POLITECHNIKA WARSZAWSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

Uzdatnianie Wody do Celów Przemysłowych

(Laboratorium)

ODKWASZANIE WODY

Wykonali:

Michał Głowacki

Marta Jabłonowska

Paulina Łuków

Joanna Nowak

Adam Tychanowicz

Prowadzący:

prof. nzw. dr hab. inż. Jolanta Podedworna

dr inż. Jacek Wąsowski

Rok akademicki: 2012/2013

Data oddania: 14.03.2013 r.

WPROWADZENIE

Odkwaszanie wody to proces polegający na usuwaniu z wody składników kwaśnych, np. dwutlenku węgla, który w wodach powierzchniowych pochodzi głównie z atmosfery lub procesów mineralnych, natomiast w wodach podziemnych z procesów geochemicznych.

Tlenek węgla (IV) występuje w wodzie w postaci związanej, jako węglany i wodorowęglany, a także w postaci wolnej, jako tzw. równoważny, zapewniający istnienie wodorowęglanów w wodzie, oraz agresywny, mający właściwości korozyjne w stosunku do stali i betonu oraz utrudniający procesy technologiczne uzdatniania wody. Celem stosowanych technologii jest usunięcie z wody agresywnego tlenku węgla (IV), ponieważ korozja niszczy przewody i zanieczyszcza je swoimi produktami. Procesy te przebiegają stosunkowo wolno w zimnej wodzie, zaś są znacznie przyśpieszone w wodzie podgrzanej. Agresywny CO₂ pojawia się w wodzie wtedy, gdy jej pH jest zbyt niskie by zrównoważyć obecność dwutlenku węgla tworzeniem się wodorowęglanów. Usunięcie agresywnego CO₂ polega na zastosowaniu metod fizycznych, bądź chemicznych. Te drugie stosuje się, gdy skuteczność metod fizycznych i zawartość agresywnego CO₂ jest niewielka. Związanie agresywnego dwutlenku węgla można uzyskać poprzez zastosowanie reagentów o charakterze alkalicznym: wapno palone, hydratyzowe, węglan sodu oraz poprzez filtrację wody przez złoże wypełnione grysikiem marmurowym, masą Dofiltr bądź Magno. Podczas przepływu wody przez filtr zachodzą reakcje, w wyniku których zwiększa się odczyn, zasadowość i twardość wody. Wzrost tych wskaźników zależy od ilości związanego dwutlenku węgla oraz od prędkości filtracji – kontaktu wody z masą odkwaszającą.

Stabilność i korozyjność wody to wskaźniki ważne przy ocenie przydatności wody do celów przemysłowych. Jednym z czynników decydujących o stabilności wody jest ilość obecnego CO₂ w wodzie. Woda stabilna, to woda pozbawiona właściwości rozpuszczania i wytrącania węglanu wapniowego.

CEL I ZAKRES ĆWICZENIA

Celem badań było określenie odpowiedniej technologii odkwaszania wody, przy wykorzystaniu filtru z masą aktywną oraz jednoczesne przebadanie przebiegu procesu usuwania dwutlenku węgla z wody przefiltrowanej przez złoże filtracyjne z ustaloną prędkością, kolejno: 5, 10, 3 [m/h].

Zakres ćwiczenia obejmował:

1. ocenę wody surowej oraz określenie stopnia osiągnięcia celu ćwiczenia,

2. przeprowadzenie procesu odkwaszania wody w określonych warunkach przebiegu procesu filtracji,

3. analizę właściwości wody przed i po uzdatnianiu.

APARATURA I SPRZĘT

1. Laboratoryjny model kolumny filtracyjnej odkwaszającej (Rys. 3.1.),

2. Sekundomierz,

3. Pehametr.

REAGENTY I SZKŁO

Zastosowano zestawy do oznaczania:

• Zasadowości,

• Twardości ogólnej,

• Twardości węglanowej,

• Twardości wapniowej,

• Wolnego dwutlenku węgla,

• Agresywnego dwutlenku węgla.

SPOSÓB REALIZACJI BADAŃ

Przed przystąpieniem do badań wykonano oznaczenia podstawowych wskaźników próbki wody surowej. Oznaczono jej odczyn, zasadowość, twardość ogólną, twardość węglanową oraz magnezową, zawartość wolnego i agresywnego dwutlenku węgla. Następnie złoże z masą aktywną Magno zostało przepłukane strumieniem wody od dołu ku górze w celu usunięcia zatrzymanych w złożu zawiesin, rozdrobnionych cząstek materiału filtracyjnego oraz odpowietrzenia złoża. W dalszej kolejności filtrowano wodę przez złoże filtracyjne z ustaloną prędkością (5 m/h). Pierwszą porcję filtratu w ilości odpowiadającej podwójnej objętości kolumny odrzucono. W przefiltrowanej porcji wody oznaczono te same parametry, co w wodzie przed filtracją. Następnie przeprowadzono próbę filtracji z większą prędkością w celu określenia optymalnych warunków prowadzenia procesu - 10 m/h i oznaczono podstawowe wskaźniki próbki. Na końcu przeprowadzono próbę filtracji z prędkością 3 m/h wraz z oznaczeniem podstawowych parametrów.

WYNIKI BADAŃ

Otrzymane wyniki badań odkwaszania wody w filtrze z masą aktywną zostały przedstawione w poniższej tabeli (Tabela 3.1.) oraz na wykresach 3.1 -3.4.

Tabela 3.1. Wpływ badań odkwaszania wody w filtrze z masą aktywną.

Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Woda po złożu filtrowana z prędkością [m/h]
			5
pH	[-]	5,75	6,91
Zasadowość	[mval/dm^3]	2,75	6,45
Twardość ogólna	[mval/dm^3]	5,5	8,6
Twardość węglanowa *	[mval/dm^3]	2,75	6,45
Twardość wapniowa	[mval/dm^3]	4,9	3,5
Twardość magnezowa **	[mval/dm^3]	0,6	5,1
CO2 wolny	[mCO2/dm^3]	169,4	44,0
CO2 agresywny ***	[mCO2/dm^3]	18,7	4,4
Złoże z wypełnieniem z masy Magno	Średnica złoża d=40 mm
	Wysokość złoża h=110 cm
	Uziarnienie złoża g=2÷5 mm

* ) Jeżeli Tw_og > Z_og to Tw_węgl = Z_og

**) Tw_Mg = Tw_og - Tw_Ca

***) Agresywny CO₂ został oznaczony przy wykorzystaniu metody z użyciem marmuru (zastosowanie 5 – dobowego czasu kontaktu marmuru z badaną wodą). W butelce z doszlifowanym korkiem umieszczono 2-3 g marmuru a następnie unikając strat dwutlenku węgla, napełniono ją badaną wodą. Tak przygotowaną próbkę umieszczono na 5 dni w ciemnym pomieszczeniu. Po upływie 5 dni oznaczono zasadowość ogólną próbki wody z marmurem. Zawartość agresywnego CO₂ obliczono według wzoru:

$$\text{Agresywny\ }\text{CO}_{2} = \left( Z_{1} - Z_{2} \right)*22\ \left\lbrack \frac{\text{mg}\text{CO}_{2}}{l} \right\rbrack$$

Gdzie:

Z₁- zasadowość badanej próbki wody po kontakcie z marmurem [mval/l],

Z₂- zasadowość badanej próbki wody bez kontakcie z marmurem [mval/l],

Wykres 3.1. Zmiana zawartości odczynu wody w zależności od prędkości filtracji.

Wykres 3.2. Zmiana zawartości zasadowości wody w zależności od prędkości filtracji.

Wykres 3.3. Zmiana zawartości zasadowości wody w zależności od prędkości filtracji.

Wykres 3.4. Zmiana zawartości dwutlenku węgla wolnego w zależności od prędkości filtracji.

ANALIZA WYNIKÓW

Z oznaczonych parametrów dla wody surowej (tabela 3.1.) można zauważyć, że jest ona wodą zakwaszoną dwutlenkiem węgla. Stężenie dwutlenku węgla w tej wodzie jest wysokie, natomiast pH wody wynosi 5,75, co świadczy o odczynie kwaśnym wody. Łączna ilość jonów wapnia i magnezu, wynosząca 5,5 mval/l świadczy o średniej twardości wody surowej. Zawartość dwutlenku węgla w wodzie jest związana z niewielką obecnością w wodzie kwasu węglowego. Zatem woda posiada właściwości korozyjne, będzie agresywna w stosunku do betonu i stali. Taka woda wymaga ustabilizowania. Stabilizacja została podana w warunkach dynamicznych, przepuszczając wodę przez masę Magno, która wiąże dwutlenek węgla i powoduje zmianę właściwości wody, takich jak: wzrost pH, ubytek dwutlenku węgla, ubywa również dwutlenek węgla agresywny oraz część dwutlenku węgla wolnego. To właśnie agresywny dwutlenek węgla odpowiedzialny jest za proces korozji. Zasadniczą różnicą między wolnym, a agresywnym dwutlenkiem węgla jest tak zwany dwutlenek węgla równowagi, który decyduje o tym, że węglany występują w formie kwaśnych węglanów. Dwutlenek węgla występuje również w formie związanej, w formie kwaśnych węglanów co związane jest z zasadowością wody. W wyniku kontaktu wody z masą o działaniu katalitycznym odnotowuje się także ubytek dwutlenku węgla wolnego. Im dłuższy czas kontaktu wody ze złożem to rośnie pH, zasadowość, twardość ogólna wody zgodnie z reakcjami:

MgO + CO₂ + H₂O → Mg(HCO₃)₂

CO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

Wraz ze wzrostem czasu kontaktu wody z masą odkwaszającą (o składzie MgO i CaCO₃) następuje wzrost zasadowości zależny od ilości związanego CO₂ agresywnego oraz wytworzeniem wodorowęglanów wapnia i magnezu. Przyrost twardości ogólnej zależy od kontaktu wody ze złożem im dłuższy czas kontaktu tym wytrąca się więcej węglanów powodujących przyrost twardości ogólnej. Przy wydłużonym czasie filtracji obserwujemy obniżenie zawartości dwutlenku węgla, a co za tym idzie wywołanej jego obecnością kwasowości ogólnej. Zmniejszenie prędkości filtracji do 3m/h prowadzi co całkowitego usunięcia CO₂ agresywnego. Woda po procesie staje się wodą odkwaszoną, traci właściwości korozyjne, ale zyskuje na zdolności rozkładania kamienia.. Z punktu widzenia usuwania dwutlenku węgla prędkość 3 [m/h] jest mniej korzystna niż 5 [m/h], a zwłaszcza 10 [m/h] ze względu na większą wydajność.

WNIOSKI

W wodzie surowej niskie pH oraz niska zasadowość świadczą o tym, że woda posiada właściwości agresywne. Wysoka zawartość agresywnego dwutlenku węgla wymaga filtracji przez złoże aktywne. Zastosowane podczas badań złoże filtracyjne pozwoliło na odkwaszenie wody w wyznaczonym stopniu. Dla prędkości filtracji równej 3 m/h nie wykryto w wodzie agresywnego CO₂. Proces odkwaszania wody został zrealizowany. Jednakże zaobserwowany wzrost twardości ogólnej wody spowodowany wydłużeniem czasu kontaktu z masą odkwaszającą oraz wytrąceniem się węglanów nie jest zjawiskiem pożądanym z punktu widzenia zastosowania wody do celów przemysłowych. Woda do zasilania kotłów grzewczych i instalacji chłodniczych musi być miękka, tzn. pozbawiona składników powodujących tworzenie się kamienia kotłowego.