30.11.2011
Usuwanie fluorków z wód
Fluor występuje w wodach naturalnych, pochodzi z obecności skał, i działalności przemysłowej człowieka. Zawartość fluoru w wodzie od 0,5 – 0,7 mg/l zabezpiecza zęby przed próchnicą, ale nadmiar fluoru powoduje problemy zdrowotne. Regularne spożywanie wody o stężeniu 1,5- 4 mg/l liczne schorzenia tkanki kostnej, jest to fluoroza, artretyzm, osteoporoza, wykazano także powiązania pomiedzy zawartością fluoru w wodzie a choroba aicheimera, utratami pamięci i innymi schorzeniami neurotycznymi, a także pomiędzy nowotworem wątroby.
Maksymalne stężenie fluoru w wodzie pitnej nie może przekraczać 1,5 mg/l, a najlepiej żeby zawierał się w granicach 0,5- 1 mg/l
W wielu krajach Afryki, Ameryki, Europy i Azji występują regiony gzie stężenie fluoru w wodach naturalnych przekracza wartości dopuszczalne i to nawet w sposób znaczący (
Inie i Kenia, gdzie stężenia fluoru dochodzą do wartości >30 mg/l)
Metody usuwania:
Z uzdatnionej wody usuwa się różnymi metodami. Od najprostszej metody strącania poprzez koagulację, wymianę jonowa i procesy membranowe.
STRĄCANIE FLUORKÓW przeprowadzane jest z wykorzystaniem wapna, wytrąca się osad fluorku wapnia, któremu towarzyszy wytrącanie fluorku magnezu. Skuteczność metody limitowana jest rozpuszczalnością fluorku wapnia. Rozpuszczalność ta przy pH 10 wynosi 10 g/ m3, dodatkowo zwiększanie usuwania tych fluorków, skorelowane jest z wytrącaniem wodorotlenku magnezu. Najkorzystniej proces przebiega przy pH 11,3
KOAGULACJA wykorzystuje się siarczan glinu. Wadą metody jest to, że dawka wymaganego koagulantu jest duża 115 g Siarczanu glinu na 1 g fluoru. Zaletą jest pH = 5-7. Konsekwencją dużej dawki koagulantu jest wytrącający się osad.
WYMIANA JONOWA Z WYKORZYSTANIEM TL GLINU
Wykorzystuje się aktywny tlenek glinu, który uzyskujemy w wyniku prażenia uwodnionego tlenku glinu, w temp 400 -600 oC. Uzyskujemy złoże w postaci krystalicznego hydratu. Proces usuwania uzależniony jest od pH (optymalne pH=8,2). W procesie usuwania fluorków z wody pH=5-6 i obserwuje się wtedy zjawiska analogiczne do pracy jonitu słabo jonowego. W tym pH obserwuje się słaba pracę fluorków na złożu i słabą konkurencję innych jonów (jony siarczanowe przy innym pH mogą zmniejszyć wytwarzanie fluorków o 10%) na wymieniaczu jonitowym. W optymalnych warunkach pH pojemność aktywnego tlenku glinu wynosi 4600 – 9200 g fluorku/m3.
AKTYWACJA tlenek glinu pracuje jako anionit słabo zasadowy, grupami wymiennymi są grupy OH. Regeneracja złoża może być regenerowane wodorotlenkiem sodu i siarczanem glinu ( jonami wymiennymi są jony siarczanowe).
PROCESY MEMBRANOWE
Odwrócona osmoza i nanofiltracja. Obie metody SA stosowane do uzdatniania wody na cele pitne. Przy odwróconej osmozie należy pamiętać ze oprócz procesu de fluorkowania zachodzi proces częściowej demineralizacji, co jest niestety zjawiskiem niepożądanym. Membrany stosowane w osmozie do odsalania wody posiadają zdolność 99% usuwania fluorku.
Nanofiltracja- w odróżnieniu od odwróconej osmozy selekcjonuje on przepuszczone i zatrzymane jony i cechuje się zatrzymywaniem jonów jednowartościowych w stopniu mniejszym niż jonów 2-wartościowych i więcej i związków organicznych o masie cząsteczkowej większej od 200-500 Daltonów. Jednocześnie usuwane są zanieczyszczenia pozbawione ładunku i zatrzymywane są zanieczyszczenia w zależności od występującego w nich ładunku. Membrany wykorzystywane przy nanofiltracji zazwyczaj posiadają ładunek ujemny, co w ich przypadku minimalizuje adsorpcję ujemnie naładowanych substancji, które występują w wodach naturalnych. Dzięki zastosowaniu nanofiltracji jesteśmy w stanie obniżyć zawartość fluorków poniżej wartości dopuszczalnych i są one polecane do bezpośredniego uzdatniana wody na cele pitne.
Proces ultrafiltracji. Proces ten jest polecany do doczyszczania wody z fluorków, po procesie koagulacji i dodatkowo w procesie zachodzi korekta stężenia glinu w uzdatnionej wodzie na drodze koagulacji. Zalecane membrany do procesu to membrany o wielkości porów ok. 0,22 nm. W tym układzie mechanizm wiązania fluoru oparty jest o hydrolizę, obserwuje się współstrącenie glinu i fluoru i adsorpcję fluoru na wytrąconym wodorotlenku glinu. Wytrącone zanieczyszczenia zatrzymywane są na membranach ultrafiltracyjnych.
Elektrodializa polega na przepływie jonów do określonych elektrod będących pod wpływem prądu elektrycznego. Pomiędzy elektrodami umieszczone są membrany, ich ustawienie jest naprzemienne. Daje to możliwość rozdzielenia poszczególnych jonów. Uzyskujemy nie tylko uzdatnienie wody, ale dodatkowo możemy poszczególne jony z tych roztworów odzyskać. Proces ten stosowany jest w przypadku usuwania fluorków, ponieważ jest stosunkowo prosty, eliminuje powstawanie osadów, jest odporny na sezonową zmienność zawartości fluorków w uzdatnianej wodzie. Przeprowadzone badania wykazały że zatrzymanie fluorków jest lepsze w elektrodializie niż w odwróconej osmozie. Urządzenia do elektrodializy można okresowo wyłączać z układu na dłuższy okres czasu. Proces zależny jest od temperatury, prędkości przepływu uzdatnianej wody i występowania zanieczyszczeń pozostałych (możliwość powstawania kamienia na membranach)
Dializa Donnana jest atrakcyjnym procesem membranowym, ponieważ czynnikiem napędzającym przechodzących zanieczyszczeń przez membrany jest gradient stężeń roztworów po obu stronach membrany. Proces jest wolniejszy od elektrodializy, ale zaletą są niższe koszty i mniejsze zużucie energii. Polega on na wymianie jonów o tym samym znaku pomiędzy dwoma roztworami oddzielonymi membraną. W przypadku usuwania fluorków stosujemy membranę aniono wymienną. Po obu stronach membrany znajdują się roztwory, które posiadają aniony. Nasza woda uzdatniana zawiera fluorek sodu, a roztwór odbiorczy po drugiej stronie membrany zawiera roztwór chlorku sodu. Roztwory te różnią się między sobą stężeniami. Roztwór odbiorczy może być o stężeniu 0,1-1. Natomiast roztwór wody uzdatnianej ma stężenie 0,001-0,1 mola/l. Jonami które się wymieniają to jony fluoru i Joy chlorku. Z wody uzdatnionej przez membranę przechodzi jon fluorkowy do roztworu odbierającego. Z roztworu odbierającego przechodzi jon chlorkowy do uzdatnianej wody. Wymiana jonów trwa do momentu wytworzenia się między roztworami stanu równowagi Donnana. Czynniki wpływające na proces: pH wody surowej, typ fazy odbierającej, początkowe stężenie fluorków w uzdatnianej wodzie, charakterystyka przeciwjonów napędowych.
WYSTĘPOWANIE I UZDATNIANIE GLINU Z WODY UZDATNIONEJ
Glin jest pierwiastkiem śladowym, który występuje w wodach naturalnych i przechodzi do wody z procesu wymywania podłoża. Glin stosuje się w procesach uzdatniania wody jako siarczan glinu lub chlorek poliglinu, stosuje się je jako koagulanty i niestety przy stosowaniu ich przy uzdatnianiu wody nie SA wykorzystywane do końca i pozostaje glin resztkowy w uzdatnianej wodzie. Sama obecność glinu resztkowego powoduje mętności uzdatnionej wody, Powoduje późniejsze problemy z dezynfekcją wody i może powodować wytrącanie się cząsteczek glinu w trakcie dystrybucji wody. Formy występowania: glin (III) ze względu na dużą aktywność dochodzi do łączenia się z innymi związkami W wodzie występuje-> glin całkowity, na który składają się formy : glin zawieszony i glin koloidalny ->glin cząsteczkowy oraz z formy monomerycznej czyli formy rozpuszczonej w której glin występuje w połączeniu z innymi cząsteczkami, forma ta dzieli się na 2 podgrupy: glin trwały, związany z rozpuszczonym organicznym węglem, oraz glin nietrwały, związany z jonami OH, jonami fluorkowymi (F) i jonami siarczanowymi (SO4-2)
W wodach naturalnych występuje glin w postaci koloidalnej lub w postaci związanej trwale z związkami węglowymi. W wodach uzdatnionych jest więcej glinu w postaci cząsteczkowej i dodatkowo w postaci jonowej.
Stężenie glinu w wodach naturalnych jest zróżnicowane, ale są regiony gdzie stężenie jest wysokie np. Stany Zjednoczone gdzie w wodach surowych jest stężenie 1-2760mg/l. Glin ma negatywny wpływ na organizm człowieka, przedostaje się przez przewód pokarmowy i odkłada się w kościach a nie w tkankach. Przeprowadzone badania wykazały, że powoduje uszkodzenie tkanki nerwowej (Alzheimer, padaczka i demencja).
PROCESY USUWANIA GLINU
Wytracenie się glinu uzyskanie odpowiedniego pH uzdatnianej wody (6,5 – 8 ) gdy występują siarczany to pH 6-8. Jeżeli występują kwaśne węglany to wytrącanie glinu jest spowolnione.
Separacja w układzie ciało stałe – ciecz Są to procesy osadzania ( sedymentacja, flotacja, filtracja pospieszna). Czynnikami korygującymi proces jest kontrola pH i kontrola mętności. Zalecane złoże filtracyjne to złoże dwuwarstwowe: warstwa piasku o frakcji 0,8-1,2 mm i warstwa hydroantracytu o frakcji ziarna 1,4- 2,5 mm. Obie warstwy o wysokości 1 m i zalecana prędkość filtracji to 7,5 m/h. Daje nam to usunięcie glinu rzędu 50-60%. Jeżeli jest możliwość stosowania mniejszej prędkości ok. 2,6 m/h to glin usuwany jest w ok. 80%.
Filtracja na złożu z apatytu Wadą jest,że w trakcie filtracji przez złoże część fosforanów ulega rozpuszczeniu i przechodzi do wody uzdatnionej.
Uzdatnianie w procesach membranowych Zastosowanie znalazły membrany wykonane z octanu celulozy i poliwęglanowe o średnicy porów 0,45-0,2 um. Najlepsze efekty uzyskuje się przy odwróconej osmozie i elektrodializie. Jeżeli chodzi o wymianę jonową to najlepszą usuwalnością glinu charakteryzują się żywice helatujące – aby dobrze się usunęło musi być pH =4-9 – 90% usunięcia glinu.
Problem glinu jest procesem substancji wykorzystywanej w procesie uzdatniania wody i jednocześnie niebezpieczną dla człowieka. W Polsce stężenie glinu to 0,2 mg/l, natomiast dąży się do zmiany tej zawartości do 0,05mg/l.