ODKRZEMIANIE WODY

Krzemionka stanowi powszechny składnik skał wulkanicznych, kwarcu i piasku. Przenikanie krzemu do wód naturalnych odbywa się w wyniku rozpuszczania składników skał i gleby. Największe stężenia krzemu występują w wodach bardzo twardych pochodzących z pokładów wapniowych oraz w wodach cechujących się zasadowością alkaliczną. W wodach naturalnych ilości krzemu wynoszą od 1 mg/dm³ w wodzie z terenów podmokłych i bagiennych do kilkudziesięciu (ok. 60) mg/dm³ Si0₂ w wodzie twardej. Na ogół wody podziemne zawierają więcej krzemu niż wody powierzchniowe. W wodzie do picia lub w wodach powierzchniowych obecność krzemu nie ma dużego znaczenia. W wodzie przeznaczonej do celów przemysłowych krzem jest w niektórych przypadkach niepożądany zwłaszcza w przemyśle włókienniczym, ponieważ przeszkadza w procesie farbowania. Krzem w wodzie produkcyjnej przeszkadza również w procesach fermentacji oraz podczas klarowania piwa. Szczególnie szkodliwy jest krzem w wodzie do zasilania kotłów parowych przede wszystkim wysokoprężnych, gdyż wchodzi w skład kamienia kotłowego lub powłok na łopatkach turbin parowych, nadaje tym osadom dużą twardość mechaniczną oraz obniża przewodnictwo cieplne. Szkodliwość krzemionki wzrasta w miarę podnoszenia się ciśnienia. Zawartość krzemionki w postaci rozpuszczonej lub koloidalnej w wodzie zasilającej kotły wysokoprężne nie powinna przekraczać 0,01 mg/dm³, a w wodach dla pewnych działów przemysłu chemicznego i metali rzadkich od 1 do 2 mg/dm³. Istnieje kilka metod odkrzemiania wody, które ze względu na charakter procesu można podzielić na dwie grupy - chemiczne i fizyczne. Metody chemiczne:

odkrzemianie za pomocą wapna, odkrzemianie uwodnionym dolomitem, odkrzemianie solami glinu i żelaza, odkrzemianie za pomocą prażonego magnezytu. Metody fizykochemiczne:

odkrzemianie za pomocą prądu stałego, odkrzemianie za pomocą jonitów.

Odkrzemianie za pomocą wapna zachodzi w pewnym stopniu podczas dekarbonizacji wody. Adsorpcyjne właściwości węglanu wapniowego są stosunkowo dobre i jedynie w wodzie nie zawierającej chlorków obserwuje się ich obniżenie. Zaadsorbowana krzemionka strąca się w postaci krzemianu wapniowego, a stopień odkrzemiania rośnie ze wzrostem temperatury. W przypadku stosowania niewielkiego nadmiaru Ca(OH)₂ ponad dawkę wymaganą do dekarbonizacji, jednakże nie przekraczającej 1,3 g/dm³, uzyskuje się wysoki stopień odkrzemiania, niezależnie od temperatury. Nadmiar nie związanego wapna z preparowanej wody należy usuwać przy pomocy dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla musi być dawkowany bardzo dokładnie. W innym przypadku uzyskuje się wodę o dużej twardości węglanowej lub o nadmiernej alkaliczności.

Odkrzemianie uwodnionym dolomitem następuje dzięki sorpcyjnym właściwościom wapnia i magnezu, będących głównymi składnikami dolomitu. Magnohydrat po całkowitym wyprażeniu, zmieleniu i traktowaniu preparowaną wodą tworzy osad węglanu wapniowego i krzemianu magnezowego

Mg0+Si0₂-> MgSi0₂^

Po sklarowaniu, filtruje się wodę przez masę „Magno" ( CaCC>3 i MgO^), które nie zawierają związków krzemu. Wyciek zawiera nie więcej niż 0,15 - 0,2 mg /dnr krzemianów. Woda przed filtrowaniem powinna być podgrzana do temp. 80-90°C w celu odpędzenia rozpuszczonego dwutlenku węgla, który może powodować rozkład krzemianów.

Okrzemianie solami glinu i żelaza - polega na wykorzystaniu zdolności koagulacyjnych wodorotlenków tych metali. Najczęściej stosuje się siarczan żelazowy, glinian sodowy lub chlorek żelazowy. Zdolność adsorpcyjna wodorotlenku żelazowego wytrącającego się w postaci zawiesin zależy od alkaliczności i temperatury wody. Optymalne wyniki są uzyskiwane przy pH = 8,5 - 9,5 oraz w temp. 20°C. Konieczna dawka soli żelaza zależy od zawartości krzemionki w wodzie uzdatnionej oraz od obecności innych zanieczyszczeń. Dlatego też ustalenie optymalnej dawki soli dokonuje się poprzez serie prób technologicznych. Prowadzenie tego procesu odbywa się na zimno. Działanie wodorotlenku glinowego podobne jest do działania Fe(OH)₃. Optymalne wyniki uzyskuje się przez podgrzanie wody do temperatury 50° i utrzymaniu pH wody poniżej 8,6.

Odkrzemianie za pomocą prażonego magnezu metoda ta opiera się na filtrowaniu wody surowej przez masę (minerał zawierający MgCOs) o wielkości ziaren 0,2-0,5 mm. Sprawność tej metody jest tym większa, im większy jest w wodzie procentowy udział krzemionki koloidalnej, im powolniejszy jest przepływ wody przez filtr oraz im wyższa jest temperatura wody.

Elektryczna metoda odkrzemiania - polega na wytworzeniu jonów metali przez zastosowanie prądu stałego. Przyłożony do elektrody prąd o stałym natężeniu wytrąca na anodzie kationy tworzące w przestrzeni wodnej wodorotlenki odnośnych metali. Z katod wydzielają się gazy (wodór, tlen, chlor) które mogą powodować flotację tworzących się zawiesin. Powstające wodorotlenki metali posiadają silnie rozbudowane właściwości sorpcyjne. Aktywnie przyłączają jony soli rozpuszczonych i ulegają sedymentacji.

Odkrzemianie wody wymieniaczami jonowymi - przeprowadza się za pomocą pośredniej gdy dodawane są chemikalia, których zadaniem jest wytworzenie silnie dysocjujących związków krzemowych i metody bezpośredniej bez dodatków związków chemicznych. Przy stosowani metody pośredniej (fluorowej) przed wymiennikiem wodorowym do wody dawkowany jest fluorek sodowy lub wapniowy. W kationicie wodorowym wytwarza się kwas fluorowodorowy reagujący z krzemionką. Produktem reakcji kwasu fluorowodorowego z krzemionką jest kwas fluorokrzemowy, usuwany w zasadowym wymienniku anionowym. Fluorek dawkowany jest do wody w postaci zawiesiny. Prostszym rozwiązaniem byłoby bezpośrednie dawkowanie kwasu fluorowodorowego po wymienniku wodorowym. Jest to jednak niemożliwe, z powodu trujących właściwości HF. Produkowane obecnie żywicowe masy anionowe, zdolne do bezpośredniego wiązania krzemianów pozwalają na stosowanie metody bezpośredniej bez potrzeby dawkowania do wody fluorków. Skuteczność usuwania krzemionki wzrasta wraz z obniżeniem się zawartości w wodzie mocnych kwasów mineralnych (H₂S0₄, HC1) tworzących się w jonicie wodorowym. W celu zwiększenia sprawności procesu stosuje się układ szeregowy, składający się z kolumny wodorowej, anionitu słabo zasadowego i anionitu zasadowego. Obecność tworzącego się po kationicie wodorowym w wodzie wolnego dwutlenku węgla wpływa niekorzystnie na proces odkrzemiania oraz prawdopodobnie na aktywność i trwałość anionitów. Zmusza to do usuwania CO2 po wymienniku wodorowym lub po anionicie słabo zasadowym. Usunięcie dwutlenku węgla uzyskujemy w odgazowywaczu poprzez napowietrzanie wody lub sposobem termicznym.

Zmniejszenie stężenia krzemionki w zależności od temperatury przy dawce tlenku magnezowego mg/dm³

Oznaczenie	Jednostka	Woda surowa	Temperatura procesu [°C]
			20
Zawartość krzemianów	MgSi02/dm^3
Odczyn
Efekt zmniejszenia stężenia	%

Wpływ odczynu na usuwanie krzemionki

W czterech próbach wody o objętości 1 dm³ każda, przeprowadzić korektę pH (kwasem lub wapnem) w granicach 4+12. Do tak przygotowanych prób dodać optymalną dawkę MgO i mieszać przez 30 minut w temperaturze 50°C. Następnie próby odsączyć i w każdej próbie oznaczyć krzemionkę. Wyniki przedstawić w tabeli i na wykresie.

Zmniejszenie stężenia krzemionki w zależności od odczynu przy dawce tlenku magnezowego mg/dm³

Oznaczenie	Jednostka	Woda surowa	Odczyn próby
Zawartość krzemianów	MgSi02/dm^3
Odczyn
Efekt zmniejszenia stężenia	%

Ustalenie optymalnej dawki AhiSCMr 18 H?Q

Do czterech prób o objętości 1 dm³ wprowadzić różne dawki 1% roztworu Al₂(SO.i)3T8 H₂0 ( dawkę należy przyjmować w granicach 150 - 200 mg/dm³ ). Próby mieszać szybko przez około 1 minutę, następnie przez 15 minut próby poddać procesowi wolnego mieszania. Następnie próby poddać procesowi sedymentacji przez 60 minut. Po zakończeniu sedymentacji w klarownej cieczy oznaczyć zawartość krzemionki . Uzyskane wyniki zestawić w tabeli i na wykresie.

Cel i zakres badań laboratoryjnych

Badania powinny doprowadzić do wyboru metody najskuteczniejszej, zapewniającej uzyskanie wysokich efektów uzdatniania. Równocześnie jednak zastosowany sposób powinien prowadzić do uzyskania możliwie małej objętości odpadów o dużej koncentracji w nich krzemionki.

Badania w skali laboratoryjnej będą obejmowały sprawdzenie przydatności i skuteczności następujących metod odkrzemiania wody surowej:

• odkrzemianie wody tlenkiem magnezu, ustalenie wpływu wartości dawki MgOna szybkość i czas potrzebny do całkowitego zmniejszenia stężenia krzemu, określenie wpływu pH wody surowej na dawkę tlenu,

• odkrzemianie wody solami glinu i żelaza, wyznaczenie wpływu pH i wartości dawki na szybkość procesu i czas potrzebny do właściwego zmniejszenia stężenia krzemu.

Odkrzemianie wody tlenkiem magnezu

W wodzie surowej oznaczyć zawartość krzemionki, dwutlenku węgla oraz chlorków i pH. Ustalenie optymalnej dawki MgO przy odkrzemianiu wody

Kolejno do czterech zlewek zawierających po 1 dm³ wody wprowadzić odpowiednio 5, 10, 15 i 20 - krotną ilość tlenku magnezu w stosunku do wyznaczonej ilości krzemionki. Próby ogrzewać do temp. 50 °C. Proces prowadzić przez 30 min ciągle mieszając zawartość zlewki i utrzymując stałą temperaturę. Po 30 min. Z każdej zlewki odsączyć po 250 cm³ wody i oznaczyć w niej pH i krzemionkę. Wyniki doświadczenia zestawić w tabeli oraz przedstawić graficznie. Określić dawkę optymalną.

Zmniejszenie stężenia krzemionki w zależności od dawki MgO

Oznaczenia	Jednostka	Woda surowa	Dawka MgO [mg/dnr]
Zawartość krzemionki	mg Si02/dm^3
Odczyn
Efekt zmniejszenia stężenia	%

Określenie wpływu temperatury na odkrzemianie wody MgO

Do trzech zlewek pobrać 1 dm³ wody badanej. Do każdej zlewki z próbą dodać wyznaczoną optymalną dawkę MgO. Poszczególne próby ogrzewać przez 30 minut w temp. 20, 80 i 100 °C ciągle mieszając. Następnie próby odsączyć i oznaczyć ilość krzemionki. Wyniki zestawić w formie graficznej i tabelarycznej.

Analiza wody surowej i po usunięciu krzemionki

Oznaczenie	Jednostka	Woda surowa	Dawka A12(S04)3-18	H20 [mg/dm^3]
Zawartość krzemianów	MgSi02/dm^J
Odczyn
Efekt zmniejszenia stężenia	%

Odkrzemianie wody metodami jonitowymi

Poddać około 4 dm³ wody surowej procesowi demineralizacji Proces przeprowadzić na kationicie wodorowym i anionicie słabo zasadowym. Po przejściu wody przez kationit należy pierwszą partię filtratu, równą objętości złoża , odrzucić. W zdemineralizowanej wodzie oznaczyć zawartość krzemianów. Następnie wodę zdemineralizowaną podzielić na dwie równe części. Pierwszą część poddać procesowi fluorkowania po czym przepuścić przez anionit słabo zasadowy z tymi samymi prędkościami co poprzednio, następnie określić zawartość jonu Si0₃ Drugą część wody przepuścić przez kolumnę z amonitem silnie zasadowym (prędkości przepływu te same). W zebranym filtracie oznaczyć ponownie krzemionkę. Wyniki zestawić w formie tabeli

Analiza wody surowej i preparowanej metodami jonitowymi z następującymi prędkościami przepływu wody m/h

Oznaczenie	Jednostka	Woda surowa	Woda po anionicie
			słabo zasadowy
			bez F"
Zawartość krzemianów	MgSi02/dm^J
Odczyn
Efekt zmniejszenia stężenia	%

Opracowanie wyników i wniosków

W sprawozdaniu z przeprowadzonych badań laboratoryjnych należy podać informacje według następującego wzoru:

ocena jakości wody surowej w kontekście jej przeznaczenia, uzasadnienie konieczności korekty podstawowych wskaźników,

zestawienie uzyskanych wyników badań w formie tabelarycznej i graficznej,

krótki opis zakresu wykonywanych prób technicznych z uzasadnieniem celowości ich

przeprowadzenia,

ocena wpływu podanych czynników na uzyskane wyniki,

wskazanie najskuteczniejszej metody usuwania krzemianów spośród przebadanych, wnioski