Uboczne produkty utleniania

Pod tą nazwą nazywamy wszystkie związki chemiczne, które powstają w wyniku chlorowania, ozonowania. Jeżeli chodzi o zastosowanie utleniaczy jak tlen,czy nadmanganian potasu - > nie ma na ten temat informacji.

…. Część nie ma jeszcze dokładni ech charakterystyki chemicznej.

Związki powstające w wyniku procesu chlorowania (proc.najczęściej stosowany)

Uboczne produkty chlorowania są to substancje chemiczne, powstające pod wpływem działania chloru na substancje organiczne obecne w wodzie ujmowanej.

Związki te powstają w niewielkich ilościach, ale ze względu na swój charakter toksyczno – mutagenno – kancerogenny, muszą być brane pod uwagę w końcowej ocenie wody uzdatnianej.

Substancje te powstają zarówno z węgla organicznego pochodzenia naturalnego tj. związki humusowe oraz z węgla organicznego pochodzenia antropogenicznego (fenole).

Większość ubocznych produktów chlorowania to związki chloro organiczne, chociaż pod wpływem tego utleniacza powstają także substancje, nie zawierające w swojej cząsteczce chloru (np. aldehydy czy kwas karboksylowy).

Odrębną grupę związków powstających podczas chlorowania stanowią związki bromo- i chlorobromoorganiczne, które powstają w wyniku utleniania bromków obecnych w wodzie ujmowanej.

W wodach, w których występują jodki możemy spodziewać się powstawania związków rodoorganicznych.

CHARAKTERYSTYKA POWSTAJĄCYCH ZWIĄZKÓW

Miarą całkowitej ilości związków powstających po procesie chlorowania, jest tak zwany całkowity halogen organiczny. Jest on charakteryzowany skrótem TOX. Wskaźnik ten jest wygodnym parametrem pozwalającym scharakteryzować ilość powstających ubocznych produktów chlorowania.

Kolejna jest absorbancja wody przy dł.fali 254 nm. Jeżeli charakteryzujemy uboczne produkty chlorowania, to wśród nich możemy wyróżnić 2 podstawowe grupy:

- nielotne związki halogenoorganiczne (NVOX) stanowią one 70 – 80% TOX; głównym związkiem jest kwas halogenoorganiczny, pozostałą część stanowią substancje o nieznanej strukturze chemicznej

- lotne związki halogenoorganiczne (VOX) stanowią pozostałe 20 – 30% TOX; są one najlepiej rozpoznane i oznacza się najczęściej ich zawartość w uzdatnianej wodzie

Najważniejsze grupy substancji chloro pochodnych

- trichalometany (najbardziej rozpoznawany jest chloroform)

- dibromometany (bromoform)

- haloacetonitryle

- kwas halo organiczny

- grupa halo aldehydów

- halopetony

- chloro fenole

- pozostałe związki nierozpoznane na dzień dzisiejszy

Mechanizm powstawania ubocznych prod.chlorowania

TRIHALOMETANY – są to związki, które posiadają 3 podstawniki, ich rdzeniem jest metan, wyróżniamy odmiany tj. trichlorometan, bromodichlorometan, tribromometan.

Wszelkie próby zmineralizowania rdzenia organicznego mogą prowadzić do powstania związków szkodliwych.

Szybkość reakcji: chlor wprowadzany do uzdatnianej wody reaguje z wszystkimi składnikami wody, najszybciej zachodzą reakcje między chlorem i związkami nieorganicznymi. Są to reakcje znacznie powolniejsze, dlatego charakterystyka zachodzenia reakcji rozciąga się w czasie. Dlatego nie ma sensu określania stężenia trichlorometanów w uzdatnianej wodzie bezpośrednio po wprowadzeniu chloru do wody. Dopiero określenie potencjału tworzenia się trichlorometany pozwala na określenie jakości wody wodociągowej. Potencjał tworzenia THM:

- Teoretyczne max stężenie THM – jest to stężenie ubocznych produktów chlorowania (THM), jakich można spodziewać się w uzdatnianej wodzie, gdyby cała materia organiczna przereagowała z chlorem i dała nam THM

- terminalne stężenie THM – stężenie jakie będziemy obserwować w uzdatnionej wodzie, jeżeli woda będzie zawierała taką ilość chloru, aby w ograniczonym czasie reakcji w wodzie pozostał jeszcze wolny chlor. Czas reakcji jest dobierany odpowiednio do najdłuższego czasu retencji wody w sieci wodociągowej

- stężenie THM – określa ono zawartość THM w dowolnym momencie pobrania próby (nie należy określać stężenia bezpośrednio po chlorowaniu)

- potencjał tworzenia THM – jest to różnica między terminalnym stężeniem THM a stężeniem THM mierzonym w danym momencie. Potencjał tworzenia THM odzwierciedla nam także ilość prekursorów THM pozostających nadal w uzdatnianej wodzie

- całkowita ilość prekursorów – to różnica pomiędzy teoretycznym stężeniem THM a zmierzonym w danej chwili

- pozostałość prekursorów – różnica między max teoretycznym stężeniem THM a terminalnym stężeniem THM. Wskazuje ona na nieistotną część prekursorów THM niezdolnych do ich tworzenia w sieci wodociągowej

Czynniki, od których zależy powstawanie THM:

- odczyn wody – jest on jednym z ważniejszych czynników odpowiadających za ilość powstających THM. Wysokie pH sprzyja tworzeniu się większej ilości THM, w przypadku obniżenia pH istnieje zagrożenie, że powstanie większe stężenie nielotnych związków halogenoorganicznych

- zawartość węgla organicznego w uzdatnionej wodzie – jest on zwany prekursorem THM ale nie ma korelacji między ilością węgla a ilością powstających związków ubocznych

- temperatura – jest to czynnik, który wpływa na tworzenie się THM, ma szczególne znaczenie w przypadku powstawania wód powierzchniowych, gdzie widać wyraźnie korelację między ilością tworzących się THM a porą roku, w której następuje ten proces

Metody obniżania stężenia THM w wodzie wodociągowej:

- usuwanie powstałych THM – można posługiwać się: ozonowaniem, napowietrzaniem, adsorpcją na pylistym jak i granulowanym węglu aktywnym . Charakterystyka poszczególnych metod: OZONOWANIE daje średnie efekty usuwania THM, natomiast większą efektywność zauważa się podczas wspomaganiu ozonu promieniowaniem UV; ADSORPCJA – efektywność procesu jest porównywalna zarówno na węglu pylistym jak i granulowanym, oczywiście proces zatrzymywania poszczególnych form związków jest różnego stopnia (pomiędzy węglem a związkiem usuwanym); NAPOWIETRZANIE – efektywność usuwania zależy od charakterystyki powstałego THM, istnieje tu problem, że prowadzimy te związki z jednego medium – uwalniamy wodę i mamy powietrze zanieczyszczone związkami.

ZALETY USUWANIA THM:

*możemy je usuwać na drodze procesu, które stosujemy w uzdatnianiu wody (integralność z dotychczasowym systemem uzdatniania wody)

WADY USUWANIA THM:

*musimy mieć świadomość, że jeżeli możemy usuwać THM, które umiemy scharakteryzować, to w uzdatnionej wodzie mogą powstawać także uboczne produkty chlorowania, których nie potrafimy scharakteryzować i nie wiemy czy ulegają one usunięciu w tych procesach

*jeżeli usuwamy THM, to nie oznacza to, że jednocześnie usuwany prekursory THM i powstaje niebezpieczeństwo, że w wyniku końcowego chlorowania wody takie THM mogą w wodzie powstać

*z punktu ochrony środowiska usuwanie THM na drodze sorpcji, napowietrzania, powoduje przeniesienie THM z jednego medium do drugiego, czyli np. z wody do powietrza, dlatego ważniejsze jest, aby nie prowadzić do nie powstawania THM w czasie uzdatniania wody, czyli musimy rozważyć usuwanie prekursorów THM. Droga ta powinna być rozpatrywana w momencie poboru wody i ochrony źródeł poboru wody. Mamy 3 przypadki zapobiegania powstawania ponownego związków:

+gdy woda pobierana jest ze zbiornika wody powierzchniowej, to naturalna stratyfikacja powoduje zróżnicowanie w występowaniu w poszczególnych warstwach prekursorów THM, czyli należy ujmować wody, charakteryzujących się najmniejszą zawartością THM

+ w trakcie zakwitu wód powierzchniowych metabolity wytwarzane przez sinice wykazują większe tendencje do wytwarzania THM niż substancje humusowe. Liczbę powstających THM możemy ograniczać przez kontrolę zakwitu i niszczenie źródła prekursorów (sinic)

+ wybór pobieranej wody – jeżeli ujęcie wody jest zagrożone intruzją wody morskiej, to należy szukać innego źródła lub usuwać z tej wody już na wstępie bromki, które powodują związkowe powstawanie THM

Usuwanie ogranicza się z usuwania z uzdatnianej wody związków organicznych – są to najczęściej kwasy humusowe i fulwowe.

Rozróżniamy metody usuwania prekursorów: * adsorpcja (preferowane są węgle aktywne granulowane lub złoża tlenku żelaza (III)) (jeżeli związek jest mniej rozpuszczalny i polarny, to zwiększa się jego adsorpcja na węglu aktywnym, niestety w przypadku związków organicznych występuje kolejny problem, jakim jest charakteryzowanie się dużą cząsteczką w stosunku do porów.; pH uzdatnianej wody – im niższe pH tym łatwiejsze zatrzymywanie zanieczyszczeń na węglach granulowanych atywnych. Zastosowanie jako materiału adsorpcyjnego – tlenku żelaza (III), jest to tańsze niż węgiel aktywny, jedyną wadą tej metody jest stosunkowo nizkie pH całego procesu (pH = 4), a w czasie regeneracji złoża konieczne jest wysokie pH), * koagulacja (stosowana w przypadku uzdatniania wód powierzchniowych i w pełni nadaje się do usuwania prekursorów THM, szczególnie, gdy stosujemy koagulanty glinowe, nie są jednak uzależnione od czynników lokalnych, czyli zastosowanego koagulanta oraz pH i temp uzdatnianej wody); * strącania (proces charakterystyczny dla procesów zmiękczania wody przez strącanie Mg(OH)₂, widzimy wtedy korelacje z usuwaniem rozpuszczonego węgla organicznego; wada: podwyższenie pH uzdatnianej wody, duże ilości powstającego osadu); *filtracja na złożach węglowych biologicznie czynnych (zastosowanie znajdują tu wszystkie węglowe filtry z aktywacją biologiczną; nowym sposobem jest zastosowanie filtrów powolnych, których wypełnienie zawiera w sobie warstwę węgla aktywnego granulowanego lub organicznych żywic jonów wymiennych, usuwanie w 70 – 90%, wadą jest, w przypadku filtrów powolnych, duża powierzchnia stosowanych filtrów, duży koszt zapewnienia warstwy węglowej); * metody membranowe

- usuwanie prekursorów THM

- stosowanie do dezynfekcji wody środków chemicznych innych niż chlor

KWASY HALOGENOOCTOWE

Powstają one w czasie chlorowania wody zawierającej naturalny materiał organiczny. Spośród tych kwasów najważniejsze są HAA5, do których zaliczamy:

- kwas chlorooctowy

- kwas bromooctowo

- kwas dichlorooctowy

- kwas trichlorooctowy

- kwas dibromooctowy

Warunkiem do ich powstania w czasie uzdatniania wody jest obecność w wodzie bromu.

Kwasy te wykazują działanie kancerogenne

Ilość powstających kwasów uzależniona jest od następujących czynników od:

- sposobu prowadzenia chlorowania wody

- zastosowanego czynnika chlorującego

- jakości ujmowanej wody

- pH, temp, czas pozostawania wody w kontakcie z chlorem (czynnikiem dezynfekującym)

- czas pozostawania w sieci wodociągowej

- zawartość kwasów huminowych i fulwowych

- stężenie rozpuszczonego węgla organicznego i zawartości bromu

Zaobserwowany następujące zależności:

- Wzrost kwasów w uzdatnianej wodzie wraz ze wzrostem ilości czynnika dezynfekującego

- między ilością rozpuszczonego węgla organicznego a wzrostem temperatury uzdatnianej wody obserwuje się zwiększenie ilości powstawania kwasów halogenooctowych (HAA)

- nie ma relacji między THM a HAA

Zalety HAA:

- ulegają łatwej biodegradacji

- łatwiej dają się zatrzymać na węglu aktywnym granulowanym lub usunąć w procesie desorpcji

Wady HAA:

- kwasy te nie dają się usunąć z uzdatnionej wody na drodze gotowania, jak to ma miejsce w przypadku lotnych THM

UBOCZNE PRODUKTY OZONOWANIA

Na next wykładzie