Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki 16.05.2013r.

SOWiG, VI semestr

Sprawozdanie z przedmiotu OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW

„Usuwanie azotu amonowego metodą wymiany jonowej”

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie skuteczności procesu wymiany jonowej prowadzonego w dwóch kolumnach wypełnionych klasycznym kationitom wodorowym i klinoptylolitem pracujących w układzie równoległym do usuwania azotu amonowego ze ścieków oraz ustalenie parametrów procesu. Zakres badań obejmuje:

• analizę składu ścieków surowych;

• badania przebiegu procesu wymiany jonowej;

• określenie efektywności usuwania azotu amonowego;

• wyznaczenie kolumny preferowanej do usuwania azotu amonowego ze ścieków.

1. Część doświadczalna

   1. Analiza ścieków surowych

W badanych ściekach surowych należy:

• oznaczyć zawartość azotu amonowego metodą bezpośredniej nessleryzacji;

• zmierzyć wartość pH;

• oznaczyć wartość twardości ogólnej metodą wersenianową.

  1. Oznaczanie azotu amonowego metodą bezpośredniej nessleryzacji

Do cylindra Nesslera odmierzyć 1cm³ ścieków, dodać do około połowy cylindra wody destylowanej. Następnie wprowadzić 1cm³ winianu sodowo potasowego i 1cm³ odczynnika Nesslera. Wymieszać, odczekać i po około 10 minutach porównać ze skalą wzorców stałych. Stężenie amoniaku obliczyć wg. wzoru:

$$X = \frac{a \bullet 1000}{V}\ \lbrack mg/\text{dm}^{3}\rbrack$$

gdzie: a- ilość azotu amonowego w próbce, określona przez porównanie ze skalą
wzorców;
V- objętość próbki ścieków użyta do oznaczenia.

1. Oznaczanie twardości ogólnej metodą wersenianową

Do kolby stożkowej odmierzyć 50cm³ ścieków, dodać 1cm³ buforu amonowego i szczyptę czerni eriochromowej. Miareczkować próbę 0,05n wersenianem sodu do zmiany zabarwienia z czerwono fioletowego na niebieskie. Należy pamiętać o energicznym mieszaniu zawartości kolby, zwłaszcza pod koniec miareczkowania. Twardość ogólną obliczyć ze wzoru:

$$T_{\text{og}} = \frac{a \bullet n \bullet 1000}{V}\ \lbrack mval/\text{dm}^{3}\rbrack$$

gdzie: a- objętość zużytego do miareczkowania próbki wersenianiu sodu [cm³];
n- stężenie normalne wersenianiu sodu, n=0,05n;
V- objętość próbki ścieków użyta do oznaczenia [cm³].

1. Przeprowadzenie procesu wymiany jonowej

W celu usunięcia azotu amonowego ścieki surowe skierować na dwie kolumny jonitowe (kolumnę wypełnioną kationitom klasycznym wodorowym oraz klinoptylolitem) pracujące równolegle. Pierwszą partię filtratu odrzucić (ok.200ml). Po odrzuceniu pierwszej partii filtratu pobierać próby do analizy co 20 minut z każdej kolumny jonitowej osobno. W pobranych próbach wykonać analizy jak w ściekach surowych. Należy mierzyć ilość filtratu wypływającego z kolumn w czasie.

1. Wyniki

Przykładowe obliczenia dla ścieków surowych:

• stężenie azotu amonowego

ilość azotu amonowego w próbce- 0,003 mg

$$X = \frac{0,003 \bullet 1000}{1} = 13\ mg/\text{dm}^{3}$$

• oznaczenie twardości ogólnej

objętość zużytego wersenianiu sodu- 9,3 cm³

$$T_{\text{og}} = \frac{9,3 \bullet 0,05 \bullet 1000}{50} = 9,3\ mval/\text{dm}^{3}$$

W identyczny sposób obliczano stężenia azotu amonowego i twardość ogólną dla ścieków poddanych procesowi wymiany jonowej.

Tab.1 Uzyskane wyniki badań

	Ścieki surowe	Ścieki oczyszczone (kationit wodorowy)	Ścieki oczyszczone (klinoptylolit)
		20 min	40 min
Stężenie NH4 [mg/dm^3]	13	3	3
Twardość ogólna [mval/dm^3]	9,3	1,6	1,2
pH	7,58	3,6	3,57
Objętość filtratu [cm^3]	-	126	125

Rys.1. Wykres obrazujący zależność stężenia azotu amonowego od czasu w zależności od rodzaju kationitu

Rys.2. Wykres obrazujący zależność twardości ogólnej od czasu w zależności od rodzaju kationitu

Rys.3. Wykres obrazujący zależność pH od czasu w zależności od rodzaju kationitu

Rys.4. Wykres obrazujący zależność objętości filtratu od czasu w zależności od rodzaju kationitu

Obliczenie średniego natężenia przepływu dla kationitu wodorowego:

$$\frac{126 + 125 + 120 + 130}{4} = 125,25ml$$

$$\frac{125,25\ ml}{20\ min} \approx 6,3\ ml/min$$

Obliczenie średniego natężenia przepływu dla klinoptylolitu:

$$\frac{166 + 156 + 150 + 164}{4} = 159\ ml$$

$$\frac{159\ ml}{20\ min} \approx 7,9\ ml/min$$

1. Wnioski

Na podstawie rysunku 1 obrazującego zależność stężenia azotu amonowego od czasu możemy stwierdzić, że efektywność usunięcia azotu amonowego dla obu rodzajów- zarówno kationitu wodorowego jak i klinoptylolitu- była taka sama. W obu przypadkach bowiem, stężenie NH₄ wyniosło 3 mg/dm³. W porównaniu do ścieków surowych zawierających 13 mg/dm³ azotu amonowego jest to jednak znacznie mniej, dlatego też można uznać, że proces usunięcia zanieczyszczenia ze ścieków przebiegł efektywnie.

Na podstawie rysunku 2 obrazującego zależność twardości ogólnej od czasu możemy stwierdzić, że znacznie lepiej usunął ją klasyczny kationit wodorowy. W ściekach surowych twardość ta została oznaczona na poziomie 9,3 mval/dm³. Po 80 minutach pracy kationitu wodorowego twardość ogólna wyniosła 0,7 mval/dm³, czyli została prawie całkowicie usunięta. W przypadku klinoptylolitu twardość ta po 80 minutach wynosiła 7,4 mval/dm³.

Na podstawie rysunku 3 obrazującego zależność pH od czasu możemy stwierdzić, że pH ścieków po kationicie wodorowym znacznie zmalało w stosunku do ścieków surowych. W ściekach surowych pH wynosiło 7,58 a przy kationicie wodorowym malało wraz ze wzrostem czasu. Ostatni pomiar pH dla kationitu wodorowego zmierzony po 80 minucie jego pracy oscylował w granicach 3,49. pH zmierzone po klinoptylolicie początkowo nie ulegało zmianie w stosunku do ścieków surowych, natomiast wraz ze wzrostem czasu nieznacznie wzrosło.

Na podstawie rysunku 4 obrazującego zależność objętości filtratu od czasu możemy stwierdzić, że w obu przypadkach objętość ta malała wraz ze wzrostem czasu. Co prawda w obu przypadkach po 80 minutach objętość ta wzrosła w stosunku do poprzedniego oznaczenia, jednakże jest to spowodowane błędem ludzkim- odstęp czasowy pomiędzy kolejnymi oznaczeniami powinien wynosić 20 minut, a w tym ostatnim przypadku czas ten wyniósł ok.25 minut. Mógł, więc to być powód zaistniałego błędu.

Nie można jednoznacznie stwierdzić czy lepszy jest kationit wodorowy czy klinoptylolit. Zależy to bowiem od przeznaczenia oczyszczonej wody.
Jeśli chodzi o kationit wodorowy jego pojemność sorpcyjna zostanie wykorzystana szybciej niż klinoptylolitu, gdyż usuwany jest nie tylko azot amonowy, ale również jony Ca²⁺ oraz Mg²⁺. Jest to zatem równoznaczne z usunięciem twardości ogólnej. Jeśli zatem oczyszczona woda miałaby nie posiadać zarówno i azotu amonowego, jak i twardości ogólnej, to dobrym rozwiązaniem byłoby użycie kationitu wodorowego.
Przy użyciu klinoptylolitu twardość ogólna nie zostanie usunięta, natomiast jego pojemność sorpcyjna będzie większa. Co więcej oczyszczona woda nie będzie musiała być poddawana kolejnym procesom (np. neutralizacji), ponieważ jej odczyn będzie wynosił koło 8. Przy klasycznym kationicie wodorowym pH jest niskie i dlatego też woda musiałaby być poddana kolejnym procesom.