod uwag

ę

przez technologa np.

prawo patentowe.

Nie bez znaczenia s

ą

m. in. i takie zagadnienia jak:

ochrona wód i krajobrazu,

wymogi ustawodawstwa pracy itp.

Te wszystkie elementy uj

ę

te zostały w zasadach technologicznych. Grupuje si

ę

je

wg nast

ę

puj

ą

cych zagadnie

ń

:

•

Najlepszego wykorzystania surowców

•

Najlepszego wykorzystania energii

•

Najlepszego wykorzystania aparatury

•

Umiaru technologicznego.

Przy wytwarzaniu dowolnego produktu (np. technologia chemiczna) zwykle mamy

do czynienia z jednym (cz

ę

sto bardzo skomplikowanym) procesem chemicznym.

Pozostałe czynno

ś

ci to fizyczne operacje przygotowawcze: transport, mielenie,

sortowanie, dozowanie, rozdrabnianie, ekstrakcja, destylacja itp.

Te operacje wymagaj

ą

wi

ę

cej urz

ą

dze

ń

i sprawiaj

ą

w ruchu wi

ę

cej kłopotów ni

ż

sama np.

reakcja chemiczna, chocia

ż

jej prawidłowy przebieg ma istotny wpływ na „produkt finalny”.

Ju

ż

od 1923 roku (w Ameryce) wydzielono dyscyplin

ę

– in

ż

ynieria chemiczna a tak

ż

e

okre

ś

lono wszelkie procesy o charakterze fizycznym i fizykochemicznym jako operacje

jednostkowe.

Z czasem wyró

ż

niono in

ż

ynieri

ę

procesow

ą

(lata 50-te 20 wieku).

In

ż

ynieria procesowa jest nauk

ą

o zjawiskach natury fizycznej i chemicznej,

zachodz

ą

cych w aparaturze o ró

ż

nej wielko

ś

ci, od laboratoryjnej pocz

ą

wszy a

ż

do

przemysłowej wł

ą

cznie.

Zjawiska

te,

przebiegaj

ą

ce

niezale

ż

nie

od

siebie,

tworz

ą

procesy,

charakterystyczne dla przemysłu chemicznego, przemysłów pokrewnych np. spo

ż

ywczego,

w

ę

glowego i inne oraz dla ochrony

ś

rodowiska.

W wyniku tych procesów surowce wprowadzane do aparatury ulegaj

ą

przetworzeniu na produkty o wymaganej czysto

ś

ci.

Metody produkcji wielu zwi

ą

zków chemicznych mo

ż

na przedstawi

ć

w sposób

uproszczony w postaci schematów blokowych, z czego centraln

ą

pozycj

ę

zajmuje blok

reakcji chemicznej, w którym powstaje nowy zwi

ą

zek, b

ę

d

ą

cy zasadniczym produktem

metody.

Z blokiem reakcji chemicznej współpracuj

ą

: blok przygotowania surowców oraz

blok wyka

ń

czania produktów.

W pierwszym z nich stosowane s

ą

przede wszystkim procesy oczyszczania

surowców, a w drugim procesy oddzielania produktu głównego od produktów

ubocznych reakcji.

Procesy jednostkowe zwane równie

ż

operacjami jednostkowymi, maj

ą

głównie

za zadanie:

•

transport ciał na odległo

ść

•

zmiana temperatury i stanu skupienia substancji

•

zmiana kształtu ciała stałego

•

rozdzielenie mieszanin i roztworów ciał stałych, ciekłych i gazowych

•

mieszanie ciał stałych i gazowych.

Podział procesów jednostkowych:

•

Dynamiczne: transport, rozdrabnianie, flotacja, odpylanie, sedymentacja,

filtracja, wirowanie, mieszanie,

•

Cieplne: chłodzenie i grzanie, skraplanie i wrzenie, zat

ęż

anie roztworów

•

Dyfuzyjne: destylacja, ekstrakcja, absorpcja, desorpcja, adsorpcja

•

Dyfuzyjno-cieplne: krystalizacja, suszenie, nawil

ż

anie, permeacja, topnienie

strefowe, termodyfuzja

•

Termodynamiczne: chłodzenie, wymra

ż

anie gazów, kompresja.

Procesy technologiczne przedstawia si

ę

graficznie w postaci schematów

technologicznych.

SEDYMENTACJA

Procesy sedymentacji stosuje si

ę

podczas oczyszczania wody i

ś

cieków oraz

powietrza. Ma na celu usuni

ę

cie z fazy ci

ą

głej (cieczy b

ą

d

ź

gazu) cz

ą

steczek o g

ę

sto

ś

ci

wi

ę

kszej od jej g

ę

sto

ś

ci, czyli cz

ą

steczek opadaj

ą

cych.

Sedymentacja jest to rozdzielenie mieszaniny na czyst

ą

ciecz i ziarna fazy stałej

na skutek opadania ziaren na dno zbiornika pod wpływem siły grawitacyjnej lub innego

wymuszonego ruchu ziaren np. siły od

ś

rodkowej.

Procesy sedymentacyjne maj

ą

na celu:

•

zag

ę

szczanie – uzyskiwanie zawiesiny o wi

ę

kszej g

ę

sto

ś

ci przez cz

ęś

ciowe

usuwanie z niej wody

•

klarowanie – usuwanie z cieczy niewielkiej ilo

ś

ci ciał stałych, w celu uzyskania jej

przezroczysto

ś

ci

•

rozwarstwianie – rozdzielenie ciekłego, niejednorodnego układu na dwie lub wi

ę

cej

warstw ró

ż

ni

ą

cych si

ę

jako

ś

ci

ą

fazy rozproszonej.

Zale

ż

nie od rodzaju i zawarto

ś

ci zawiesin wyró

ż

nia si

ę

sedymentacj

ę

:

cz

ą

stek ziarnistych,

cz

ą

stek kłaczkowatych.

Zawiesiny ziarniste s

ą

to takie zawiesiny, w których mo

ż

na zaobserwowa

ć

poszczególne ziarna.

Zawiesiny

kłaczkowate

s

ą

charakterystyczne

dla

układów

koloidalnych.

Sedymentuj

ą

całe agregaty o ró

ż

nej strukturze przestrzennej. Osad jest silnie rozpulchniony i

zawiera znaczne ilo

ś

ci cieczy.

Ze wzgl

ę

du na warunki hydrauliczne wyró

ż

nia si

ę

opadanie:

•

swobodne – zachodzi przy małej liczbie cz

ą

stek, wówczas ka

ż

da cz

ą

stka

opada oddzielnie, nie oddziałuj

ą

c na cz

ą

stki s

ą

siednie i nie zmieniaj

ą

c

wła

ś

ciwo

ś

ci fizycznych.

Ten rodzaj opadania jest charakterystyczny dla zawiesin ziarnistych.

•

skupione – cz

ą

stki oddziałuj

ą

na siebie i zderzaj

ą

c si

ę

tworz

ą

aglomeraty,

zakłócone s

ą

prawa rz

ą

dz

ą

ce opadaniem cz

ą

stki pojedynczej, a cz

ą

stki

mniejsze mog

ą

opada

ć

z wi

ę

ksz

ą

pr

ę

dko

ś

ci

ą

ni

ż

cz

ą

stki wi

ę

ksze.

Dzieje si

ę

tak w czasie opadania zawiesin kłaczkowatych (opadaj

ą

cych w

postaci chmury lub warstwy osadu) lub gdy w badanym układzie jest du

ż

o

zawiesin (opadanie zakłócone).

OPADANIE SWOBODNE

Podlegaj

ą

mu cz

ą

stki ziarniste, które spełniaj

ą

nast

ę

puj

ą

ce warunki:

•

opadaj

ą

ca kulka jest kulista

•

opada pod wpływem siły ci

ęż

ko

ś

ci

•

opada w o

ś

rodku spokojnym

•

w czasie opadania nie zwi

ę

ksza swojej masy i obj

ę

to

ś

ci.

Na pojedyncz

ą

cz

ą

stk

ę

ciała stałego w o

ś

rodku ciekłym działaj

ą

siły:

•

ci

ęż

ko

ś

ci (G),

•

wyporu oraz oporu o

ś

rodka (W,R),

•

siła wywołana ruchem wirowym płynu (C),

•

siła wywołana istnieniem pola elektrycznego (E).

W wyniku działania tych sił pojawia si

ę

siła wypadkowa.

Wypadkowa tych sił (S) nadaje ruch cz

ą

steczkom stałym.

Je

ż

eli siła wypadkowa (S) zgodna jest z sił

ą

ci

ęż

ko

ś

ci (G), cz

ą

stka opada.

Przy zało

ż

eniu:

kulisto

ś

ci cz

ą

stek ziarnistych,

swobodnego charakteru opadania,

braku wzajemnego oddziaływania,

niezmienno

ś

ci wielko

ś

ci i g

ę

sto

ś

ci cz

ą

stek

stałej pr

ę

dko

ś

ci opadania,

pr

ę

dko

ść

opadania zale

ż

y od:

g

ę

sto

ś

ci cz

ą

stki,

g

ę

sto

ś

ci cieczy,

przyspieszenia ziemskiego,

lepko

ś

ci,

ś

rednicy cz

ą

stki

współczynnika oporu, który jest funkcj

ą

Re (liczby Reynoldsa).

Wynik sedymentacji zawiesin ziarnistych nie zale

ż

y od gł

ę

boko

ś

ci osadnika.

Cz

ą

stki kłaczkowate wyst

ę

puj

ą

w

ś

ciekach surowych, po procesach koagulacji i

chemicznego str

ą

cania.

Pr

ę

dko

ść

opadania tych cz

ą

stek wzrasta z gł

ę

boko

ś

ci

ą

osadnika, a tory ruchu

cz

ą

stek s

ą

krzywymi.

Wzory matematyczne opisuj

ą

ce opadanie zawiesin kłaczkowatych s

ą

zło

ż

one.

Wynika to z faktu zmian zale

ż

no

ś

ci w układzie cz

ą

stka – ciecz oraz zmian masy, obj

ę

to

ś

ci i

kształtu opadaj

ą

cych zawiesin kłaczkowatych.

Z powodu tworzenia aglomeratów cz

ą

stek pr

ę

dko

ść

opadania pojedynczej cz

ą

stki

kłaczkowatej jest zwykle wi

ę

ksza od pr

ę

dko

ś

ci sedymentacji zbioru cz

ą

stek.

Opisy teoretyczne opadania zawiesin kłaczkowatych tylko w przybli

ż

eniu obrazuj

ą

omawiane zjawisko.

Bli

ż

sze okre

ś

lenie parametrów sedymentacji zawiesin o nieznanej g

ę

sto

ś

ci, wielko

ś

ci

i charakterze wymaga przeprowadzenia bada

ń

laboratoryjnych, na podstawie których

sporz

ą

dza si

ę

krzyw

ą

opadania zawiesin.

Analiz

ę

sedymentacji zawiesin przykładowo wyst

ę

puj

ą

cych w

ś

ciekach surowych

mo

ż

na przeprowadzi

ć

w warunkach statycznych, posługuj

ą

c si

ę

nieprzepływowym

naczyniem np. cylindrem miarowym z podziałk

ą

.

Na wyniki sedymentacji ma wpływ czas przebiegu procesu.

W chwili pocz

ą

tkowej t

0

w cylindrze znajduje si

ę

zawiesina rozdrobnionej fazy stałej w

cieczy do całkowitej wysoko

ś

ci. St

ęż

enie zawiesiny w całej obj

ę

to

ś

ci jest jednakowe.

Zawiesina zaczyna opada

ć

i przy dostatecznie du

ż

ym st

ęż

eniu pojawi si

ę

wyra

ź

na

granica mi

ę

dzy czyst

ą

ciecz

ą

w górnej cz

ęś

ci cylindra a opadaj

ą

c

ą

zawiesin

ą

.

W miar

ę

post

ę

powania procesu granica ta przesuwa si

ę

w dół, a na dnie tworzy si

ę

warstwa osadu. Pojawia si

ę

punkt kompresji (K). Grubo

ść

warstwy osadu maleje na skutek

lepszego upakowania. W dowolnej chwili t w układzie mo

ż

na wyró

ż

ni

ć

cztery strefy, ró

ż

ni

ą

ce

si

ę

mi

ę

dzy sob

ą

st

ęż

eniem fazy stałej:

strefa cieczy klarownej

strefa zawiesiny

strefa przej

ś

ciowa

strefa osadu

Sedymentacja strefowa wi

ąż

e proces sedymentacji i zag

ę

szczania osadu.

Na szybko

ść

opadania ma wpływ st

ęż

enie pocz

ą

tkowe zawiesin. Zwi

ę

kszenie

st

ęż

enia zawiesin (od C4-C1) powoduje wzrost czasu sedymentacji.

Skrócenie czasu osadzania uzyskuje si

ę

podczas powolnego mieszania

zawiesiny.

Cz

ą

stki o g

ę

sto

ś

ci mniejszej ni

ż

faza rozpraszaj

ą

ca s

ą

wynoszone na

powierzchni

ę

zwierciadła cieczy.

Jest to flotacja samoistna. Przykładem mo

ż

e by

ć

wydzielanie ze

ś

cieków tłuszczów,

olejów, benzyn i rozpuszczalników organicznych.

Je

ż

eli wypadkowa działania sił jest skierowana przeciwnie do siły ci

ęż

ko

ś

ci, to

cz

ą

stka jest wynoszona z cieczy.

Proces usuwania cz

ą

stek przez ich wynoszenie jest flotacj

ą

. Dotyczy ona cz

ą

stek

o g

ę

sto

ś

ci mniejszej ni

ż

ciecz.

Gdy faza rozproszona ma g

ę

sto

ść

wi

ę

ksz

ą

ni

ż

faza rozpraszaj

ą

ca, wówczas

rozdzielenie faz i wyniesienie fazy rozproszonej na powierzchni

ę

cieczy wymaga

wprowadzenia do układu fazowego czynnika wspomagaj

ą

cego, który ł

ą

cz

ą

c si

ę

z faz

ą

rozproszon

ą

zmniejsza jego pozorn

ą

g

ę

sto

ść

do warto

ś

ci umo

ż

liwiaj

ą

cej samoistn

ą

flotacj

ę

.

Zdolno

ść

cz

ą

stek do flotacji zale

ż

y od stopnia ich zwil

ż

alno

ś

ci.

Cz

ą

stki o charakterze hydrofobowym s

ą

podatne na flotacj

ę

, cz

ą

stki hydrofilowe

nie s

ą

podatne.

Proces flotacji przebiega tym intensywniej, im wi

ę

ksza jest powierzchnia

kontaktu czynnika wspomagaj

ą

cego z cz

ą

stkami.

Czynnikiem wspomagaj

ą

cym flotacj

ę

s

ą

p

ę

cherzyki gazowe.

W zale

ż

no

ś

ci od sposobu wytwarzania p

ę

cherzyków gazu flotacj

ę

dzieli si

ę

na:

biologiczn

ą

(wykorzystanie gazów z procesu zagniwania osadów

ś

ciekowych),

chemiczn

ą

(wytwarzanie gazów na drodze chemicznej),

powietrzn

ą

(polegaj

ą

c

ą

na wprowadzeniu do osadu powietrza).

Flotacj

ę

powietrzn

ą

mo

ż

na podzieli

ć

na:

mechaniczn

ą

- rozdrobnionym powietrzem,

ci

ś

nieniow

ą

- rozpuszczonym powietrzem.

Procesy sedymentacji i flotacji prowadzi si

ę

jako wydzielone lub zespolone z innymi

procesami: koagulacja, str

ą

canie chemiczne itp.

FILTRACJA

Filtracja jest to proces wykorzystywany nie tylko podczas oczyszczania wody,

ś

cieków i powietrza ale tak

ż

e i gleby.

Filtracja jest procesem zło

ż

onym, składaj

ą

cym si

ę

z kilku procesów jednostkowych,

które wpływaj

ą

na usuwanie podczas filtracji cz

ą

stek o rozmiarach od 0,1 do 50

µ

m.

Cz

ą

stki te s

ą

mniejsze ni

ż

pory złó

ż

filtracyjnych.

W pocz

ą

tkowej fazie procesu filtracji cz

ą

stki fazy stałej osiadaj

ą

na przegrodzie

filtracyjnej, nast

ę

pnie na osadzonej fazie stałej, tworz

ą

c porowat

ą

struktur

ę

osadu

filtracyjnego.

O przebiegu procesu filtracji decyduj

ą

wła

ś

ciwo

ś

ci hydrauliczne warstwy filtracyjnej, a

wi

ę

c:

porowato

ść

uziarnienia,

szorstko

ś

ci cz

ą

stek,

sferyczno

ść

okre

ś

lona kształtem cz

ą

stek i sposobem ich uło

ż

enia.

Podczas filtracji ciecz przepływa w danym kierunku i z okre

ś

lon

ą

pr

ę

dko

ś

ci

ą

przez

materiał porowaty, który jest zło

ż

em filtracyjnym.

Wyznaczenie rzeczywistej warto

ś

ci pr

ę

dko

ś

ci przepływu oraz długo

ś

ci drogi w

przypadku filtracji jest niemo

ż

liwe.

W praktyce przybli

ż

a si

ę

pr

ę

dko

ść

filtracji ilorazem obj

ę

to

ś

ci przepływaj

ą

cej w

okre

ś

lonym czasie do przekroju zło

ż

a filtracyjnego (V

t

/S), za

ś

długo

ść

drogi cieczy

wysoko

ś

ci

ą

zło

ż

a.

Podczas zatrzymywania cz

ą

stek na zło

ż

u filtracyjnym współdziałaj

ą

mechanizmy

transportu i przyci

ą

gania.

Mechanizm zatrzymywania zanieczyszcze

ń

obejmuje wiele zjawisk, m.in.:

cedzenie

sedymentacj

ę

flokulacj

ę

kohezj

ę

(spójno

ść

)

adhezj

ę

(przyleganie cieczy do ciała stałego)

dyfuzj

ę

adsorpcj

ę

oddziaływania elektrostatyczne.

O transporcie zanieczyszcze

ń

decyduj

ą

nast

ę

puj

ą

ce procesy:

cedzenie

wychwytywanie

sedymentacja

dyfuzja

przepływ hydrodynamiczny

flokulacja.

Długo

ść

cyklu filtracji jest limitowana jako

ś

ci

ą

cieczy po filtracji oraz warto

ś

ci

ą

strat ci

ś

nienia. Po osi

ą

gni

ę

ciu kra

ń

cowych warto

ś

ci tych parametrów, filtry nale

ż

y płuka

ć

.

Zjawiskiem przeciwstawnym do przyci

ą

gania jest odrywanie cz

ą

stek.

Je

ś

li podczas przepływu cieczy zatrzymane wcze

ś

niej cz

ą

stki przedostaj

ą

si

ę

do filtratu to oznacza,

ż

e wyzwolił si

ę

mechanizm odrywania.

Odrywanie zachodzi cz

ę

sto podczas płukania filtrów na skutek działania

hydraulicznego lub te

ż

kolizji mi

ę

dzy ziarnami zło

ż

a a oderwanymi cz

ą

stkami.

Filtracj

ę

stosuje si

ę

do usuwania zawiesin po II stopniu oczyszczania

ś

cieków (po

osadnikach wtórnych) lub po procesach chemicznego str

ą

cania lub koagulacji.

Filtracj

ę

mo

ż

na prowadzi

ć

w filtrach jednowarstwowych i wielowarstwowych,

powolnych i pospiesznych.

Proces filtracji nale

ż

y optymalizowa

ć

dobieraj

ą

c warunki:

•

temperatura

•

szybko

ść

przepływu

•

wysoko

ść

i rodzaj warstwy wypełnienia

•

pH

•

impregnacja złó

ż

itp.

Podczas oczyszczania filtra ciecz przepływa z okre

ś

lon

ą

pr

ę

dko

ś

ci

ą

w

odwrotnym kierunku ni

ż

podczas filtracji.

ADSORPCJA

Adsorpcja polega na wydzielaniu i zatrzymywania składników płynu, gazów

odlotowych na powierzchni zewn

ę

trznej i wewn

ę

trznej ciała stałego zwanego adsorbentem

(sorbentem).

Adsorpcja jest zjawiskiem powierzchniowym, które mo

ż

e by

ć

wywołane

oddziaływaniem mi

ę

dzy adsorbentem i adsorbatem:

•

przyci

ą

ganie elektryczne

•

działanie wynikaj

ą

ce z działania sił spójno

ś

ci

•

reakcja chemiczna.

W zwi

ą

zku z tym wyró

ż

nia si

ę

trzy rodzaje adsorpcji:

•

jonowymienna

•

fizyczna

•

chemiczna.

Pierwsze dwie s

ą

procesami odwracalnymi za

ś

ostatnia cz

ę

sto jest procesem

nieodwracalnym b

ą

d

ź

cz

ęś

ciowo odwracalnym.

Prowadz

ą

c badania nad adsorpcj

ą

nale

ż

y uwzgl

ę

dnia

ć

czynniki statyczne i

dynamiczne, temperatur

ę

i bilans materiałowy.

Adsorpcj

ę

statyczn

ą

opisuj

ą

izotermy, czyli równania stanu nasycenia

adsorbenta w stałej temperaturze.

Zasadnicz

ą

funkcj

ą

procesu adsorpcji jest usuni

ę

cie rozpuszczonych resztek

substancji chemicznych o małym st

ęż

eniu w cieczy lub w gazie.

Zatrzymywanie cz

ą

stek na powierzchni zachodzi w wyniku działania sił fizycznych i

chemicznych bliskiego zasi

ę

gu.

Proces adsorpcji jest egzotermiczny. Proces odwrotny, usuwanie cz

ą

stek

zaadsorbowanych z powierzchni do przestrzeni otaczaj

ą

cego płynu zwany desorpcj

ą

,

wymaga doprowadzenia energii.

Adsorpcji sprzyja

ć

b

ę

dzie du

ż

a powierzchnia wła

ś

ciwa adsorbentu i niska

temperatura.

Krzywe adsorpcji, zwane izotermami adsorpcji, w procesie chemisorpcji wskazuj

ą

na jednocz

ą

steczkowo

ść

warstwy zaadsorbowanych cz

ą

stek, gdy natomiast podczas

adsorpcji fizycznej warstwy te mog

ą

by

ć

wielocz

ą

steczkowe.

Gdy zaadsorbowana w danych warunkach masa substancji zbli

ż

ona jest do ilo

ś

ci

równowagowej, nast

ę

pnym etapem jest usuni

ę

cie tej substancji z powierzchni adsorbentu

zwane regeneracj

ą

.

Po wykorzystaniu zdolno

ś

ci sorpcyjnych sorbenta stanowi on odpad, który nale

ż

y

zutylizowa

ć

.

Jednym z najstarszych i najpospolitszych adsorbentów jest w

ę

giel znany jako

aktywowany, w

ę

giel aktywny, w

ę

giel aktywny-drzewny.

W

ę

giel aktywny wytwarzany jest poprzez ogrzewanie stałych substancji

organicznych do temp. 1200 K w atmosferze redukuj

ą

cej. W wyniku otrzymuje si

ę

porowate cz

ą

stki, zbudowane z du

ż

ej ilo

ś

ci oboj

ę

tnych atomów w

ę

gla, pomi

ę

dzy którymi

brak jest potencjału elektrycznego i st

ą

d jego powinowactwo do zwi

ą

zków niepolarnych.

Pozostałe sorbenty, stanowi

ą

głównie proste lub zło

ż

one tlenki o budowie

niejednorodnej i niejednorodnym rozkładzie ładunków elektrycznych w sieci przestrzennej, w

wyniku czego s

ą

sorbentami polarnymi.

Adsorbenty krzemowe i glinokrzemowe (sylika

ż

el, ziemia Fullera, zeolity

syntetyczne, sita molekularne oraz tlenki glinu) - cz

ę

sto s

ą

aktywowane. Sorbenty

krzemowe maj

ą

wi

ę

ksz

ą

selektywno

ść

sorpcji ni

ż

w

ę

giel oraz du

żą

zdolno

ść

sorpcji

cz

ą

stek polarnych

Do ilo

ś

ciowej oceny procesu adsorpcji konieczna jest znajomo

ść

danych

równowagowych okre

ś

laj

ą

cych zale

ż

no

ść

st

ęż

enia substancji zanieczyszczaj

ą

cej w

strumieniu gazu lub roztworze od zawarto

ś

ci tej substancji w masie adsorbentu w

stanie równowagi.

Zale

ż

no

ść

t

ą

mo

ż

na wyrazi

ć

np. jako obj

ę

to

ść

gazu zaadsorbowan

ą

przez 1 g

adsorbentu w warunkach normalnych (273K, 1013 hPa) lub jako mas

ę

gazu

(substancji) zaadsorbowan

ą

przez jednostk

ę

masy adsorbenta.

Do wyznaczenia:

•

niezb

ę

dnego czasu kontaktu gazu i adsorbentu

•

masy adsorbentu

potrzebnych

do

osi

ą

gni

ę

cia

okre

ś

lonego

poziomu

st

ęż

enia

usuwanego

zanieczyszczenia wymagana jest znajomo

ść

danych dynamicznych pojemno

ś

ci sorpcyjnej

adsorbentu.

Je

ś

li strumie

ń

zanieczyszczonego gazu przepływa przez nieruchom

ą

warstw

ę

adsorbentu, pozbawion

ą

pocz

ą

tkowo zaadsorbowanej substancji, to adsorpcja w

najwi

ę

kszym stopniu biegnie w pocz

ą

tkowej, wlotowej cz

ęś

ci warstwy.

Je

ś

li warstwa w strefie jest ju

ż

nasycona, to front adsorpcji przesuwa si

ę

ku strefie

odlotowej.

Z czasem st

ęż

enie składnika w strumieniu odlotowym zwi

ę

ksza si

ę

i gdy osi

ą

gnie

poziom okre

ś

lony wymaganiami nazywany jest punktem przebicia.

Pocz

ą

wszy od tego punktu st

ęż

enie usuwanego składnika szybko wzrasta a

ż

do

osi

ą

gni

ę

cia warto

ś

ci wlotowej.

Niektóre z izoterm np. BET słu

żą

do wyznaczania nie tylko powierzchni wła

ś

ciwej

adsorbentów ale te

ż

i katalizatorów heterogenicznych.

ABSORPCJA

Absorpcja jest to dyfuzyjne przenoszenie cz

ą

stek gazu do cieczy, wywołane

gradientem st

ęż

enia w obu fazach.

Zasadnicze etapy absorpcji s

ą

nast

ę

puj

ą

ce:

•

przenoszenie składnika do powierzchni cieczy,

•

rozpuszczenie w warstwie granicznej na powierzchni cieczy,

•

przenoszenie składnika zaabsorbowanego w gł

ą

b cieczy.

Zasadniczym celem absorpcji jest usuwanie zanieczyszcze

ń

gazowych wskutek ich

•

fizycznego rozpuszczenia w cieczy

•

lub w poł

ą

czeniu z reakcj

ą

chemiczn

ą

.

W tym celu konieczne jest spełnienie szeregu warunków przy najni

ż

szym

nakładzie energii.

Zapewni

ć

trzeba odpowiednio długi czas kontaktu oraz du

żą

burzliwo

ść

przepływu gazu przez ciecz.

Je

ż

eli st

ęż

enie zanieczyszcze

ń

jest stosunkowo du

ż

e, absorpcja stanowi

ć

mo

ż

e

metod

ę

odzysku warto

ś

ciowych substancji.

Mo

ż

e stanowi

ć

wst

ę

pny etap oczyszczania gazu w procesie kompleksowego

oczyszczania lub ko

ń

cowy, gdy absorpcja jest poł

ą

czona z reakcj

ą

chemiczn

ą

.

W celu przeniesienia okre

ś

lonej masy zanieczyszcze

ń

z gazu do cieczy

konieczne jest przenikni

ę

cie cz

ą

stek przez stref

ę

przyległ

ą

do granicy faz i przez

granic

ę

faz, tj. przez powierzchni

ę

mi

ę

dzyfazow

ą

.

Przenikanie limitowane jest przez opory wnikania masy, które istnie

ć

mog

ą

po

obu stronach wymienionych faz oraz na ich granicy.

Na granicy faz istniej

ą

dwie zasadnicze bariery utrudniaj

ą

ce przenikanie gazu

do cieczy lub z cieczy.

Bariera fizyczna polega na blokowaniu przez cz

ą

steczki powierzchni mi

ę

dzyfazowej

dost

ę

pnej do wnikania cz

ą

stek gazu.

Bariera hydrodynamiczna wynika z napi

ę

cia powierzchniowego i przeciwstawia

si

ę

ruchowi cieczy w warstwie bezpo

ś

rednio przyległej do powierzchni mi

ę

dzyfazowej

i dyfuzja cz

ą

steczkowa decyduje o przenoszeniu cz

ą

stek w tej strefie.

W fazie ciekłej głównie dyfuzja burzliwa decydowa

ć

b

ę

dzie o utrzymaniu stałego

st

ęż

enia w cieczy.

Rozpuszczalno

ść

w stanie równowagi w układach rozcie

ń

czonych, z którymi

mamy do czynienia w absorpcji okre

ś

la prawo Henry’ego

p

A

*

= HC

A

gdzie: H - stała Henry’go.

Prawo to nie obowi

ą

zuje, gdy rozpuszczone gazy wchodz

ą

w reakcje

chemiczne, ulegaj

ą

dysocjacji, gdy ich ci

ś

nienia cz

ą

stkowe s

ą

wi

ę

ksze ni

ż

100 kPa lub

temperatura s

ą

bardzo niska.

Zwi

ę

kszenie ci

ś

nienia w układzie absorpcji powoduje wzrost rozpuszczalno

ś

ci,

obni

ż

enie temperatury powoduje równie

ż

wzrost rozpuszczalno

ś

ci.

Je

ż

eli gaz jest dobrze rozpuszczalny w cieczy, to małemu st

ęż

eniu składnika w

gazie odpowiada

ć

b

ę

dzie du

ż

e st

ęż

enie w cieczy.

W stanie równowagi szybko

ść

absorpcji równa jest szybko

ś

ci desorpcji

składnika z cieczy.

Osi

ą

gni

ę

cie stanu równowagi wymaga jednak bardzo długiego czasu kontaktu

faz, co w praktyce cz

ę

sto nie jest mo

ż

liwe.

Absorpcj

ę

prowadzi si

ę

w skruberach zwanych absorberami jedno- lub

wielostopniowymi (absorbery półkowe).

W absorberze jednostopniowym zachodzi ci

ą

gły proces absorpcji w wyniku

bezpo

ś

redniego kontaktu strumieni gazu i cieczy, które nast

ę

pnie s

ą

rozdzielane.

W zale

ż

no

ś

ci od czasu ich kontaktu i dynamiki procesów mi

ę

dzy fazami układ

absorpcyjny zbli

ż

y

ć

si

ę

mo

ż

e do stanu równowagi i okre

ś

lany jest wówczas

pojedynczym stopniem równowagi.

W przypadku absorpcji gazów o małej rozpuszczalno

ś

ci w celu zbli

ż

enia si

ę

do

stanu równowagi w układzie gaz - ciecz konieczna jest wi

ę

ksza ni

ż

jeden liczba stopni

kontaktu.

Szybko

ść

absorpcji zwi

ę

ksza si

ę

wówczas, gdy zachodzi reakcja chemiczna

mi

ę

dzy ciecz

ą

i gazem, przy czym wzrasta współczynnik wnikania po stronie cieczy.

Absorpcja z reakcj

ą

chemiczn

ą

jest stosowana cz

ę

sto w przemy

ś

le chemicznym

i pokrewnym jako metoda otrzymywania wielu półproduktów i produktów.

Przy oczyszczaniu gazów odlotowych absorpcja z reakcj

ą

chemiczn

ą

jest jedn

ą

z

zasadniczych metod usuwania zanieczyszcze

ń

kwa

ś

nych, takich jak: SO

2

, SO

3

, H

2

S,

NO

x

. HF, Cl

2

, HCl i in.

Podczas absorpcji z reakcj

ą

chemiczn

ą

:

składnik A reaguje z substancj

ą

B zawart

ą

w cieczy, w wyniku czego powstaje produkt

P o wła

ś

ciwo

ś

ciach odmiennych od substancji wyj

ś

ciowej A:

A + bB

⇒

⇒

⇒

⇒

P

gdzie: k

1

i k

2

to szybko

ś

ci wła

ś

ciwe reakcji w okre

ś

lonych kierunkach.

Szybko

ść

reakcji jest proporcjonalna do st

ęż

enia reagentów, a ró

ż

nice wynikaj

ą

z rz

ę

dowo

ś

ci reakcji.

Podczas absorpcji z reakcj

ą

chemiczn

ą

opory przy przenikaniu masy

wyst

ę

powa

ć

mog

ą

w warstewce gazowej, ciekłej lub we wn

ę

trzu cieczy.

Reakcja przebiega szybko w stosunkowo w

ą

skiej strefie warstewki ciekłej

natomiast wolno w warstewce granicznej oraz we wn

ę

trzu cieczy.

W procesach oczyszczania gazów odlotowych oprócz wody stosowane s

ą

równie

ż

rozpuszczalniki niewodne, w których absorpcja zwi

ą

zana jest zwykle z odwracaln

ą

reakcj

ą

chemiczn

ą

.

Regeneracja rozpuszczalnika nast

ę

puje poprzez desorpcj

ę

gazu.

W wielu przypadkach oczyszczania gazów metod

ą

absorpcji w cieczy s

ą

obecne cz

ą

stki ciała stałego.

Jest to wynik

•

jednoczesnego prowadzenia odpylania gazu,

•

powstawania cz

ą

stek w układzie absorpcyjnym w wyniku reakcji

chemicznych

•

celowego wprowadzenia ich do cieczy absorpcyjnej.

Celowo wprowadzane do układu absorpcyjnego gaz - ciecz, cz

ą

stki stałe stanowi

ć

mog

ą

:

•

elementy oboj

ę

tne chemicznie, zwi

ę

kszaj

ą

ce burzliwo

ść

układu,

•

katalizatory,

•

substancje reaktywne chemicznie,

•

sorbenty naturalne i syntetyczne

•

substancje biologicznie czynne.

Cz

ą

stki stałe s

ą

formowane w postaci warstw nieruchomych, s

ą

rozpraszane w cieczy

za pomoc

ą

strumieni gazu, gazu i cieczy lub mieszadeł mechanicznych, b

ą

d

ź

stanowi

ą

układ

trójfazowy przepływowy.

Przenoszenie masy z fazy gazowej do powierzchni cz

ą

stki stałej odbywa si

ę

etapami wskutek przenikania przez granic

ę

faz gaz - ciecz i wnikania z gł

ę

bi fazy ciekłej

do powierzchni cz

ą

stki.

Je

ż

eli cz

ą

stki s

ą

porowate i reakcja chemiczna przebiega na ich powierzchni, to

dochodzi dodatkowy etap zwi

ą

zany z dyfuzj

ą

w porach i szybko

ś

ci

ą

reakcji.

Gdy cz

ą

stki stałe s

ą

reaktywne chemicznie, to oprócz funkcji absorbentu spełnia

ć

mog

ą

równie

ż

rol

ę

substratu wyj

ś

ciowego do wytwarzania po

żą

danego produktu.

Reakcja przebiega

ć

mo

ż

e na powierzchni cz

ą

stek słabo rozpuszczalnych, co

jest równoznaczne z adsorpcj

ą

Stabilizacj

ę

du

ż

ej siły nap

ę

dowej i wysok

ą

sprawno

ść

absorpcji uzyska

ć

mo

ż

na

przez umieszczenie w cieczy substancji maj

ą

cej zdolno

ś

ci sorpcyjne w stosunku do

składnika gazowego rozpuszczonego w cieczy.

Ten sposób prowadzenia absorpcji umo

ż

liwia eliminowanie w niektórych

przypadkach kosztownych rozpuszczalników oraz upraszcza utylizacj

ę

odpadów.

Jednym z takich układów jest zawiesina w

ę

gla aktywnego w wodzie. Procesy tego

rodzaju s

ą

prowadzone w reaktorach fluidyzacyjnych, barbota

ż

owych oraz w

zbiornikach z mieszadłem.

WYMIANA JONOWA

Proces wymiany jonowej stosuje si

ę

w celu całkowitego lub cz

ęś

ciowego

usuni

ę

cia z wody substancji rozpuszczonych (głównie jonów).

W Polsce wymiana jonowa nie jest stosowana w zakładach uzdatniania wody

przeznaczonej do zaopatrzenia ludno

ś

ci.

Proces ten wykorzystuje si

ę

do oczyszczania wód dla celów przemysłowych, a

jego celem jest pozyskanie wody o zasoleniu, którego wielko

ść

okre

ś

la odbiorca.

W procesie tym, oprócz czystej wymiany jonowej, zachodz

ą

zjawiska sorpcji,

wywołane

•

elektrycznym charakterem grup jonowymiennych,

•

okre

ś

lonymi wła

ś

ciwo

ś

ciami szkieletu wymieniacza jonowego.

Z oczyszczanej wody usuwane s

ą

kationy i aniony lub oba jony razem, w

nast

ę

pstwie czego stosuje si

ę

kationity lub anionity, lub jedne i drugie ł

ą

cznie.

Proces wymiany jonów obecnych w oczyszczanej wodzie na jony ruchliwe

przył

ą

czone do centrów aktywnych jonitów jest odwracalny i stechiometryczny.

Proces ten jest reakcj

ą

chemiczn

ą

, zachodz

ą

c

ą

w wyniku kontaktu fazy stałej

wymieniacza jonowego z roztworem zawieraj

ą

cym cz

ą

stki jonowe.

Kontakt ten mo

ż

e zachodzi

ć

w warunkach statycznych b

ą

d

ź

dynamicznych.

Odwracalno

ść

reakcji jonowymiennej stwarza mo

ż

liwo

ść

prowadzenia procesu

wymiany jonowej i procesu odwrotnego - regeneracji wymieniacza jonowego.

Dlatego wszystkie procesy z udziałem wymieniaczy jonowych s

ą

równowagowe.

Wymiana kationów

RX

(n-)

+ nAY = R(XA)n + nY

-

Wymiana anionów

RX

(m+)

+ mBZ = R(XZ)m + mB

+

gdzie:

R - szkielet wymieniacza jonowego,

X - trwałe, zwi

ą

zane ze szkieletem grupy kationo- i anionoczynne,

A,B - ruchliwe kationy,

Y,Z - ruchliwe aniony,

n,m - warto

ś

ciowo

ść

kationu lub anionu.

Proces wymiany jonów z roztworów na jony wymieniacza jonowego zachodzi

kolejno w etapach:

•

transport jonu z roztworu do powierzchni ziarna jonitu,

•

transport tego jonu wewn

ą

trz ziarna do miejsca wymiany,

•

reakcja podwójnej wymiany,

•

transport jonu wypartego wewn

ą

trz ziarna od miejsca wymiany do powierzchni

ziarna jonitu, a nast

ę

pnie do roztworu

Transportowi dyfuzyjnemu jonów towarzyszy natychmiast powstawanie potencjału

mi

ę

dzyfazowego.

Sumaryczn

ą

szybko

ść

procesu wymiany jonowej okre

ś

la szybko

ść

najwolniejszego

etapu, którym jest transport dyfuzyjny w fazie jonitu i w warstwie mi

ę

dzyfazowej.

Szybko

ść

reakcji jonowymiennych zale

ż

y od:

•

rodzaju wymienianych jonów

•

cech wymieniaczy jonowych

•

st

ęż

enia elektrolitu

•

warunków prowadzenia procesu

•

składu fizyczno-chemicznego oczyszczanych roztworów

•

stopnia uwodnienia jonów bior

ą

cych udział w wymianie.

Wymieniaczami jonowymi (jonitami) s

ą

substancje praktycznie nierozpuszczalne w

wodzie, które wymieniaj

ą

z roztworu elektrolitu dodatnio lub ujemnie naładowane jony na

równowa

ż

ne ilo

ś

ci jonów, wchodz

ą

cych w skład jonitów.

Ze wzgl

ę

du na rodzaj wymienianych jonów, jonity dziel

ą

si

ę

na:

•

kationity

•

anionity.

Kationity maj

ą

charakter kwasów lub ich soli, natomiast anionity - zasad lub ich

soli.

Mog

ą

te

ż

by

ć

bipolarne, które zawieraj

ą

zarówno grupy kwasowe jak i zasadowe,

oraz amfolity posiadaj

ą

ce takie grupy funkcyjne, które w zale

ż

no

ś

ci od pH mog

ą

zachowywa

ć

si

ę

jak grupy kwasowe lub zasadowe.

Wymieniacze jonowe składaj

ą

si

ę

z dwóch cz

ęś

ci:

•

oboj

ę

tnej makrocz

ą

steczki

•

grup jonoczynnych (funkcyjnych) zawieraj

ą

cych jony ruchliwe i zdolne

do dysocjacji elektrolitycznej.

Ze wzgl

ę

du na stopie

ń

dysocjacji grup funkcyjnych dzieli si

ę

je na:

•

mocne,

•

słabe

•

oboj

ę

tne.

•

kompleksotwórcze,

•

redukuj

ą

ce,

•

ze wska

ź

nikiem pH

•

sita jonowe.

Ze wzgl

ę

du na pochodzenie wymieniacze jonowe dzieli si

ę

na:

•

naturalne (glinokrzemiany, krzemiany, fluorofosforany wapniowe, torf, w

ę

giel

brunatny)

•

syntetyczne (wielkocz

ą

steczkowe zwi

ą

zki organiczne zwane

ż

ywicami,

produkty chemicznej przeróbki w

ę

gla), które maj

ą

makrocz

ą

steczki typu

organicznego i nieorganicznego.

Ze wzgl

ę

du na rodzaj makrocz

ą

steczki dzieli si

ę

je na:

•

organiczne

•

nieorganiczne

Do wymieniaczy organicznych nale

żą

:

•

naturalne produkty chemicznej przeróbki w

ę

gla, zwane w

ę

glami

sulfonowanymi

•

wielkocz

ą

steczkowe zwi

ą

zki organiczne otrzymywane syntetycznie,

zwane potocznie

ż

ywicami jonitowymi.

Wymieniacze jonowe ró

ż

ni

ą

si

ę

zarówno

•

budow

ą

podstawowego szkieletu makrocz

ą

steczek,

•

jak te

ż

charakterem grup jonoczynnych.

Szkielet

ż

ywicy stanowi nieregularny, przestrzenny usieciowany ła

ń

cuch

w

ę

glowodorów, zawieraj

ą

cych wbudowane na stałe, tzw. jony stałe, którymi

w przypadku kationitów s

ą

np.:

-SO

3

. –COO

-

, -O

-

, -PO

3

H

-

,

za

ś

anionitów s

ą

np.:

-NH

3

+

, =NH

2

+

, =N

+

=, -NR

3

+

, =S

+

, =P

+

=.

W oczyszczaniu wody istotny jest podział jonitów z uwagi na stopie

ń

dysocjacji

grup funkcyjnych.

Kationity dzieli si

ę

na:

•

oboj

ę

tne lub słabo kwa

ś

ne, zawieraj

ą

ce słabo zdysocjowane grupy

funkcyjne (-OH, -COOH, -SH, -CH

2

SH), dobrze pracuj

ą

w

ś

rodowisku

oboj

ę

tnym lub słabo alkalicznym

•

silnie kwa

ś

ne, zawieraj

ą

ce silnie zdysocjowane grupy funkcyjne (-SO

3

H), -

CH

2

SO

3

H) zdolne do wymiany wszystkich kationów, s

ą

skuteczne w szerokim

zakresie pH.

Anionity dzieli si

ę

na:

•

słabo zasadowe posiadaj

ą

ce słabo zdysocjowane grupy funkcyjne, na ogół

trzeciorz

ę

dowe, wymieniaj

ą

one aniony mocnych kwasów, stosowane s

ą

wył

ą

cznie

po silnie kwa

ś

nych kationitach pracuj

ą

cych w cyklu wodorowym

•

silnie

zasadowe

posiadaj

ą

ce

silnie

zdysocjowane

grupy

funkcyjne

–

czwartorz

ę

dowe, zdolne s

ą

do wymiany anionów nawet bardzo słabych kwasów.

Ze wzgl

ę

du na rodzaj ruchliwego jonu, kationity dzieli si

ę

na pracuj

ą

ce w cyklu

sodowym lub wodorowym, b

ą

d

ź

te

ż

w wapniowym a anionity w cyklu

wodorotlenkowym lub chlorkowym.

Ka

ż

dy jonit charakteryzuj

ą

cechy fizyczne i chemiczne oraz warunki ich

eksploatacji. Parametry te podaje producent.

Do podstawowych cech fizycznych zalicza si

ę

:

•

barw

ę

,

•

kształt,

•

wielko

ść

ziaren,

•

g

ę

sto

ść

nasypow

ą

,

•

odporno

ść

mechaniczn

ą

i termiczn

ą

•

stopie

ń

p

ę

cznienia.

Do głównych czynników opisuj

ą

cych jonity nale

żą

nast

ę

puj

ą

ce parametry:

•

p

ę

cznienie,

•

selektywno

ść

,

•

zdolno

ść

wymienna.

P

ę

cznienie spowodowane jest dyfuzj

ą

wody w gł

ą

b przestrzennej struktury

jonitów. Zwi

ę

kszenie usieciowania szkieletu zmniejsza stopie

ń

p

ę

cznienia, który zale

ż

y

tak

ż

e od temperatury i od odczynu.

Selektywno

ść

polega na tym, i

ż

stosunek ilo

ś

ciowy dwóch rodzajów

wymienianych jonów po osi

ą

gni

ę

ciu stanu równowagi jest inny w wymieniaczu ni

ż

w

roztworze. Dla typowych

ż

ywic okre

ś

lono szeregi selektywno

ś

ci zarówno dla

kationitów jak i anionitów.

Zdolno

ść

wymienna jonitu okre

ś

la ilo

ść

mgR wymienianych przeciwjonów

przypadaj

ą

ca na jednostk

ę

masy lub obj

ę

to

ś

ci wymieniacza jonowego.

Warto

ść

zdolno

ś

ci wymiennej zwi

ę

ksza si

ę

wraz ze wzrostem liczby grup

funkcyjnych, a zmniejsza si

ę

wraz ze wzrostem stopnia usieciowania szkieletu jonitu.

Wyró

ż

nia si

ę

zdolno

ść

jonowymienn

ą

całkowit

ą

oraz zdolno

ść

wymienn

ą

robocz

ą

(u

ż

ytkow

ą

).

Ta ostatnia ma znaczenie praktyczne, gdy

ż

stanowi t

ę

cz

ęść

całkowitej zdolno

ś

ci

wymiennej, która mo

ż

e by

ć

wykorzystana w czasie eksploatacji jonitów i wyra

ż

a liczb

ę

mgR

przeciwjonów, które s

ą

wymieniane przez jednostkow

ą

ilo

ść

jonitu, a

ż

do chwili

przebicia jonowymiennego. Stanowi ona zwykle 60-80% całkowitej zdolno

ś

ci

wymiennej i nie jest warto

ś

ci

ą

stał

ą

. Zale

ż

y od warunków prowadzenia procesu, składu

uzdatnianej wody, dawki i st

ęż

enia czynników regeneruj

ą

cych.

Pełny cykl pracy wymieniacza obejmuje:

•

przygotowanie wymieniacza jonowego,

•

wymian

ę

jonow

ą

,

•

regeneracj

ę

zło

ż

a - po stwierdzeniu przebicia zło

ż

a jonitowego (wyczerpania

si

ę

grup jonowymiennych) nale

ż

y wykona

ć

proces jego regeneracji,

obejmuj

ą

cy:

•

spulchnianie zło

ż

a,

•

regeneracja zło

ż

a,

•

przemywanie zło

ż

a.

Jonitowe uzdatnianie wody znajduje głównie zastosowanie do:

•

zmi

ę

kczania

•

demineralizacji i odsalania

•

usuwania fosforanów i azotanów

•

usuwania azotu amonowego, metali i radionuklidów

•

usuwania zanieczyszcze

ń

organicznych.

EKSTRAKCJA

T

ą

metod

ę

rozdziału, stosuje si

ę

najcz

ęś

ciej w przypadkach, gdy zale

ż

y nam na

wydzieleniu z mieszaniny pojedynczego składnika i otrzymaniu go w czystej postaci.

Ekstrakcj

ę

w układzie ciecz - ciecz prowadzi si

ę

przede wszystkim w

ś

rodowisku wodnym, gdy

ż

woda jest doskonałym rozpuszczalnikiem ogromnej liczby

substancji nieorganicznych, w przeciwie

ń

stwie do substancji organicznych.

Rozpuszczalno

ść

w wodzie substancje nieorganiczne zawdzi

ę

czaj

ą

wysokiej

stałej dielektrycznej wody (

εεεε

=80), która znacznie obni

ż

a energi

ę

jonizacji i dysocjacji.

Odwrotnie jest z rozpuszczalnikami organicznymi, które to bardzo dobrze

rozpuszczaj

ą

zwi

ą

zki w

ę

gla o charakterze nieelektrolitów, podczas gdy jonowe zwi

ą

zki

s

ą

w nich praktycznie nierozpuszczalne.

Je

ż

eli prowadzamy ekstrakcj

ę

substancji nieorganicznych z roztworów wodnych

za pomoc

ą

rozpuszczalników organicznych, nale

ż

y jony pozbawi

ć

ładunku

elektrycznego, oraz usun

ąć

całkowicie lub cz

ęś

ciowo, cz

ą

stki wody hydratacyjnej.

Do tego celu stosuje si

ę

ró

ż

nego rodzaju substancje kompleksuj

ą

ce.

Znacznie trudniej przeprowadza si

ę

ekstrakcj

ę

dwóch lub wi

ę

kszej liczby substancji

organicznych w roztworze wodnym.

Cz

ę

sto ze wzgl

ę

du na małe ró

ż

nice w budowie ekstrahowanych zwi

ą

zków, a przez to

nieznaczne ró

ż

nice ich współczynników ekstrakcji, wymagane jest wielokrotne powtórzenie

procesu ekstrakcji z odpowiednio dobranym układem rozpuszczalników lub dodatków.

Mimo tych trudno

ś

ci ekstrakcja jest metod

ą

powszechnie stosowan

ą

tak

ż

e do

analitycznego jak i preparatywnego rozdziału szeregu substancji.

Proces ten przebiega w bardzo łagodnych warunkach, nie jest wymagana

wysoka temperatura, a u

ż

yty rozpuszczalnik mo

ż

e by

ć

zawracany do procesu.

Dzi

ę

ki zastosowaniu tej metody rozdzielono wiele mieszanin na skale techniczn

ą

:

tłuszczów,

olejów,

wosków,

ró

ż

nych preparatów biochemicznych,

antybiotyków,

witamin,

hormonów,

barwników oraz wielu innych substancji.

Podstawy technologiczne ekstrakcji

Roztwór surowy, zwany surówk

ą

ekstrakcyjn

ą

, a wi

ę

c pierwotn

ą

mieszanin

ą

składników

podlegaj

ą

cych

rozdzieleniu,

kontaktujemy

z

odpowiednio

dobranym

rozpuszczalnikiem, zwanym ekstrahentem.

Wybór rozpuszczalnika zale

ż

y przede wszystkim od:

•

rozpuszczalno

ś

ci substancji ekstrahowanej

•

rodzaju substancji rozpuszczonej

•

łatwo

ś

ci usuni

ę

cia jej z roztworu.

Po dodaniu rozpuszczalnika tworzy si

ę

zatem układ dwufazowy np. ciecz - ciecz lub

ciało stałe - ciecz.

Składnik, który ekstrahujemy przechodzi w znacznej mierze z surówki do ekstrahenta,

daj

ą

c w ten sposób ekstrakt. Pozostało

ść

poekstrakcyjna nazywana jest rafinatem.

Poprzez intensywne mieszanie roztworu nast

ę

puje przenoszenie ekstrahowanych

składników z surówki do rozpuszczalnika. Proces ten odbywa si

ę

na zasadzie ró

ż

nicy

st

ęż

e

ń

, a wi

ę

c jest on zaliczany do grupy zjawisk dyfuzyjnych.

Przenoszenie cz

ą

stek trwa do momentu, gdy st

ęż

enia osi

ą

gn

ą

graniczne

warto

ś

ci i ustali si

ę

równowaga.

Mechanizm tego procesu charakteryzuje wielko

ść

zwana współczynnikiem podziału

K.

Współczynnik podziału w danym układzie zale

ż

y jedynie od temperatury, nie zale

ż

y

natomiast od sumarycznego st

ęż

enia substancji rozpuszczonej:

K

Y

X

=

gdzie :

K - współczynnik podziału,

X - st

ęż

enie składnika ekstahowanego w rafinacie,

Y - st

ęż

enie składnika ekstrahowanego w ekstrakcie.

Ekstrakcji składników roztworu wodnego rozpuszczalnikami organicznymi

mo

ż

e towarzyszy

ć

powstawanie emulsji, co uniemo

ż

liwia dokładne rozdzielenie warstw.

Emulsja tworzy si

ę

szczególnie łatwo w przypadku, gdy roztwór wodny ma odczyn

alkaliczny, a ekstrahentem jest benzen czy chloroform.

Emulsj

ę

mo

ż

na zlikwidowa

ć

nast

ę

puj

ą

cymi metodami:

•

poprzez mieszanie pałeczk

ą

szklan

ą

(w laboratorium),

•

poprzez dodanie np. chlorku sodu, siarczanu sodu lub w

ę

glanu potasu,

co powoduje zwi

ę

kszenie st

ęż

enia zwi

ą

zków jonowych (wysolenie),

•

poprzez zmian

ę

pH roztworu

•

poprzez dodanie alkoholu lub innego rozpuszczalnika.

Stan równowagi mi

ę

dzyfazowej procesu ekstrakcji charakteryzuj

ą

nast

ę

puj

ą

ce

wielko

ś

ci:

•

stopie

ń

wyekstrahowania

Ψ

Ψ

Ψ

Ψ

zwany wydajno

ś

ci

ą

ekstrakcji, jest to stosunek

ilo

ś

ci substancji wyekstrahowanej do całkowitej ilo

ś

ci tego składnika w

surówce,

•

stopie

ń

niewyekstrahowania

ϕϕϕϕ

- jest to ilo

ść

substancji ekstrahowanej,

pozostaj

ą

cej w rafinacie po procesie ekstrakcji, do całkowitej ilo

ś

ci zawartej w

surówce.

Stopie

ń

niewyekstrahowania

ϕϕϕϕ

mo

ż

na opisa

ć

nast

ę

puj

ą

cym wzorem:

ϕ

= 1 -

Ψ

współczynnik ekstrakcji D okre

ś

lony stosunkiem ilo

ś

ci substancji zawartej w ekstrahencie

do ilo

ś

ci substancji w rafinacie w stanie równowagi:

D

KV

Q

Kb

=

=

gdzie:

K - współczynnik podziału,

V - ilo

ść

rozpuszczalnika [m3],

Q - ilo

ść

surówki [ m3],

b =V/Q.

NATLENIANIE WODY I

Ś

CIEKÓW

Rozpuszczalno

ść

molarna gazu w wodzie przy stałej temperaturze jest

proporcjonalna do ci

ś

nienia cz

ą

stkowego nad ciecz

ą

.

Prawo Henry’ego-Daltona mo

ż

na wyrazi

ć

równaniem

C = k • p

gdzie: c – rozpuszczalno

ść

gazów w cieczy, [mg/l]; p – ci

ś

nienie cz

ą

stkowe gazu nad

roztworem [atm]; k – współczynnik proporcjonalno

ś

ci wyra

ż

aj

ą

cy rozpuszczalno

ść

gazu przy

ci

ś

nieniu cz

ą

stkowym 1 atm (101325Pa)..

Tlen rozpuszczony

W przypadku rozpuszczania mieszaniny gazów w cieczy (np. powietrza w wodzie)

prawo to stosuje si

ę

oddzielnie dla ka

ż

dego składnika mieszaniny.

Ilo

ś

ci rozpuszczonych gazów s

ą

tu proporcjonalne do ich ci

ś

nie

ń

cz

ą

stkowych.

Stosunek ilo

ś

ci poszczególnych gazów w roztworze jest ró

ż

ny od stosunku w

fazie gazowej, gdy

ż

ró

ż

ne s

ą

współczynniki k poszczególnych gazów.

Na podstawie prawa Henry’ego-Daltona zrozumiałe staje si

ę

,

ż

e woda stykaj

ą

c si

ę

z

powietrzem zawiera wi

ę

cej azotu ni

ż

tlenu, pomimo

ż

e rozpuszczalno

ść

azotu w wodzie jest

mniejsza ni

ż

tlenu (np. w 273K i przy p=1013,25hPa rozpuszczalno

ść

tlenu w wodzie wynosi

69,45 mg/l a azotu 29,42 mg/l). Wynika to z czterokrotnie wy

ż

szej zawarto

ś

ci azotu

wzgl

ę

dem tlenu w powietrzu.

W rezultacie zawarto

ść

tych gazów w wodzie destylowanej w stanie całkowitego

nasycenia w 273K wynosi:

dla azotu = k(N

2

) • p(N

2

) = 29,42 • 0,78 = 22,95 mgN

2

/ll

dla tlenu = k(O

2

) • p(O

2

) = 69,45 • 0,21 = 14,60 mgO

2

/l

Rozpuszczony tlen w wodach naturalnych ma podstawowe znaczenie dla

wszelkich procesów chemicznych biochemicznych. Jest niezb

ę

dny do

ż

ycia ryb i innych

organizmów wodnych.

Zawarto

ść

tlenu rozpuszczonego w wodzie jest wynikiem równowagi miedzy

zu

ż

ywaniem tlenu a jego dostarczaniem.

Procesy zachodz

ą

ce w obecno

ś

ci tlenu nazywaj

ą

si

ę

aerobowymi i prowadz

ą

do

zmniejszenia zawarto

ś

ci zanieczyszcze

ń

w wodzie.

W przypadku braku tlenu w wodzie ustalaj

ą

si

ę

warunki anaerobowe (beztlenowe)

i zachodz

ą

procesy, w których powstaj

ą

substancje toksyczne, cz

ę

sto o nieprzyjemnym,

odra

ż

aj

ą

cym zapachu.

Zu

ż

ywany tlen rozpuszczony jest uzupełniany tlenem doprowadzanym z atmosfery.

Poza natlenieniem powierzchniowym

ź

ródłem tlenu w wodzie mo

ż

e by

ć

fotosynteza. Im

deficyt tlenu rozpuszczonego jest wi

ę

kszy tym szybko

ść

przenikania tlenu do wody jest

wi

ę

ksza.

Natlenianie zbiorników wodnych zale

ż

y od stosunku powierzchni zbiornika do całej

masy wody, a tak

ż

e od turbulencji warstw powierzchniowych.

Skuteczno

ść

natleniania wody podczas przepływu przez kaskady, stopnie wodne,

komory zapór i inne budowle hydrotechniczne jest znacznie wi

ę

ksza ni

ż

pobieranie tlenu

przez statyczne lustro wody. Rozpuszczalno

ść

tlenu w wodzie zale

ż

y od temperatury i z jej

wzrostem maleje.

Zjawisko niedotlenienia wody mo

ż

e wyst

ą

pi

ć

przy obecno

ś

ci pokrywy lodowej, jak te

ż

przy pokryciu wody warstw

ą

olejów. W przypadku znacznego dopływu zanieczyszcze

ń

organicznych do wody mo

ż

e łatwo doj

ść

do nadmiernego zu

ż

ycia tlenu i przej

ś

cia w warunki

beztlenowe.

St

ęż

enie tlenu w wodzie naturalnej mo

ż

e podlega

ć

znacznym wahaniom – od

warto

ś

ci bliskich zera do stanu przesycenia.

Zawarto

ść

rozpuszczonego tlenu w wodach naturalnych wynosi od 0 do 14,62mgO

2

.

W wodach rzek st

ęż

enie tlenu jest zwykle równomierne w całym przekroju na całej

gł

ę

boko

ś

ci. Jedynie przy samym dnie gł

ę

bokich rzek mo

ż

na zaobserwowa

ć

zmniejszenie

st

ęż

enia tlenu wskutek zu

ż

ywania go przez osady denne.

W wodach stoj

ą

cych (jeziorach i gł

ę

bokich zbiornikach zaporowych) wyst

ę

puj

ą

istotne

zmiany st

ęż

enia w zale

ż

no

ś

ci od gł

ę

boko

ś

ci. Wi

ąż

e si

ę

to ze stratyfikacj

ą

termiczn

ą

jezior.

St

ęż

enie tlenu w wodach powierzchniowych jest zwykle mniejsze latem, a wi

ę

ksze

zim

ą

, z wyj

ą

tkiem okresów istnienia pokrywy lodowej, gdy cz

ę

sto dochodzi do powstawania

deficytów tlenowych.

Deficyt tlenowy jest definiowany jako ró

ż

nica mi

ę

dzy st

ęż

eniem tlenu w stanie

nasycenia w danych warunkach a jego rzeczywist

ą

zawarto

ś

ci

ą

w wodzie. Wynika to st

ą

d,

ż

e w wy

ż

szej temperaturze rozpuszczalno

ść

tlenu jest mniejsza, a jednocze

ś

nie wi

ę

ksza jest

szybko

ść

procesów biochemicznych zu

ż

ywaj

ą

cych tlen.

W okresach gwałtownego rozwoju glonów i wytwarzania tlenu wskutek fotosyntezy

latem obserwuje si

ę

du

ż

e st

ęż

enie tlenu. Nat

ęż

enie fotosyntezy jest uzale

ż

nione od

zawarto

ś

ci ditlenku w

ę

gla, intensywno

ś

ci

ś

wiatła i temperatury wody. W sprzyjaj

ą

cych

warunkach st

ęż

enie tlenu rozpuszczonego w wodzie mo

ż

e wzrosn

ąć

o około 1gO

2

/m

3

jako

wynik procesu fotosyntezy.

St

ęż

enie tlenu jest znacznie ni

ż

sze poni

ż

ej miejsc dopływu

ś

cieków zawieraj

ą

cych

łatwo rozkładalne substancje organiczne np. zawarte w

ś

ciekach mleczarskich i

ś

ciekach

socjalno-bytowych.

Zawarto

ść

tlenu wpływa na korozyjne wła

ś

ciwo

ś

ci wody, a w obecno

ś

ci agresywnego

CO

2

zjawisko to nasila si

ę

. Proces ten przebiega zgodnie z poni

ż

szymi równaniami:

2H

+

+ Fe = Fe

2+

+ 2H

2H + ½ O

2

= H

2

O

Na ogół nie okre

ś

la si

ę

ilo

ś

ci tlenu rozpuszczonego w wodzie do picia, chocia

ż

zaleca

si

ę

, aby zawarto

ść

tlenu była bliska nasyceniu

Rozpuszczalno

ść

tlenu w wodzie maleje ze spadkiem ci

ś

nienia. Rozpuszczalno

ść

tlenu c

’

s

przy ci

ś

nieniu atmosferycznym innym ni

ż

1013 hPa (1 atm) mo

ż

na obliczy

ć

ze wzoru

C

’

s

= C

s

(p-p

w

)/101,3 - p

w

gdzie: p – ci

ś

nienie atmosferyczne, hPa, p

w

– ci

ś

nienie pary wodnej w kontakcie z

powietrzem w danej temperaturze, hPa.

Rozpuszczalno

ść

tlenu zmniejsza si

ę

ze wzrostem zasolenia. Zale

ż

no

ść

ta jest

praktycznie liniowa do st

ęż

enia soli 35g/l.

Powierzchniowa woda morska jest na ogół dobrze natleniona, a st

ęż

enie tlenu mie

ś

ci

si

ę

w granicach 7-9 cm

3

/l.

W styczniu st

ęż

enie tlenu jest wy

ż

sze ni

ż

we wrze

ś

niu, co ma bezpo

ś

redni zwi

ą

zek z

wielko

ś

ci

ą

produkcji materii organicznej podczas letnich miesi

ę

cy.

Obumieraj

ą

ce wodorosty i plankton s

ą

konsumowane przez bakterie, zachodzi

proces mineralizacji substancji organicznej. Proces ten przebiega w obecno

ś

ci tlenu.

Przy braku tlenu zachodz

ą

procesy beztlenowe, którym towarzyszy m. in. wydzielanie

siarkowodoru. Ta sytuacja np. w wodzie Morza Bałtyckiego skutkuje zmniejszeniem populacji

dorsza.

Rozpuszczalno

ść

tlenu w wodzie zasolonej (Z) oblicza si

ę

z zale

ż

no

ś

ci:

Z= C

s

- n

∆

C

s

gdzie: C

s

– ilo

ść

tlenu rozpuszczonego w czystej wodzie w kontakcie z powietrzem

nasyconym par

ą

wodn

ą

zawieraj

ą

cym 20,94% obj. tlenu przy ci

ś

nieniu 1013hPa,

∆

C

s

–

poprawka, n – zawarto

ść

soli w wodzie.

Nasycenie wody tlenem

Zawarto

ść

tlenu w wodach naturalnych podaje si

ę

równie

ż

w procentach nasycenia

wody tlenem w danej temperaturze.

Stopie

ń

nasycenia wody tlenem jest to stosunek zawarto

ś

ci tlenu rozpuszczonego w

badanej wodzie do maksymalnej zawarto

ś

ci tlenu w wodzie destylowanej w danej

temperaturze przy ci

ś

nieniu 760 mmHg (1013,25 hPa) - warto

ś

ci te znajdujemy w tablicach.

Warto

ść

ta mo

ż

emy przedstawi

ć

jako procent nasycenia (X) (równanie poni

ż

ej).

X = a • 760 •100 / b• B

gdzie: X – procent nasycenia, %; a – maksymalna zawarto

ść

tlenu rozpuszczonego w

badanej wodzie, mg O

2

/l; b – maksymalna ilo

ść

tlenu (w mg) zawarta w 1 litrze wody

destylowanej o temperaturze badanej wody, potrzebna do nasycenia wody tlenem po

zetkni

ę

ciu si

ę

z wolnym powietrzem przy ci

ś

nieniu 760 mmHg, warto

ść

t

ą

odczytuje si

ę

z

tablic; B – ci

ś

nienie barometryczne w czasie pobierania próbki wody, mmHg.

Je

ż

eli tlen rozpuszczony w wodzie znajduje si

ę

w równowadze z tlenem

wyst

ę

puj

ą

cym w atmosferze, mówimy wtedy o stuprocentowym nasyceniu wody tlenem, je

ś

li

za

ś

przekracza t

ą

warto

ść

(przy danej temperaturze i ci

ś

nieniu) wyst

ę

puje zjawisko

przesycenia wody tlenem (i innymi gazami zawartymi w powietrzu).

Mo

ż

e by

ć

to spowodowane gwałtownym wzrostem temperatury lub spadkiem

ci

ś

nienia.

Ź

ródłem przesycenia wody tlenem mo

ż

e by

ć

tak

ż

e fotosynteza.

W wodzie przesyconej tlenem (gazami) ryby zapadaj

ą

na „chorob

ę

b

ą

belkow

ą

”. Przy

zawarto

ś

ci tlenu w wodzie poni

ż

ej 30% nasycenia (poni

ż

ej 2-3 mg/l) nast

ę

puje

ś

ni

ę

cie ryb i

zaburzenia rozwoju wielu innych organizmów wodnych. W takiej wodzie zachodz

ą

procesy

anaerobowe czemu towarzyszy wydzielanie nieprzyjemnych zapachów.

Samooczyszczanie si

ę

wód powierzchniowych

Samooczyszczanie si

ę

powierzchniowych wód płyn

ą

cych i stoj

ą

cych jest

procesem naturalnym, przebiegaj

ą

cym samorzutnie. Ma ono miejsce wówczas, gdy do

wody zostan

ą

wprowadzone zanieczyszczenia organiczne ulegaj

ą

ce biodegradacji.

W samooczyszczaniu bior

ą

udział zarówno jednostkowe procesy fizyczne,

chemiczne i biologiczne.

Najwa

ż

niejsze to:

•

rozcie

ń

czenie i wymieszanie zanieczyszcze

ń

z wod

ą

odbiornika,

•

sedymentacja zawiesin,

•

adsorpcja zanieczyszcze

ń

,

•

biodegradacja substancji organicznych,

•

reperacja (pobieranie tlenu z powietrza) wód.

Oczyszczanie

ś

cieków

Tlenowy proces osadu czynnego jest najcz

ęś

ciej stosowanym procesem

oczyszczania

ś

cieków i ma za zadanie zmniejszenie st

ęż

enia nieopadaj

ą

cych,

rozpuszczonych i koloidalnych zwi

ą

zków organicznych.

Mikroorganizmy, głównie bakterie, przetwarzaj

ą

zwi

ą

zki organiczne do ko

ń

cowych

produktów gazowych i wody. W wyniku tego procesu nast

ę

puje przyrost masy

mikroorganizmów w ilo

ś

ci 10-80% w stosunku do dopływaj

ą

cego ładunku BZT

5

.

Aby proces biologicznego rozkładu zwi

ą

zków organicznych nast

ą

pił, trzeba do

układu dostarczy

ć

tlen, który jest niezb

ę

dny mikroorganizmom do

ż

ycia.

Wprowadzanie tlenu do wody i

ś

cieków

Napowietrzanie wody lub

ś

cieków spełnia wielorakie funkcje np.:

•

zapewnia ci

ą

głe dostarczanie tlenu do zbiornika/komory i utrzymanie w

niej warunków tlenowych

•

mieszanie zawarto

ś

ci np. komory napowietrzania i utrzymanie kłaczków

osadu czynnego w stanie zawieszonym

•

usuwanie

ż

elaza i manganu z wody.

Napowietrzanie powinno by

ć

odpowiednio intensywne, a koszt napowietrzania

stanowi główn

ą

pozycj

ę

w kosztach np. eksploatacji oczyszczalni

ś

cieków i z tego wzgl

ę

du

poszukuje si

ę

sposobów napowietrzania o du

ż

ej skuteczno

ś

ci i jednocze

ś

nie najta

ń

szych.

Do porównania i oceny ró

ż

nych typów i konstrukcji urz

ą

dze

ń

, słu

żą

cych do

wprowadzenia powietrza (i tym samym tlenu) do zbiorników/komór stosuje si

ę

m. in.

pomiar „zdolno

ś

ci wprowadzania tlenu do cieczy”. Poniewa

ż

polska nazwa jest długa i

niezr

ę

czna, najcz

ęś

ciej parametr ten okre

ś

la si

ę

skrótem OC (z ang. oxygenation capacity).

Wyra

ż

a si

ę

go w kilogramach tlenu na godzin

ę

[kg O

2

/h].

Poza warto

ś

ci

ą

OC istotny jest koszt energetyczny wprowadzenia do cieczy

jednego kilograma tlenu (wska

ź

nik ekonomicznej efektywno

ś

ci natleniania). Zasada

pracy urz

ą

dzenia natleniaj

ą

cego sprowadza si

ę

m. in. do stworzenia mo

ż

liwo

ś

ci rozwini

ę

cia

powierzchni granicznej faz.

Mo

ż

na to uzyska

ć

dwoma drogami:

•

przepuszczaj

ą

c powietrze rozdrobnione na mo

ż

liwie małe p

ę

cherzyki przez

wod

ę

, która w tym przypadku jest faz

ą

ci

ą

gł

ą

•

rozdrabniaj

ą

c wod

ę

na małe kropelki i przepuszczaj

ą

c je przez warstw

ę

powietrza, stanowi

ą

c

ą

faz

ę

ci

ą

gł

ą

.

Techniczne sposoby napowietrzania sprowadzaj

ą

si

ę

do:

•

wtłaczania p

ę

cherzyków powietrza w przydenn

ą

stref

ę

zbiornika/komory

poprzez: rury perforowane, rury zanurzone otwartym ko

ń

cem w cieczy

•

intensywnego mieszania powierzchni cieczy z wyrzucaniem kropelek

ponad powierzchni

ę

np. szczotki Kessenera, aeratory turbinowe.

Wraz ze wzrostem wymiarów p

ę

cherzyków powietrza ilo

ść

dostarczanego tlenu

maleje i gorsze jest jego wykorzystanie.

Urz

ą

dzenia wprowadzaj

ą

ce tlen do cieczy na ogół umieszcza si

ę

przy dnie komory,

aby droga p

ę

cherzyków powietrza w cieczy była jak najdłu

ż

sza.

Powoduje to jednak potrzeb

ę

wtłaczania powietrza pod znacznym ci

ś

nieniem.

STR

Ą

CANIE CHEMICZNE

Str

ą

canie polega na usuni

ę

ciu z wody (

ś

cieków) zwi

ą

zków w postaci osadów trudno

rozpuszczalnych.

Wytr

ą

cone osady usuwa si

ę

z wody w procesach sedymentacji i filtracji.

W przypadku osadów trudno rozpuszczalnych du

ż

e znaczenie praktyczne ma stała

równowagi rozpuszczania osadów, opisywana te

ż

iloczynem rozpuszczalno

ś

ci.

Iloczyn rozpuszczalno

ś

ci okre

ś

la si

ę

jako iloczyn st

ęż

e

ń

jonów tej substancji w

roztworze pozostaj

ą

cym w równowadze z osadem.

Osady powstaj

ą

ce podczas str

ą

cania mo

ż

na podzieli

ć

na dwie grupy:

osady krystaliczne, charakteryzuj

ą

ce si

ę

uporz

ą

dkowan

ą

budow

ą

krystaliczn

ą

,

np. Ba SO

4

osady koloidalne, w

ś

ród nich wyró

ż

niamy serowate, np. AgCl i galaretowate,

np. Fe(OH)

3

Osady krystaliczne po wytraceniu wzrastaja do rozmiarów wła

ś

ciwych kryształów.

Mog

ą

by

ć

zanieczyszczone znajduj

ą

cymi si

ę

w roztworze obcymi jonami w wyniku

adsorpcji, okluzji lub tworzenia kryształów mieszanych.

Osady koloidalne charakteryzuje tworzenie aglomeratów cz

ą

steczek substancji

trudno rozpuszczalnej, które s

ą

obdarzone jednoimiennymi ładunkami elektrycznymi.

Odpychaj

ą

si

ę

one wzajemnie, tworz

ą

c zol.

Po dodaniu odpowiedniego elektrolitu ładunki te zostaj

ą

zoboj

ę

tnione i nast

ę

puje

przemiana zolu w

ż

el (koagulacja).

Osady koloidalne maj

ą

bardzo rozbudowan

ą

powierzchni

ę

i wykazuj

ą

du

żą

zdolno

ść

adsorbowania na swej powierzchni innych jonów obecnych w roztworze.

Powoduje to ich znacznie wi

ę

ksze zanieczyszczenie ni

ż

w przypadku osadów krystalicznych.

Starzenie si

ę

osadu polega na przechodzeniu drobnokrystalicznego osadu w osad o

wi

ę

kszych kryształach podczas dłu

ż

szego pozostawania osadu w styczno

ś

ci z roztworem

macierzystym.

Powstaj

ą

ce

du

ż

e

kryształy

s

ą

znacznie

mniej

zanieczyszczone,

gdy

ż

prawdopodobie

ń

stwo wbudowania obcego jonu do sieci krystalicznej jest mniejsze ni

ż

dla

małych kryształków.

Postr

ą

canie polega na powolnym str

ą

caniu si

ę

na otrzymanym osadzie osadu

innego jonu, który w zasadzie powinien pozosta

ć

w roztworze.

Współstr

ą

cenie to sytuacja maj

ą

ca miejsce, gdy osad podczas str

ą

cania zatrzymuje

jony, które powinny pozosta

ć

w roztworze. Jest to wynik ró

ż

nych procesów: adsorpcji

powierzchniowej i i tworzenia kryształów mieszanych.

KOAGULACJA I FLOKULACJA

Koagulacja w in

ż

ynierii

ś

rodowiska jest to proces wykorzystywany do usuwania

koloidów oraz zawiesin trudno opadaj

ą

cych z:

uzdatnianej wody,

oczyszczanych

ś

cieków

aerozoli ze strumienia gazów odlotowych.

Istot

ą

procesu jest zmniejszenie stopnia dyspersji układu koloidalnego w

wyniku ł

ą

czenia si

ę

pojedynczych cz

ą

stek fazy rozproszonej w wi

ę

ksze skupiska

(aglomeraty),

które

nast

ę

pnie

mog

ą

by

ć

skutecznie

usuwane

w

procesach

sedymentacji/flotacji i filtracji.

W wyniku koagulacji z wody usuwane s

ą

cz

ą

stki trudno opadaj

ą

ce oraz

koloidalne decyduj

ą

ce o m

ę

tno

ś

ci wody lub intensywno

ś

ci jej barwy.

Usuwane s

ą

te

ż

zasocjowane z nimi inne zanieczyszczenia w tym te

ż

mikrozanieczyszczenia.

Obserwuje si

ę

wi

ę

c te

ż

usuwanie:

wska

ź

ników zanienieczyszczenia organicznego,

prekursorów ubocznych produktów dezynfekcji i utleniania chemicznego.

W

ś

ród koloidów powoduj

ą

cych m

ę

tno

ść

dominuj

ą

:

koloidy hydrofobowe (cz

ą

stki zawiesin nieorganicznych i bezwodne tlenki metali),

za

ś

w

ś

ród decyduj

ą

cych o intensywno

ś

ci barwy

koloidy hydrofilowe (cz

ą

stki organiczne zawieszone,

ż

ywe i martwe mikroorganizmy

oraz uwodnione tlenki metali).

Coraz cz

ęś

ciej z wód usuwane s

ą

koloidy pochodzenia antropogenicznego –

wprowadzane wraz ze

ś

ciekami (skrobia, białka, celuloza, barwniki organiczne itp.).

Koagulacja polega na przej

ś

ciu pseudo-roztworu koloidowego zwanego zolem w

ż

el.

Faz

ę

rozproszon

ą

stanowi

ą

cz

ą

stki o wymiarach 10

7-

do 2*10

5-

cm.

Siłami stabilizuj

ą

cymi s

ą

przede wszystkim siły elektrostatyczne odpychania

si

ę

cz

ą

stek jedno-imiennie naładowanych.

Cz

ą

stki koloidowe maj

ą

jednoimienne ładunki pochodz

ą

ce b

ą

d

ź

z adsorpcji jonów

elektrolitów znajduj

ą

cych si

ę

w

ś

rodowisku dyspersyjnym, b

ą

d

ź

te

ż

s

ą

wynikiem własnej

dysocjacji elektrolitycznej.

Cz

ą

stka koloidowa jest tym bardziej stabilna, im ma mniejsze rozmiary i

wi

ę

kszy ładunek.

Cz

ą

stki koloidowe w zale

ż

no

ś

ci od zdolno

ś

ci adsorbowania na sobie cz

ą

stek

rozpuszczalnika dzielimy na

liofilowe (ulegaj

ą

one solwatacji)

liofobowe.

Ładunek elektryczny koloidów jest m.in. wynikiem selektywnej adsorpcji jonów z

otaczaj

ą

cego roztworu na powierzchni cz

ą

stki.

Najlepiej adsorbuj

ą

si

ę

jony wchodz

ą

ce w skład struktury cz

ą

stki koloidowej.

Dzi

ę

ki selektywnej adsorpcji cz

ą

stka uzyskuje ładunek dodatni lub ujemny.

Koagulacji zolu sprzyjaj

ą

:

zwi

ę

kszenie st

ęż

enia elektrolitów w roztworze

dodatek koloidu o przeciwnym znaku.

Koagulacja pod wpływem dodanego elektrolitu polega na zwi

ę

kszeniu liczby

jonów o znaku przeciwnym ni

ż

ładunek cz

ą

stki koloidowej.

Zewn

ę

trzna warstwa tej cz

ą

stki posiada podwójn

ą

warstw

ę

elektryczn

ą

:

I – sz

ą

stanowi warstewka jonów zaadsorbowanych,

II -g

ą

stanowi warstwa jonów przeciwnego znaku znajduj

ą

ca si

ę

w pewnej odległo

ś

ci

wraz z odpowiedni

ą

ilo

ś

ci

ą

cz

ą

stek wody.

Zdolno

ść

koagulacyjna jonów zale

ż

y od wielko

ś

ci ładunku.

W procesie koagulacji stosowanej do oczyszczania wód naturalnych mamy do

czynienia z układem, w którym woda jako czynnik dysperguj

ą

cy oraz dwa rodzaje

koloidów:

nadaj

ą

ce wodzie m

ę

tno

ść

i zabarwienie (maj

ą

ładunek ujemny)

powstaj

ą

ce podczas dodawania koagulanta (wodorotlenki Fe i Al, powstaj

ą

ce po

dodaniu soli tych metali maj

ą

ładunek dodatni).

Ujemnie

naładowane

koloidy

mog

ą

by

ć

destabilizowane

dodatnio

naładowanymi wodorotlenkami koagulantów i wytr

ą

caj

ą

si

ę

w postaci kłaczków.

Do najcz

ęś

ciej stosowanych koagulantów nale

żą

: Al

2

(SO

4

)

3

*18 H

2

O, polimeryczny

AlCl

3

- PAC, FeSO

4

*7 H2O, FeCl

3

*6 H

2

O - PIX, Na

2

Al

2

O

4

Koagulacja siarczanem glinowym

I. hydroliza: Al

2

(SO

4

)

3

+ 6 H

2

O

⇒

2 Al(OH)

3

+ 3 H

2

SO

4

II. reakcja wtórna: 3 H

2

SO

4

+ 3 Ca(Mg) (HCO

3

)

2

⇒

3 (Mg)CaSO

4

+ 6 CO

2

+ 6 H

2

O

W

ś

rodowisku o okre

ś

lonym pH wodorotlenek glinowy ma ładunek dodatni,

przy czym powstaj

ą

cy koloidowy wodorotlenek wypada z roztworu w postaci kłaczkowatego

osadu uwodnionego tlenku.

Osad ten dzi

ę

ki du

ż

ej powierzchni adsorpcyjnej sorbuje naturalne zawiesiny

koloidów, które nast

ę

pnie usuni

ę

te b

ę

d

ą

z wody w osadnikach, a potem na filtrach.

Wyniki koagulacji zale

żą

od:

st

ęż

enia koagulantu (20-100 mg/l wody),

temperatury (około 100C),

pH (optymalne pH dla substancji humusowych 4,0-6,0 a nawet do 7,5, za

ś

dla

nieorganicznych 5,0-7,0 zale

ż

nie od twardo

ś

ci wody),

dobrego wymieszania koagulantu z wod

ą

,

rodzaju zawiesiny.

Warto

ś

ci pH = 8 i wy

ż

sze s

ą

mniej korzystne poniewa

ż

w tych warunkach tworz

ą

si

ę

gliniany.

Wad

ą

tej metody jest zmiana twardo

ś

ci w

ę

glanowej na stał

ą

, a jednocze

ś

nie

zwi

ę

ksza si

ę

w wodzie zawarto

ść

agresywnego CO

2

.

Najmniejsz

ą

rozpuszczalno

ść

wodorotlenek glinowy ma przy pH w zakresie 6,5 - 7,5.

Koagulacja za pomoc

ą

glinianu sodowego

Daje on osad wodorotlenku w wyniku hydrolizy w roztworach wodnych oraz w

reakcjach z solami wapnia, magnezu i wolnym dwutlenkiem w

ę

gla.

Na

2

Al

2

O

4

+ 4 H

2

O

⇒

2 Al(OH)

3

+ 2 NaOH

Na

2

Al

2

O

4

+ Ca(HCO

3

)

2

+ 2 H

2

O

⇒

CaCO

3

+ Na

2

CO

3

+ 2 Al(OH)

3

Na

2

Al

2

O

4

+ MgSO

4

+ 4H

2

O

⇒

Mg(OH)

2

+ 2 Al(OH)

3

+ Na

2

SO

4

Na

2

Al

2

O

4

+ CO

2

+ 3 H

2

O

⇒

2 Al(OH)

3

+ Na

2

CO

3

Mo

ż

e by

ć

u

ż

yty w ni

ż

szej temperaturze, wi

ąż

e krzemionk

ę

oraz sole magnezu, lecz

jest do

ść

drogi.

Na

2

Al

2

O

4

+ 4SiO

2

⇒

2 NaAl(SiO

3

)

2

2 NaAl(SiO

3

)

2

+ MgSO

4

⇒

MgAl

2

(SiO

3

)

4

+ Na

2

SO

4

Koagulacja siarczanem

ż

elazawym

FeSO

4

+ 2H

2

O

⇒

Fe(OH)

2

+ H

2

SO

4

Tworz

ą

cy si

ę

kwas reaguje z wodorow

ę

glanami wapnia i magnezu. Powstaj

ą

cy

Fe(OH)

2

ma do

ść

du

żą

rozpuszczalno

ść

, lecz pod wpływem tlenu rozpuszczonego w

uzdatnianej wodzie utlenia si

ę

do Fe(OH)

3

, który wypada w postaci kłaczków:

2 Fe(OH)

2

+ 0,5 O

2

+ H

2

O

⇒

2 Fe(OH)

3

; (2Fe(OH)

3

⇒

Fe

2

O

3

*3H

2

O)

Zwi

ą

zki

ż

elaza(III) ulegaj

ą

hydrolizie, z tym

ż

e koaguluj

ą

w szerszym zakresie pH: 4,5

do 9,0 (optymalne = 6,5), a siarczan

ż

elaza(II) przy pH ok. 8,2. Konieczna jest korekta

wapnem dla usprawnienia przebiegu koagulacji.

FeSO

4

+ Ca(HCO

3

)

2

⇒

Fe(HCO

3

)

2

+ CaSO

4

Fe(HCO

3

)

2

+ 2 Ca(OH)

2

⇒

Fe(OH)

2

+ 2 CaCO

3

+ 2 H

2

O

FeSO

4

+ Ca(OH)

2

⇒

Fe(OH)

2

+ CaSO

4

Dodatek wapna przy

ś

piesza samoistny rozkład wodorow

ę

glanu

ż

elaza(II):

Fe(HCO

3

)

2

⇒

Fe(OH)

2

+ 2 CO

2

Wapno nadaje po

żą

dan

ą

zasadowo

ść

(pH). Najlepsze wyniki daje koagulacja z

udziałem chloru, który utlenia

ż

elazo.

Koagulacja solami Fe ma t

ę

wy

ż

szo

ść

nad koagulacj

ą

siarczanem glinu,

ż

e osad

Fe(OH)

3

jest 1,5 razy ci

ęż

szy od Al(OH)

3

i szybciej opada, jest mniej wra

ż

liwy na wy

ż

sz

ą

zasadowo

ść

(nie tworz

ą

si

ę

ż

elaziany).

Ma natomiast pewne wady:

wi

ę

ksza zawarto

ść

Fe w wodzie,

u

ż

ywaj

ą

c FeCl

3

nast

ę

puje znaczny spadek pH (10% roztwór w wodzie ma

kwasowo

ść

zbli

ż

on

ą

do 0,1 N HCl).

Czasem stosuje si

ę

mieszane koagulanty (siarczan glinowy i chlorek

ż

elazowy).

Celem przy

ś

pieszenia koagulacji oraz zwi

ę

kszenia kłaczków stosuje si

ę

polielektrolity.

S

ą

to naturalne lub syntetyczne wielkocz

ą

steczkowe substancje organiczne lub

nieorganiczne, które aktywuj

ą

koagulacj

ę

oraz flokulacj

ę

, czyli narastanie kłaczków.

Nale

ż

y do nich m.in. aktywowana krzemionka.

Mechanizm ich działania nie jest dobrze poznany, natomiast efekty s

ą

du

ż

e:

przy

ś

pieszaj

ą

powstawanie g

ę

stych i du

ż

ych kłaczków,

skracaj

ą

proces flokulacji,

umo

ż

liwiaj

ą

przebieg procesu w niskich temp.,

zmniejszaj

ą

zu

ż

ycie flokulantu,

ułatwiaj

ą

opadanie osadu.

Stosowane dawki polielektrolitów s

ą

bardzo małe - rz

ę

du 0,5 do 10 mg/l.

Przebieg procesu koagulacji i stosowane urz

ą

dzenia

Rodzaj urz

ą

dze

ń

do prowadzenia koagulacji zale

ż

y od warunków, w jakich ona

przebiega, oraz od rodzaju wody.

Proces koagulacji i flokulacji obejmuje:

przygotowanie roztworu koagulantu i jego dawkowanie

szybkie wymieszanie roztworu koagulantu z uzdatnian

ą

wod

ą

reakcja koagulantu ze składnikami wody

tworzenie si

ę

i wzrost kłaczków oraz ich opadanie.

Proces ten przebiega w dwóch etapach:

wymieszanie roztworu koagulantu z wod

ą

w ci

ą

gu kilku minut i zaj

ś

cie reakcji

chemicznej

powolne mieszanie trwaj

ą

ce 15 do 30 minut, wtedy zachodzi proces flokulacji, a

na powstaj

ą

cych kłaczkach nast

ę

puje adsorpcja zanieczyszcze

ń

i opadanie osadu.

Dawkowanie roztworu koagulantu mo

ż

e nast

ę

powa

ć

bezpo

ś

rednio do

przewodów wlotowych doprowadzaj

ą

cych wod

ę

surow

ą

do filtrów

ż

wirowych.

Koagulacja ma wtedy charakter kontaktowy. Ustalona uprzednio dawka koagulantu

nie ulega zmianie w razie waha

ń

temperatury i jest na ogół ni

ż

sza (1,5 - 3-krotnie) ni

ż

w

metodach klasycznych (stosowana do wód surowych zawieraj

ą

cych mało koloidów).

Zwykła, powolna koagulacja jest stosowana do wód zanieczyszczonych du

ż

ymi

ilo

ś

ciami koloidów, nosi ona nazw

ę

obj

ę

to

ś

ciowej i wymaga specjalnych urz

ą

dze

ń

:

do przygotowania i dawkowania koagulantów,

do mieszania koagulantu z uzdatnian

ą

wod

ą

,

dla procesu flokulacji,

osadzania osadu,

filtru po

ś

piesznego.

Koagulanty w roztworze przygotowuje si

ę

w zbiorniku zarobowym a dalej w

zbiorniku roboczym. Najcz

ęś

ciej przygotowuje si

ę

roztwór o st

ęż

eniu 5 do 10%.

Roztwór ten przepływa nast

ę

pnie do dawkownika.

Jony u

ż

ywanych koagulantów ulegaj

ą

w wodzie reakcji protolitycznej, prowadz

ą

cej do

obni

ż

enia pH a warunki koagulacji wymagaj

ą

podwy

ż

szonego pH - konieczne jest wi

ę

c

wprowadzanie wapna.

Urz

ą

dzenia do przygotowania wody wapiennej lub mleka wapiennego i ich

dawkowania to dawkowniki stałe. S

ą

to zbiorniki, do których doprowadza si

ę

koagulanty z

których wypływaj

ą

odpowiednio wyregulowanym zaworem.

Dawkowniki proporcjonalne maj

ą

automatyczne urz

ą

dzenia do zmiany dawkowania

w zale

ż

no

ś

ci od zmiennego przepływu wody.

Do dawkowania substancji sypkich stosuje si

ę

: dawkowniki g

ą

siennicowe,

tarczowe i inne.

Stałe koagulanty:

nie mog

ą

powodowa

ć

korozji urz

ą

dze

ń

,

nie mog

ą

zbryla

ć

si

ę

,

musz

ą

mie

ć

jednolity skład chemiczny w całej masie i

musz

ą

mie

ć

jednorodne uziarnienie,

musz

ą

by

ć

odporne na zmiany temperatury (np. siarczan glinu).

Mieszanie wody z koagulantem musi by

ć

intensywne i krótkotrwałe.

Mieszalniki dziel

ą

si

ę

na:

z burzliwym przepływem tzw. mijakowe

z mechanicznym mieszaniem.

Wła

ś

ciwy proces koagulacji obejmuje:

tworzenie si

ę

kłaczków

ich wzrost

ich sedymentacj

ę

.

Proces flokulacji trwa 15 - 30 minut i zale

ż

y od:

optymalnej dawki koagulantu,

temperatury,

intensywno

ś

ci mieszania - jego tempo musi by

ć

tak dobrane, aby nie rozbija

ć

powstaj

ą

cych aglomeratów i zapobiega

ć

ich szybkiemu opadaniu.

Zale

ż

nie od sposobu mieszania rozró

ż

nia si

ę

:

komory reakcji z przegrodami,

komory reakcji z mieszadłami mechanicznymi.

Szybko

ść

przepływu wody 0,2 do 0,3 m/s, czas przebywania wody poddawanej

flokulacji wynosi od 15 do 30 minut.

Po koagulacji i flokulacji wod

ę

odprowadza si

ę

do osadników.

Koagulacja kontaktowa w odró

ż

nieniu od obj

ę

to

ś

ciowej, jest procesem

powierzchniowym, zachodz

ą

cym na powierzchni zło

ż

a filtrów kontaktowych.

Filtr kontaktowy podobny jest do filtru po

ś

piesznego otwartego. Woda wraz z

koagulantem dodanym bezpo

ś

rednio przed filtrem wpływa od dołu z pr

ę

dko

ś

ci

ą

5-6m/h,

str

ą

canie i wzrost kłaczków nast

ę

puje wewn

ą

trz zło

ż

a na powierzchni ziaren piasku.

Koagulacja kontaktowa góruje nad obj

ę

to

ś

ciow

ą

dzi

ę

ki:

wi

ę

kszej szybko

ś

ci procesu,

mniejszym ilo

ś

ciom zu

ż

ytego koagulantu,

niewra

ż

liwo

ś

ci na zmiany temperatury

prostocie urz

ą

dze

ń

,

za

ś

wad

ą

jest niska wydajno

ść

procesu.

Koagulacja elektrolityczna polega na wykorzystaniu procesów elektrolitycznych,

które zachodz

ą

mi

ę

dzy elektrodami z

ż

elaza lub glinu.

Z płyt podł

ą

czonych do bieguna dodatniego przechodz

ą

do roztworu kationy Fe

3+

lub

Al

3+

, które w przestrzeni anodowej tworz

ą

wodorotlenki tych metali, b

ę

d

ą

ce koagulantami.

Metoda ta wymaga znacznych ilo

ś

ci energii elektrycznej.

Zalet

ą

tej metody jest

szybkie powstawanie i osadzanie si

ę

kłaczków

mała zale

ż

no

ść

procesu od waha

ń

pH wody

prostota urz

ą

dze

ń

.

Sprawno

ść

procesu zale

ż

y od wielko

ś

ci powierzchni elektrod.

Akcelatory, precypitatory i pulsatory s

ą

to urz

ą

dzenia, w których mo

ż

e zachodzi

ć

proces koagulacji ł

ą

cznie z klarowaniem.

W procesie tym usuwane s

ą

:

zanieczyszczenia organiczne i nieorganiczne o rozdrobnieniu koloidalnym

zawiesiny,

tak

ż

e cz

ęś

ciowo substancje rozpuszczone.

Efektem skutecznej koagulacji jest:

zmniejszenie m

ę

tno

ś

ci,

zmniejszenie intensywno

ś

ci barwy,

obni

ż

enie wska

ź

ników zanieczyszczenia organicznego, w tym prekursorów ubocznych

produktów dezynfekcji i utleniania chemicznego.

Koagulacj

ę

w odnowie wody stosuje si

ę

w celu zmniejszenia:

m

ę

tno

ś

ci

zawarto

ś

ci zwi

ą

zków fosforowych,

zwi

ą

zków organicznych mierzonych wska

ź

nikami: ChZT, BZT, OWO.