Źródła CO2 w wodach podziemnych
- z infiltrujących wód powierzchniowych i opadowych
2FeSO4 + 1/2O2 + 5H2O → 2Fe(OH)3 + 2H2SO4
H2SO4 + Ca(HCO3)2 → CaSO4 + 2CO2 + H2O
- jest produkowany podczas przemian biochemicznych zachodzących w strefie glebowej oraz gruncie
- powstaje podczas różnych procesów geochemicznych np. wietrzenia minerałów węglanowych
FeCO3 + H20 → Fe(OH)2 + CO2
-redukcji siarczanów w obecności węgla organicznego
$$\text{CaSO}_{4}*H_{2}0 + \ \text{CH}_{4} \rightarrow CaS + {4H}_{2}0 + \text{CO}_{\begin{matrix}
2 \\
\\
\end{matrix}}\ $$
FeSO4 + 2C → FeS + 2CO2
-diagenezy i metamorfizmu skał węglanowych i innych
CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2
-przemiany biochemiczne
Nadmiar CO2 z wód podziemnych wydziela się po ich wypływie na powierzchnie ziemi dążąc do stanu równowagi węglanowo-wapniowej
Źródła CO2 w wodach powierzchniowych
- reakcje biologiczne
- koagulacja H+ + HCO3− → CO2 + H2O
- zmiękczanie wody metodami termicznymi Ca(HCO3)2 → CaCO3 + 2CO2 + H2O
- zmiękczanie wody metodami szczepienia kwasami Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
- zmiękczanie wody na kationie słabo kwaśnym w cyklu wodorowym
2KtH + Ca(HCO3)2 → Kt2Ca + CO2 + H2O
Odkwaszanie wody polega na usuwaniu z niej agresywnego CO2 nadającego wodzie charakter agresywny. W wodach naturalnych CO2 może występować w postaci wolnej( przynależny lub agresywny) lub związanej ( wodorowęglany HCO3− w węglany CO32−). Równowaga- CaCO3 + CO2 ↑ +H2O → Ca(HCO3)2. Jeżeli CO2 nie powoduje rozpuszczenia osadu CaCO3 to jest przynależny.Każdy nadmiar CO2 w stosunku do równowagowego jest agresywny. Reguła przekory mówi o tym że jeżeli będzie się usuwać z układu jakiś składnik, to układ będzie zużywał albo substraty lub produkty.
Metody fizyczne odkwaszania wody
Odkwaszanie wody polega na usuwaniu z niej agresywnego CO2 nadającego wodzie charakter agresywny. Istota procesu polega na przejściu CO2 obecnego w wodzie do powietrza w wyniku kontaktu dwóch mediów, co uzyskuje się w urządzeniach ciśnieniowych lub otwartych. Podczas kontaktu wody z powietrzem atmosferycznym następuje wyrównanie ciśnień cząstkowych gazów w tych dwóch fazach. Tlen oraz azot przechodzą z powietrza do wody, zaś dwutlenek węgla z wody do powietrza. Proces wymiany gazów opisuje prawo Henry ‘ego p=$\frac{H*C}{P_{T}}$ , (mol gazu/ mol powietrza)
O skuteczności wymiany gazów poza temperatura decydują zasolenie wody, rodzaj i stężenie wymienanych gazów, wielkośc powierzchni międzyfazowej układu woda-powietrze, czas kontaktu wody z powietrzem, wartość stałej Henry’ego oraz sposób napowietrzania wody. Zalecana średnica kropel wynosi 50-1000um, a czas napowietrzania od 1 do 1800 s .Podczas napowietrzania wody oprócz CO2 usuwane są z niej ine gazy takie jak H2S i CH4 oraz lotne związki organiczne. Wprowadzany do wody tlen utlenia żelazo z drugiego na trzeci stopień utlenienia oraz inne zredukowane domieszki. W wyniku usuwania CO2 zwięksa się wartość pH oczyszczanej wody. Wymagana intensywnośc odkwaszania zależy od zasadowości wody.Okwaszanie wody powinno być tak przeprowadzane aby woda przesyłana do sieci wodociągowej nie charakteryzowała się agresywnością kwasowo węglową a wiec musi spełniać warunki stanu równowagi węglanowo-wapniowej . Jeżeli zasadowowosć wody >5 – stosujemy metody ciśnieniowe, <5, napowietrzanie otwarte, 4-5- wytryski zwykłe, 3-4 dysze zderzeniowe, 2-3 złoża ciekowe. Wieże strippingowi- wypełnione w całości materiałem ceramicznym lub syntetycznym, z tym że powietrze jest wpuszczane z trzech stron.
Metody chemiczne odkwaszania wody
Stosuje się je wtedy gdy wcześniej nie stosowano metod fizycznych lub gdy ich skuteczność była niewystarczająca, a także jeżeli zawartość CO2 agresywnego w wodzie jest mała. Do chemicznego wiązania CO2 stosuje się wapno palone lub hydratyzowane
CaO+H20 + 2CO2 → Ca(HCO3)2
Wapno palone jest bardziej reaktywne od hydratyzowanego ale bardziej kłopotliwe w przygotowaniu roztworu mleka wapiennego, gdyz powinno być wstępnie gaszone przy stosunku wody do wapnia 7:1 , a następnie rozcieńczone do pożądanego stężeni. Wapno do wody może być dawkowane w postaci wody wapiennej tj. zawiesiny wapna w wodzie lub czasami zamiast wapna do wody można dawkować sodę kalcynowaną Na2CO3 lub NaOH wg reakcji
Na2CO3 + H20 + CO2 → 2NaHCO3 + H20
NaOH+CO2-> NaHCO3
Zastosowanie NaOH niesie za sobą ryzyko przealkalizowania wody w miejscu dodania NaOH i wytrąceniu wodorotlenku magnezowego przy pH>11
Związanie CO2 można uzyskać również stosując filtrację wody przez złoże wypełnione masami chemicznie aktywnymi. Najstarszą metodą jest filtrowanie przez złoże z grysiku marmurowego. Praktyczne zużycie marmuru wynosi 2,5 g na 1 g agresywnego CO2 i przebiega wg reakcji
CaCO3 + CO2 + H20 → Ca(HCO3)2
Bardzo popularna masą odkwaszającą jest masa Dofiltr(Magno). Jest otrzymywana w procesie częściowej dekarbonizacji dolomitu w odpowiedniej temperaturze tak, aby łatwo rozpuszczalny węglan magnezowy przeszedł w trudno rozpuszczalny tlenek magnezowy wg reakcji
Ca * Mg(CO3)2 → MgO * CaCO3 + CO2, natomiast węgln wapnia pozostał w stanie niezmienionym. Masa Dolfiltr reaguje z CO2 zgodnie z reakcjami
MgO + CO2 + H20 → Mg(HCO3)2
CaCO3 + CO2 + H20 → Ca(HCO3)2
Ostatnio na rynku pojawiło Się wiele mas odkwaszających, którymi składnikami są CaCO3, MgO, CaO
O składzie uzdatnianej wody dezyduje głownie prędkość filtracji ( czas kontaktu ze złożem), stosowanie zbyt małej prędkości filtracji prowadzi do wzrostu odczynu pH>8,3 i w konsekwencji o wytrącania się w złożu CaCO3 . Aby temu zapobiec, należy zapewnić właściwą prędkość filtracji oraz wysokość złoża, które należy określić w badaniach technologicznych konkretnej wody.