Właściwości wody jako związku chemicznego.

Budowa cząstki jest nieliniowa. 3 jądra atomów tworzą trójkąt równoramienny z dwoma atomami wodoru (protonami) w podstawie i tlenu (elektron) w wierzchołku. Kąt pomiędzy atomami wodoru wynosi 104,3^o.

Moment dipolowy cząsteczki wody:

(ni)=e*l=6,1332*10^-30[Cm] kulombometrów; [e]ilość ładunku w Kolumbach; [l]odległość między atomami w metrach

Stała elektryczna (prawo Columba) $F = \frac{e1e2}{r^{2}}\text{\ \ }F = \frac{e1e2}{\varepsilon r^{2}}$ F-siła działająca między ładunkami e1 i e2 znajdujących się w odległości r; ε-stała dielektryczna (epsilon)

Wartości dla różnych środowisk:

-woda-Ɛ=81

-alkohol etylowy Ɛ=25

-powietrze Ɛ=1,000534

-próżnia Ɛ=1

Dipolowy charakter cząsteczek oraz możliwość występowania wiązań wodorowych umożliwia polimeryzację cząsteczek wody, czyli łączenie się pojedynczych cząsteczek w wielocząsteczkowe asejaty.

H-O….H

| |

H….O-H

Utworzenie wiązań wodorowych w dwóch cząsteczkach wody.

Asocjacja cząsteczek wody na skutek występowania wiązań wodorowych 2(H₂O)₃3(H₂O)₂6(H₂O)

Dysocjacja : H₂OH⁺+OH^-

Reakcja jonu: H⁺+H₂O-> H₃O⁺-jon hydronowy

Ulega hydratacji przyłączając 4 cząsteczki wody.

Stała równowagi reakcji dysocjacji:

1 stała równowagi(K)

$K = \frac{\left\lbrack H + \right\rbrack\lbrack\text{OH} - \rbrack}{\lbrack H2O\rbrack}\ K = \frac{\left\lbrack H3O \right\rbrack\lbrack\text{OH} - \rbrack}{\lbrack H2O\rbrack}$ []-stężenie mol/dm³; K-zależy od temperatury K=1,8*10^-16

2 iloczyn jonowy wody(Kw)

Kw=K[H₂O]=[H⁺][OH^-]=[ H₃O][ OH^-] Kw=10^-14

Woda posiada właściwości amfoteryczne jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem związków jonowych(większość soli nieorganicznych). Ponadto silnie rozprasza (dysperguje) wiele związków nierozpuszczalnych w wodzie np. substancji koloidalnych.

Substancje w wodzie naturalnej:

-rozpuszczone

-zawiesiny

-rozproszona w formie koloidów

Woda krążąc w przyrodzie rozpuszcza ogromne ilości ciał stałych, ciekłych i gazowych.

Odgrywa doniosłą rolę jako czynnik:

-lądotwórczy np. powoduje erozje

-regulujący zmiany klimatyczne

-chemiczny uczestniczący w wielu przemianach zachodzących w powłoce ziemskiej i warunkujący powstanie oraz istnienie życia

Woda w organizmie żywym człowieka

Ilość wody:

-97% kilkudniowy embrion

-94% 3 mies. Płód

-70% noworodek

-58-66% u dorosłego

Przeciętny skład ciała człowieka (70kg):

-46,2kg wody

-11,09kg białka

-8,99kg tłuszczu

Utrata wody w organizmie człowieka powoduje

-10% ilość zaburzenia funkcjonalności

-20% śmierć

Bez jedzenia człowiek żyje kilkadziesiąt dni a bez picia kilka, kilkanaście.

Woda jest substancją najbardziej rozpowszechnianą w środowisku naturalnym znajduje się w ciągłym obiegu a jej krążenie powoduje życie na Ziemi. Zjawisko krążenia wpływa także na skład wód naturalnych.

Zasoby wody w przyrodzie:

-oceany, morza 1370*10⁶km³

-woda w ciałach litosfery 606*10⁶km³

-wody śródlądowe 23,5*10⁶km³

w tym:

-lodowce i śniegi 23*10³km³

-rzeki i wody gruntowe 250*10³km³

-jeziora 250*10³km³

Ogólna szacowana objętość wody na kuli ziemskiej wynosi ok 2*10²²km³

Woda słodka stanowi 500*10³km³, co stanowi 0,025% objętości całkowitej z czego w dyspozycji znajduje się 20*10²²km³.

Zasoby wody w Polsce 60km³ w skali roku. Zapotrzebowanie całkowite 70km³/rok.

Rodzaje substancji w wodach naturalnych

Substancje obecne w wodach pochodzą z rozpuszczania minerałów ługowania skał i biochemicznego rozkładu substancji organicznych.

Domieszki-skł naturalne

Zanieczyszczenia-pochodzenia antropogenicznego

Wodorowęglany i węglany

Źródłem soli węglanowych są skały:

-wapienne(węglan wapnia CaCo₃; wapień(kamień wapienny)

-magnezytowe(oldamitowe) CaCo₃*MgCO₃(magnezy-oldamit)

Sole dobrze rozpuszczalne:

-wodorowęglany: wapnia Ca(HCO₃)₂; magnezu Mg(HCO₃)₂; sodu i potasu Na HCO₃* HCO₃; żelaza i manganu Fe(HCO₃)₂, Mn(HCO₃)₂

-węglany: sodu Na₂Co₃; żelaza FeCo₃; manganu MnCo₃

Węglany powodują zasadowość wody. Zasadowość zdolność do reagowania z kwasami. W zależności od pH wody:

-pH <8,3 zas. „m”(wobec oranżu metylowego)

-pH> 8,3 zas. „p” (wobec fenoloftaleiny)

Np. reakcje z kwasem

Zas. „m” :

Ca(HCO₃)₂+2HCl->CaCl₂+2H₂O+2Co₂

Mg (HCO₃)₂+2HCl->MgCl₂+2H₂O+2Co₂

Zas. „p”

Na₂CO₃+2HCl->2NaCl+H₂O+2CO₂

Siarczany źródłem siarczanów w wodzie są minerały.

-arhydyt CaSO₄

-gips CaSO₄*2H₂O

-tenardyt NaSO₄

-celestynit SrSO₄

Dobrze zdysocjowana w większym stężeniu (częściej) CaSO₄, Na₂ SO₄, MgSO₄, K₂SO₄ w mniejszych stężeniach śladowych SeSO₄, SrSO₄ (biokatalizatory)

Chlorki z rozpuszczania skał:

-hality NaCl

-sodality Na₈[(AlSiO₄)₆Cl₂]

Z wód opadowych na wybrzeżach morskich i w skutek migracji wód morskich („intruzja” wód słonych)

Dobrze rozpuszczalne: CaCl₂,MgCl₂,NaCl,KCl

Mogą również pochodzić ze ścieków co świadczy i zanieczyszczeniach wód. Towarzyszy temu podwyższona zawartośc związków azotowych i organicznych oraz wzrost liczby bakterii.

Obecność chlorków i siarczkó w ilości powyżej 50(100)mg/l podwyższa agresywny charakter wody w stosunku do żelaza, stali i betonu. Są one dobrze rozpuszczalne w wodzie, powodując przewodnictwo elektorlityczne(zdolność przewodzenia prądu elektrycznego)

Klasyfikacja wg ilości i powszechności występowania:

1 Składniki podstawowe główne: Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺,K⁺,HCO₃^-, SO₄^-,Cl^- Jony wapnia, magnezu, sodu, potasu, wodorowęglany, siarczany, chlorki(ilości od kilkunastu do kilkuset mg/dm3)

2 Składniki podrzędne-makroskładniki: związki azotu – NH₄⁺,NO₂^-,NO₃^- jony amonu, azotynowe, azotanowe. Fe²⁺,Mn²⁺,Al³⁺ jony żelaza(II),manganu(II),glinu(III)

Substancje organiczne ilości od kilkuset μg/dm3 do kilkunastu mg/dm3

3 Substancje śladowe – mikroskładniki: pierwiastki rzadkie śladowe i promieniotwórcze np. Ni, Cu, Zn, Sn, Asm Se,Ag (ilości poniżej kilkuset μg/dm3)

Wapń i magnez (Ca²⁺ i Mg²⁺) Jony wapnia należą do dominujących kationów często towarzyszą im jony magnezu(Ca²⁺ i Mg²⁺=4:1-2:1)

Twardość ogranicza przydatność wody do celów użytkowych, domowych i przemysłowych.

Ca²⁺ i Mg²⁺ w wodzie do picia stanowią niezbędne składniki potrzebne dla organizmu.

Żelazo występuje powszechnie w wodach podziemnych jako sole żelaza(III) Fe- (HCO₃)₂, FeSO₄

Rzadziej w połączeniach organicznych ze związkami humasowymi. Ilości od śl. Lub 0,5-10(40)mg/l. W wodach powierzchniowych jest obecne bardzo rzadkie.

Mangan- występuje zazwyczaj razem z żelazem w podobnych związkach ale w mniejszych ilościach : śl. –kilka mg/dm3 niekiedy w formie silnych kompleksów organicznych. Fe i Mn są niepożądane w wodach użytkowych.

Związki azotu(formy azotu):

-jony amonowe NH₄⁺/NH₃ tzw amoniak

-azotany i azotyny NO₃^-,NO₂^-

-rzadziej w połączeniach organicznych

Obecnosc jonow NH4+ swiadczyc moze o zanieczyszczeniu wody sciekami. ilozci zwiazkow azotu sa male(sladowe ilosci)

KLASYFIKACJA wg Szkodliwosci

I grupa nieeszkodliwe-czesto wystepujace: Na,K,Ca,Mg,N,C,P,Fe,S,cl,Br,F,Li,Sr,Al,S

Ii grup-toksyczne rzadko wystepujace i slabo rozpuszczalne:Ti,Ga,Hf,Zr,Nb,Ta,Re,La,Os,Rh,Ir,Ra,Ba

III grupa-toksyczne czescij wystepujace:Sr,As,Se,Ag,Cd,Hg,Pb,Sb

Przewodosc elektryczna wlasciwa(konduktywnosc) wybranych rodzajow wod:

R=p*L/S , k=1/p, k=k/R,

R-opor przewodnika wody, L-dlugosc grubosc warstwy wody,s-powierzchnia pezekrpju,p-opor wlasciwy przewodnika(o dl 1 cm),k=przewdnosc wlasciwa "kappa" (dl=L),k=stala elektrody promieniowej

pomiaru przewodnosci dokonuje sie konduktorometrem z elektroda platynowa.jego dzialanie polega na zmierzeniu wielkosci oporu elektrycznego R jaki stawia srodowisko i uwzglednieniu stalej naczynka-elektrody k.Przeowdnosc (opor elektryczny) zalezy od ilosci i rodzaju jonow zawartych w wodzie, im wieksze stezenie tym ona wieksza.Jest miara ilosci soli w wodzie.

Stezenie soli:

C=ak, [mg(dm^3)^-1] k=qscm^-1(kappa)-przewodnosc wlasciwa, a[mg(dm^3)^-1/qscm^-1-wspolczynnik,a(ca,Cl2),a(Na,Cl)0.51;a(CaSO4) 0.55

Wartosc 1qs/cm to ok.0.5 mg/dm^3 NaCl ,kappa=qs/cm

Woda do picia z wiekszosci wodociagow ok.500-800 qs/cm

Woda najczesciej ujmowana do uzdatniania;ok.1000 qs/cm, woda morska: ok.5bms/cm, q-mikro, m-mili, s-simens,

Woda chemicznie czysta:(bez soli) 0.015 qs/cm 0°c, 0.055 qs/cm 20°c, 0.062 qs/cm 25°c

Woda destylowana: ok.0,5 qs/cm, woda z gorskich strumieni ok. 1,0 qs/cm

Substancje organiczne pochodzenia naturalnego:

-zwiazki humusowe,wymywane z gleb bagiennych .ich budowa chemiczna jest bardzo zlozona.

-produkty przemiany materii organizmow zywych

-zwiazki pochodzace z rozkladu obumarlych organizmow.

zanieczyszczenia pochodzaenia antropogenicznego:

Metale ciezkie-olow,kadm,chrom,miedz,rtec,cynk sa toksyczne,obecne w wodzie obnizaja jej nakos ich ilosci sa limitowane

Substancje organiczne-odplywow produkcyjnych i niedokladne oczyszczone scieki.Fenole,detergenty,kwasy tluszczowe,

Obecnosc substancji organicznych jest potwierdzona podwyzszeniem wskazmika utleniania i chZT(chemicznego zapotrzebowania na tlen)

Gazy rozpuszczalne w wodach naturalnych

W wodach podziemnych wystepuja: powszechnie:CO2,CH4,; mniej powszechne(male ilosci): H2,H2S,He,Ar,; lokalnie: NH3,SO2,HCl,Hf.

W wodach powierzchniowych wystepuja najczesciej N2,O2,CO2 Dla obu rodzajow wod najwieksze znaczenie posiada dwutlenek wegla. Dwutlenek wegla CO2 wystepuje w formie wodnej uwodnionej CO2aq i jako kwas weglowy H2CO3.obie postacie nie sa zroznicowane analitycznie. H2CO3 bardzo skaby kwas,jego stopien dysocjacji zalezy od pH,dysocjuje dwustopniowo. H2CO3<=>H+ + H2CO3- k1, HCO3<=>H+ + CO3 k2, K1>>k2 dlatego o pH decyduje pierwszy sopien utleniania.

K1=[H+][HCO3^-]\[H2CO3] k1=4.3*10^-7 (25° C)

K1-stala dysocjacji 1 stopnia, [H+]=[H2CO3]\[HCO3^-]

Ph wody naturalnej

{-log[H+]=-log[k1]-log[H2CO3] + log [HCO3^-]} poniewaz pH=-log [H+]

pH=6.52+ log[HCO3^-]- log[CO2]

[HCO3^-] lub [zas] zasadowosc wody mol/dm^3

[CO2] zawartosc dwutlenku wegla mol/dm^3

przemiany form dwutlenku wegla

1.Dodanie kwasu HCO3- + H+ => H2CO3 4.6 < pH<8.3

2.Dodanie zasasy CO2 + OH- => HCO3- 4.6<pH8.3

cO2 +2OH- => CO3^-2 + H2O pH >8.3-13

Zasadowosc i kwasowosc wystepuja jednoczesnie powodujac tzw pojemnosc buforowa:

1.HCO3- + H+= H2CO3 4.6< ph 8.3

pH=6.52+ log[HCO3- - x1]-log[CO2+x1] x1-ilosc dodanego kwasu

2.CO2+ OH-= HCO3- 4.6<pH 8.13

CO2+2OH-=CO3^-2 + H20

Ph=6.52+log[HCO3- + x2]-log[CO2-x2] x2-ilosc dodanej zasady

Formy dwutlenku wegla w zaleznosci od pH wody

Dwutlenek wegla wystepuje przy:pH <4.3 wylaczmie jako wodny CO2, pH 4.3-8.3 w for,ie jonu HCO3- ,pH>8.3 jako jon CO3^2-

Stałosc Ph wod naturalnych po wprowadzeniu pierwszych ilości mocnych kwsaow i zasaad wynika z istnienia układu buforowego H2CO3 –HCO3^-

H^+ + HCO3^h2co3

Oh^- + CO2->HCO3^-

Wybrane wskaźniki jakości wod:

Odczyn(rodzaje wod-ph

Czyste-6.5-8.5

Dolowe z torfowisk 4.6-5.8

Podziemne 6.5-7.5

Z rzeki jezior 6.5-8.5

Morskie 7.5-8.5

Rownowaga weglanowo wapniowa:

CA2(HCO3)2<->CaCO3+H2O+CO2

Ca^2+ +2HCO3^- <-> CaCO3+H2O+CO2

Kiedy:

1,COzw=COzp stan pelnej równowagi(pelna dostarczalnosc-rownowaga dynamiczna)

2.COzw>COzp-stan równowagi przesunietej na strone lewa

COzagr(agresywny)=COzw(wodny)-COzp(przynależny)

COzp- kiedy wystepuje rownowaga może być wyznaczony z zależności: K=[CaCO3][H20][COzp]

[COzp]=44k[HCO3^-]^3 [mg/dm^3]

[HCO3^-]-STEZENIE W MOL/DM^3

Temp °C (20/40/60/80)

K 1/160 2/160 3/160 5/160

Rozpuszczalnosc

Ca(HCO3)2-1.89 G/DM^3 dobrze rozpuszczalne

CaCO3-o.031 g/dm^3 trudno rozpuszczalny

Rownowaga dynamiczna reakcji wystepuje przy pH(tzw pH nasycenia-rownowagi).oddalenie od stanu równowagi mierzy się tzw indeksem nasycenia(Langeliera) Is=ph-phs

Is=0 rownowaga, Is>0 –wydziela się z wody CaCO3-tzw osadowsco. Is<0 woda ma zdolosc rozpuszczania CaCO3-jest agresywna(koracyjna)

pHs=f1(Ca^2+)+f2(HCO3^-)+F3(T,S_t)

f1Ca2^+ funkcja twardosci, f2-HCO3^- funkcja zasadowscoi, f3-T,S_t-funckja temper. I ilości subst rozpuszczonych

Redukcja agresywnego CO2 ze stalym rozpuszczeniem:

COzagr+ CaCO3+H20->Ca(HCO3)2

Marmur rozpuszcza się a układ a układ dazy do ustalenia nowej równowagi.Zwiekszy się zasadowość i ustali się odczyn,stan równowagi phs Wtedy COzw=COzp

Hydroliza-reakcja wody z solami”

-mocnych kwasow i slabych zasad

-slabych kwsaow i mocnych zasad

-slabych kwasow i slabych zasad

Hydrolizie nie ulehaja sole mocnych kwsaow i mocnych zasad i SA silnie zdysocjonowane i występują w formie jonow

Sól+H20->kwas +zasada

1.FeCl3+3H20=Fe(oh)3+3HCl

Fe(SO4)3+2H20=2Fe(OH)SO4+h2so4

Fe(SO4)3+6H20=2Fe(OH)3+3H2S04

FeS04+2H20=Fe(OH)2+2H2SO4

2.Na3PO4H20=Na2HPO4+NaOH

NaHPO4+H20=NaH2PO4+NaOH odczyn zasadowy

3.(NH4)2C03+H20=NH4HCO3+NH4OH odczyn obojętny

Stopien hydrolizy jest indywidualna cecha soli

Odzelazianie i odmanganianie wody:

Żelazo:

1.Nadaje wodzie nie przyjemny wyglad i smak jeśli jeo ilość jest wieksza niż 1mg/dm^3

2.Moze wytraca się w postaci czerwonego osadu Fe(OH)3,FeO3XH20

3.Sprzyja rozwojowi bakterii żelazistych,ferrobakterii,-formy galaretowate

W postaci naturalnej nie jest szkodliwe dla organizmu człowieka.Powdouje jednak nierzyste cechy wody:wyglad i smak(żelazisty).szkodliwe w wodach przemysłowych np.elektrownie,włókiennictwo.

Mangan:

1.Nadaje wodzie nieprzyjemny wyglad i smak.

2.Moze wytacac się jako brunatny osad MNO2,mno(oh)2

3.Sprzyja rozwojowi bakterii tworząc osady np.

4.jest szkodliwy dla organizmow człowieka,powoduje niedoczynność tarczycy

Stezenia żelaza w wodzie:

-niskie<1 mg/dm^3

-srednie i podwyższone >1-5,8 mg/dm^3

-wysokie >10 mg/dm^3

Mangan nie zawsze jest obecny obok żelaza.Jesli wystepuje to zwykle w ilościach Mn:F3-1:5.Najczesciej SA to wartsoci od 0,1-0.3 mg/dm^3

Przyklady dopuszczalnych ilości:

-w w odzie do picia max.0,2 mg Fe/dm3 ,0,05 mgMn/dm3

-w wodach dla włókiennictwa maz. 0, mg/dm39Fe+Mn)

-w wodach poddawanych uzdatnianiu jonitowemu max. 0,1 mg/dm3

Zelazo i Mangan mogą występować:

-w wodach powierzchniowych w postaci zawiesiny lub osadu usuwane poprzez sedymentacje lub jako kompleksy z substancjami humasowymy i zanieczyszczeniami organicznymi,na drodze koagulacji.

-w wodach podziemnych jony Fe^2+ ,MN^2+ ze wzgl na brak tlenu i środowisko redukcyjne jako sole Fe(HCO3)2,FeSO4,FeCl2,MN(HCO3)2,MNSO4,MNCl2, ulegaja hydrolizie.

Mogą tworzyc kompleksy ze związkami:

-Organicznymi substancjami humasowymi i kwsami tlenowymi.

-nieorganicznymi krzemionami,fosforanami i siarczanami.

Usuwanie żelaza i manganu:

1Hydroliza-zwykle z napowietrzaniem

2.Utlenianie uzależnione od ph polaczone z odkwaszaniem wody

3.wytracenie i odzielenie zawiesiny na drodze filtracji(sedymentacji)

I Etap:

Fe(HCO3)2+2H20Fe(0H)2+2H20+2CO2

MN(HCO3)2+2H20MN0H)2+2H20+2CO2

FeSO4+2H20Fe(OH)2+H2SO4

FeCl2+2H20F(OH)2+2HCl

MNSO4+2H20Mn(OH)2+H2SO4

MnCl2+2H20Mn(OH)2+2HCl

II Etap:

4Fe(OH)2+o2+2H204fe(oh)3

2MN(OH)2+O22MnO(OH)2

2MN(OH)2+O22MnO2+2H20

Etapy niekoniecznie musza być dokladnie prowadzone gdyz np:

-utlenianie może przegiegac w zlozu(jednoczenie z filtracja)jeśli zawiera ono katalizator

-odkwaszanie i filtracja zachodzi w zlozu zasadowym.

Rozpuszczalnosc produktow utleniania:

Fe(OH2)-0,67 mg/dm^3 dobrze rozpuszczlane

Fe(oh)3 o,043*10^-3 mg/dm^3 trudno rozpuszczalne

MN02 bardzo trudno rozpuszczlane

MNO(OH)2 bardzo trudno rozpuszczalne

Szybkosc utleniania jonow Fe^2+ w wodzie tlen.

d[Fe^2+]/dt=k(pO2)[OH-]^2[FE^2+] pO2-preznosc czastkowania tlenu,

Szybkosc utleniania jonow MN^2+ W wodzie z tlenem

-d[Mn^2+]/dt=k0[Mn^2+]+k(PO2)[OH-]^2[Mno2]

Ph>9,5 szybkosc zalezy od tempetaury w 22Stopniach C JEST 5 RAZY wieksze niż w 11stopniach.

Wplyw Ph na czas utleniania jonow Fe^2+ i Mn^2+ z tlenem:

Fe^2+: ph/czas [min]: 6,6/>>50, 6,9/40 ,7,/8

Mn^2+ ph/czas: 90/>>200, 9.3/80, 9,5/50

Odkwaszanie wody:

Desorpcja CO2-Napowietrzanie.

Wapnowanie-dodawanie wapana hydratyzowanego w postaci roztworu Ca(OH)2, do ph od 8,3-8.5

Masy alkaliczne,ktorestanowia wypelnienia filtrow.Woda przepływa przez zloza:

-marmuru(CaCO3) lub prazonego dolomit(MgO*CaC03)

Napowietrzanie:

Fe(HCO3)2+H20=Fe(OH)2+2H2O+2CO2

Waponowanie:

CO2agr+Ca(OH)2=Ca(HCO3)2

Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4+2H20

CA(OH)2+HCl=CaCl2+H20

Reakcje z masami alkalicznymi:

Z marmurem:

CACO3+H2SO4=CaSO4+H20+CO2agr

CaCO3+CO2agr+H20=Ca(HCO3)2

Z prazonym dolomitem:

CaCO3+CO2agr+H20=Ca(HCO3)2

MgO+CO2agr+H20=Mg(HCO3)2

CaCo3+H2SO4=CaSO4+2H20+CO2agr

Inne utrudnienia usuwania żelaza i manganu:

Wystepowanie Fe i Mn w postaci związków kompleksowych z solami amonowymi NH3/NH4+ i subst org pochodznia naturalnego:humusowymi,lub antropogenicznego pochodzenia(zanieczyszczenia organiczne).Konieczne jest wtedy utlenienie tych zw w warunkach specjalnych.

Utlenianie azotu amonowego tlenem z udzialem bakterii nitrosomanos i nitrobacter:

I stopien z udzialem nistrosomanos: NH4+ + 1,5O2=NO2+2H+ + H20 + ENERGIA

II Stopnie z udzialem nitrobacter: NO2- + 0,5 O2=NO3-+ENERGIA

II Stopniowe utlenia nianie azotu amonowego tlenem z udzialem bakterii nitrosomonos(I) I nitrobacter(II)

(I+II) sumarycznie: NH4+ + 1,5 o2=NO3- +2H+ + H20 +ENERGIA

Zuzycie tlenu: 4,6/1g N-NH4,

Optymalne ph: 7,5-8,5, temperatura 26-28 stopni

Filtry suche-do filtracji wody i utleniania azotu amonowego podczas usuwania Fe^2+ i Mn^2+.

Utlenianie za pomoca bakterii nitryfikujących.Parametry:obciążenie hydrauliczne 5m^3/m^2*h

Wysokość zloza: H=1,5-2m,uziarnieie:d=1,2-1,7mm, rodzaj zloza:piasek kwarcowy i wegiel aktywny.

Utlenianie substancji organicznych:

Substeancje organiczne + utleniacz=CO2+H20

Zastosowanie bardzo silnych zw chemicznych: KMnO4- Nadmanganian potasu(roztwor),O3-ozon(gaz),chlor i jego związki:Cl2(woda chlorowa),NaClO-podchloryn sodu(aq) I clo2-dwutlenek chloru(gaz rozpuszczalny w wodzie)

Metody technologiczne odzelazaniai i odmanganiania wody:

1.W układzie zamknietym –cisnieniowym:

a)napowietrzanie w filtrach pospiesznych jeśli zas.m.>5val/dm3.ilosc powietrza zalezna od stężenia żelaza: 2%-<3g/m^3Fe, 3%-3-5G/M^3Fe, 5%<6g/m^3Fe

b)Napowietrzanie i filtracja w filtrach pospiesznych jeśli zas.m.<5val/dm^3:

-zastosowanie zloz filtracyjnych,odkwaszających marmuru i dolomitu(CACO3,MgO*CaCO3)lub z katalizatorem(Mn0)-pirdazyt

-z odkwaszaniem utleniaczy(KMNO4,O3,Zwiazkow chloru)przed filtracja.

2.w Ukladzie otwartym:

a)napowietrzanie i filtracja w filtrach pospiesznych grawitacyjnych jeśli zas.m.>>5val/dm^3

b)zastosowanie zloz filtracyjnych odkwaszających –marmuru i dolomitu(CACO3,MgO*CaCO3) lub z katalizatorem (MnO₂-pirduzyt) w zależności od składu wody.

3.Intensywne napowietrzanie w ukl otwarnym i filtracja w filtrach pospiesznych grawitacyjnych lub ciśnieniowych jeśli obecne sa związki amonowe.utlenianie może być wspomagane silnymi utleniaczami.

Filtracja

Filtracja – jest procesem usuwania z wody cząstek stałych o wymiarach 0.1 – 50 um z zastosowaniem filtrów.

Filtr służy do rozdzielania mieszanin przy użyciu przegrody filtracyjnej pod wpływem różnicy ciśnienia występującej po obu jej stronach.

Przegrodą może być materiał porowaty zwarty lub luźny.

Najczęściej są stosowane materiały ziarniste – luźne, w postaci złoża filtracyjnego.

Woda przepływa przez złoże o odpowiedniej wysokości, najczęściej w kierunku z górny na dół ze stałą prędkością.

Zjawiska zachodzące w i na złożu:

Mechaniczne (cedzenie)

Fizykochemiczne (oddziaływanie powierzchniowe)

Biologiczne (procesy biochemiczne)

Zasady działania filtrów

Budowa filtru

Zbiornik stalowy lub żelbetowy- zamknięty (ciśnieniowy), otwarty (bezciśnieniowy – grawitacyjny)

Złożę Filtracyjne H_zł 1-2m

Warstwa podtrzymująca h _pod <0,5
(grube uziarnienie)

Drenaż- system do odprowadzania wody przefiltrowanej oraz doprowadzania powietrza i wody do płukania złoża.

Rodzaje drenażu:

- z dyszami szczelinowymi, niskooporowy

- rurowy z otworami, wysokooporowy

Podział filtrów

W zależności od sposobu wywołania przepływu wody i jej prędkości oraz struktury złoża filtracyjne i konstrukcji:

• Grawitacyjne i ciśnieniowe

• Powolne i pośpieszne

• Jedno i wielowarstwowe

• Otwarte i zamknięte

W zależności od przeznaczenia:

• Do klarowania (do usuwania cząstek stałych-zawiesin)

• Do odżelaziania i odmanganiania

• Sorpcyjne, do usuwania substancji organicznych

Charakterystyka materiału ziarnistego

Krzywa przesiewu próbki złoża filtracyjnego

Średnica miarodajna d₁₀=d_m=0,455mm,

Średnia średnica ziarna d₆₀=d_śr=0,76mm

Współczynnik nierówności uziarnienia

D₆₀
K=-----------=1,67

D₁₀

Średnica ziarna

d 0,15 – 2mm (dmin i dmax)
d10 i d60 – średnice frakcji ziaren (zatrzymywanych w sicie) w ilości mas. Odpowiednio 10% i 60% (ilości całkowitej)

-współczynnik nierównomierności uziarnienia

D₆₀
K (WR) (Sr)=-------- <3 (5)
d₁₀

- porowatość złoża filtracyjnego
V_wzł
e=------
V_całkzł

Dla ziarna:

kulistego e=0,38

Łamanego e=0,48

Rodzaj ziarna sferyczność porowatość

Sferyczne 1,0 0,38

Zaokrąglone 0,98 0,38

Ostrokrawędziaste 0,81 0,40

Kanciaste (graniaste) 0,78 0,43

Łamane 0,7 0,48

Materiały filtracyjne

Gęstość właściwa
g/cm3

Piaski

• Kwarcowy 2,6

• Granitowy 3

• Ilmenitowy 4,5

Antracyt 1,3-1,9

Węgiel aktywny 1,3-1,9

Masy alkaliczne do odkwaszania wody

• Marmur (CaCO3) ok. 2,8

• Prażony dolomit (CaCo3xMgO) ok. 2,8

• Kamień wapienny (CaCo3) ok. 2,8

Masy specjalne

• Glino-krzemiany (Aqua-Multolite) 2,15

• Zeolity (Greensand) 1,4

• Katalizatory do odżelaziania i

odmanganiania wody (z MnO2)

(jako dodatek do złoża piasku 3,5-4,4

Parametry pracy filtrów

Prędkość filtracji

Q
V_f=------------ [m/h]
F

Gdzie:

Q- natężenie przepływu wody m3/h

F- powierzchnia filtracyjna m²

Czas filtracji

A
T^F=--------------------- [h]
V_f delta C_Z

Gdzie:

1. Chłonność złoża [g/m²] (2250-7500)

V_f- prędkość filtracji [m/h]

Delta C_Z- stężenie usuwanej zawiesiny g/m³]

Czas filtracji

Tf=t1=t2

t1- czas po którym następuje pogorszenie jakości wody

t2- czas wzrostu oporu złoża do wartości max.

Objętość wody uzdatnionej (przefiltrowanej)

V=QTf [m^3]

Strata ciśnienia w złożu (wzrost oporów złoża w czasie filtracji) zależy od rodzaju filtru

delta h_gr 0,6-8 (10) m sł. Wody

Rodzaje filtrów

Filtry powolne uziarnienie:
-warstwy filtr. Mm d 0,3-1, d10 0,25-0,35,

H_zł 0,8m

-warstwy podtrzymującej mm d 1-40

H_pod =0,5 m

Prędkość filtracji v_f= 0,1-0,3 (0,7) m/h

Powierzchnia filtracyjna F do 2500 m^2

Liczba filtrów >2

Spadek ciśnienia 0,6 m sł. Wody

Czyszczenie powierzchniowe: zdejmowania warstwy z pow. Gr. Ok. 10mm)

Filtry pośpieszne

Uziarnienie:

– drobno

– średnio

– grubo-ziarniste

d 0,5 - 2mm

d10 0,7-1,2mm

K 1,8-2,2

Hzł 0,7-1,8m

Grawitacyjne – otwarte:

Prędkość filtracji v_fmax = 6 m/h

Zbiorniki żelbetowe lub stalowe

Powierzchnia jednostki F 10 – 120 m2

Ciśnieniowe – zamknięte:

Prędkość filtracji v_f – 15 mh (30)

Zbiorniki stalowe – ciśnieniowe

Pionowe i poziome

Powierzchnia jednostki 10 – 20m²

Liczba filtrow>2 spadek cisnienia wody w cyklu filtracji 6-10 msł.H20

Plukanie filtrów:

Cel-usuniecie zanieczyszczen i przywrocenie cih zdolności zatrzymywania.

Realizacja-przeplyw wody lub powietrza w zlozu od dolu lub do gory.

Efekty-uzyskanie ekspansji zloza,rozluźnienia ziaren,i usuniecie zanieczyszczen.

Rodzaje:wodne-Strumiennie wody, powietrzno wodne-kolejno powietrzem i woda

Powietrznowodne-wstepne przewarstwienie powietrzem zloza t=2 min,intensywnsc lukania=q_pow 15-20 dm^3/m^2s,przepuszczania powietrza i wody tpływ 4-5 min, qpow=15-20 dm^3/m^2s i qw=2,5-3 dm3/m2s,przeplyw wody od 4 do 5 min qw=5-6dm3/m2s.

e=He-H/H 30-50%

Filtry superpospieszne-do re filtracji:uziarnienie:d₁₀=0,5-01m,K=1,3-1,7,Hzłoż=0,8-1,2m(od 0,4-0,6m).Predkosc filtracji wt=15-45 m/h.zbiorniki stalowe-cisnieniowe(1o-20m2).

Kolejne filtry wielowarstwowe:warunki roznicy gęstości właściwej materjalow filtracyjnych:

P2>P1>Pw . P2-Warstwa dolna.p1-warstwa gorna,pw-wartswa wody.

Średnica ziaren warstwy wyższej większa od średnica ziaren warstwy niższej chłonności warstwy wyższej > chłonność warstwy niższej. Prędkość opadania ziaren:

Vsd min> Vsg max

Vsd min- prędkość opadania najmniejszych ziaren warstwy dolnej; Vsg max prędkość opadania największych ziaren warstwy górnej ( prędkość opadania Vs zależy od prędkości Vłdp i wielkości zirana d)

Złoża wielowarstwowe:

-dwuwarstwowe:

Antrayt d = 0,8-1,1 mm, H 0,5-0,8m

Piasek kwarcowy d= 0,4-0,55mm; H= 0,15-0,3m

- tórjwarstwowe:

Antaryt d 0,8-1,1mm; H 0,5-0,6m

Piasek kwarcowy d 0,15-0,35mm; H 0,15-0,3m

Granit d 0,15-0,3mm; H 0,05-0,10m

Zastosowanie procesu filtracji

Filtracja powolna:

- do końcowego oczyszczania wody również usuwania bakterii tzw. Obczyszczanie wody

- do bezpośredniego oczyszcznia wód powierzchniowych( ograniczone ze względu na łątwe zanieczyszczenie planktonem)

Filtracja pośpieszna:

-filtracja bezpośrednia czyli usuwanie zawiesin

-odżelazienie i odmanganianie wody

- filtracja wody po koagulacji

-filtracja kontaktowa do tzw. Koagulacji powierzchniowej

- do wstępnego filtorawnia wody na ujęciach, filtry superśpieszne

Inne utrudnienia usuwania żelaza i manganu:

Występowanie FE i Mn w postaci związków kompleksowych z solami amonowymi NH3/NH4+ i substancjami org. Pochodzenia naturalnego np. Humusowymi lub antropogenicznymi(zanieczyszczenia). Konieczne jest wtedy utlenienie tych związków w warunkach specjalnych.

Utlenianie azotu amonowego tlenem z udziałem bakterii nitrosomonas i nitrobacter:

I stopień z udziałem nitrosomonas

NH4+ + 1,5O2=NO2- + 2H+ + H2O + energia

II stopień z udziałem nitrobacter

NO2- + 0,5O2=NO3- + energia

Filtry suche – do filtracji wody i utleniania azotu. Podczas usuwania Fe2+ i Mn2+. Utlenianie za pomocą bakterii nitryfikujących

Parametry: obciążenie hydrauliczne 5m3/m2h; wys złoża H 1,5-2m; uziarnienie d 1,2-1,7mm;

Rodzaj złoża: piasek kwarcowy, węgiel aktywny.

Filtry kontaktowe stosowane do koagulacji i filtracji w złożu.

Przepływ wody:

-z góry na dół V1=6-10m/h; A ok 4500g/m2. Złoże powinno być wielowarstwowe: Hzł 1,2-1,8m;

- od dołu do góry V1 3-6m/h; A ok 7400g/m2. Dwie warstwy z piasku i żwirku kwarcowego: górna hp 2m; d10=0,55-0,65, K 2,5. Dolna hd 0,3-0,5m; d2 8mm

Koagulacja zanieczyszczeń wody

Koagulacja – metoda usuwania substancji koloidalnych

Koloidy występują:

• Często w wodach powierzchniowych

• Rzadziej w podziemnych

Najczęściej powodują mętność, barwę i podwyższony wskaźnik ChZT.

Niektóre cząsteczki związków organicznych nie dają efektu mętności i barwy, a są kolodiami.

Wartości dopuszczalne w wodzie do picia:

• Mętność max. 1 NTU
  (NTU jednostka mętności Nefelometric Turbidity Unit)

• Barwa max. 15mg/dm^3 Pt
  (skala platynowa)

• ChzT _KMnO4 – 5mg/dm^3

Koloidy stanowią cząstki stałe o wymiarach: 10^-7 – 2 x10^-5 cm.
Woda jest ośrodkiem rozpraszającym, a cząstki są w niej rozpraszane
(Układ koloidalny składa sie z fazy rozproszonej i rozpraszającej)

Budowa cząstek koloidalnych

Budowa cząstek jest micelarna.
Podstawowym składnikiem miceli jest jądro ( w centralnej części).
Stanowią one cząsteczka trudno rozpuszczalnego związku obdarzona ładunkiem elektrycznym. Oddziaływuje ona na inne ładunki – jony znajdujące się w roztworze powodując ich przyciąganie.

Wokół jądra tworzą sie dwie warstwy ładunków:

• Ściśle przylegająca do powierzchni cząstki, tzw. Warstwa adsorpcyjna

• Oddalona, rozmyta i słabo przyciągana, warstwa dyfuzyjna.

Cząstka dzięki budowie micelarnej posiada ładunek elektryczny.
Między cząstkami w roztworze występuje wzajemne odpychanie, gdyż posiadają ten sam znak ładunku.
Cząstki są trwałe, stanowią silnie rozproszoną fazę stałą w wodzie, która jest ośrodkiem rozpraszającym.

Miarą trwałości cząstek jest tzw. Potencjał elektrokinetyczny – zeta. Posiada on znak ujemny lub dodatni, dla większości stabilnych koloidów jego wartości wynosi ⁺- 70 mV.
Pomiaru można dokonać za pomocą „zetametru”

Rodzaje koloidów w wodach naturalnych:

• Glinokrzemiany x Al₂O₃ * y SiO₂ * z H₂0

• Krzemionka koloidalna n SiO2

• Iły

• Związki humusowe (w połączeniach z Fe i Mn) powodują również barwę

Koloidy pochodzenia antropogenicznego: (zanieczyszczenia „zewnętrzne”)

• Skrobia

• Białka

• Celuloza

• Barwniki syntetyczne

Istotą procesu koagulacji jest zmniejszenie stopnia dyspersji układu koloidalnego. Następuje łączenie sie pojedynczych cząstek fazy rozproszonej, w większe skupiska-aglomeraty.

W takiej postaci mogą być usunięte w procesach sedymentacji lub filtracji.

Usuwanie koloidów wymaga destabilizacji ich cząstek, a następnie wytworzenia mechanicznie trwałej fazy stałej, którą następnie oddzieli się z wody.

Destabilizacja chemiczna odbywa się za pomocą koagulantów.

Koagulanty: sole żelaza i glinu – siarczany i chlorki.

• Są dawkowane do wody w postaci roztworów wodnych.

• Działanie koagulantów polega na zobojętnieniu ładunku koloidu.

• Po tym następuje etap flokulacji ( kłaczkowania).

Kłaczki po osiągnięciu dużych rozmiarów będą oddzielone przez sedymentację.

Chemizm działania koagulantów

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O= 2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄

pH 5,5 - 7,5

Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O= 2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄

pH 5 – 7, 9-9,6

FeCl₃ + 3H₂O= Fe(OH)₃ + 3HCl

pH 5-7 i> 8,5

Siarczan żelaza (III) FeSO₄

FeSO₄ + 2 H2O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄

pH 9 – 11 i użycia utleniacza

[Fe(OH)2 -> Fe(OH)3]

Polichlorek glinu [Al(OH)xCly]n

Glinian sodowy: Na₂Al₂O₄

Koagulant glinowo-żelazowy ALF,

Mieszanina : Al₂(SO₄)₃ + Fe₂(SO₄)₃

Destabilizacja cząstek koloidalnych

Wodorotlenki Al(OH)₃ i Fe(OH)₃ utworzone z cząsteczek koagulantów są koloidami, o ładunkach, których znaki są przeciwne do znaku ładunku zanieczyszczeń.

Powodują: zobojętnienie ładunku i zmianę potencjału zeta. Potencjał zeta powinien osiągnąć wartość zero. Jest to możliwe wtedy, kiedy zostanie zastosowany odpowiednia dawka koagulantu.

Uwarunkowania procesu koagulacji

Skuteczność działania koagulantu zależy od wielkości dawki i pH środowiska.

Dawka i pH muszą być dobrane optymalnie.

W przeciwnym razie można otrzymać nie tylko gorsze rezultaty, ale nawet zwiększenie trwałości koloidów.

Proces koagulacji jest wrażliwy na bodźce mechaniczne, tj. mieszanie, zmiany prędkości przepływu itp..

Za pomocą tych bodźców doprowadza się do układu energię.

Zbyt duża jej ilość może spowodować skutek odwrotny, tzn. zamiast destabilizacji utrwalenie koloidu lub nawet jego zwiększenie.

Etapy procesu koagulacji

1. Dawkowanie roztworu koagulantu i szybkie jego wymieszanie z wodą

2. Mieszanie powolne w celu utworzenia kłaczków o dobrej opadalności – flokulacja

Urządzenia techniczne

Mieszalniki i komory flokulacji

• Hydrauliczne – wykorzystanie energii strumienia wody przepływającej

• Mechaniczne – dostarczanie energii za pomocą mieszadeł mechanicznych

Rodzaje mieszalników

Hydrauliczne – t_p= 10-180 s

Z przegrodami: przepustowymi i perforowanymi

pionowe z wirowym ruchem wody

Mechaniczne – t_p= 10-60s

Z mieszadłami śmigłowymi i łopatkowymi

Objętość mieszalnika

V=Qt_p

Komory flokulacji

• Hydrauliczne: labiryntowe, pionowe z wirowym ruchem wody, wodoskrętne zespolone z osadnikiem pionowym

• Mechaniczne: mieszanie za pomocą mieszadeł usytuowanie pionowe lub poziome osi mieszadeł

Podstawowe wielkości projektowe:

• Czas przepływu wody t_p 6 – 30 min.

• Odpowiednia dynamika przepływu

• Mieszanie zawartości komory z odpowiednim gradientu prędkości

Objętość komory V = Qt_p

Komory flokulacji:

-hydrauliczne: labiryntowe, pionowe z wirowym ruchem wody, wodo skrętne zespolone z osadnikiem.

-mechaniczne: mieszanie za pomocą mieszadeł, usytuowanie pionowe lub poziome osi mieszadeł

Podstawowe wielkości projektowe: t=30min- odpowiednia dynamika przepływu –mieszanie zawartości komory z odpowiednim gradientem prędkości. V=Qtp