Ćwiczenie 1
Uzdatnianie wody
Cel uzdatniania wody: usuwanie zanieczyszczeń:
zanieczyszczenia zawieszone (wpływ na mętności i barwę wody)
substancje organiczne pochodzenia naturalnego i antropogenicznego (smak i zapach)
związki Fe i Mn
twardość (związki Ca i Mg), zasolenie
pasożyty i drobnoustroje (dezynfekcja)
Metody usuwania stałej zawiesiny
Koagulacja, flokulacja, klarowanie
Filtracja
Koagulacja wody solami glinu i żelaza Zasady teoretyczne procesu
Koloidy są to substancje stałe, rozdrobnione, których średnica cząsteczek wynosi 10-9 do 2*10-7 m.
Cząstki rozproszone < od 10-9m tworzą z wodą roztwór właściwy i nie są identyfikowalne metodami optycznymi
Cząstki > 2*10-7 m tworzą zawiesinę, która jest dostrzegana gołym okiem.
Związki koloidalne nadają wodom naturalnym barwę i mętność i nie dają się usunąć za pomocą metod mechanicznych
Układy koloidowe
Koloidy składają się cieczy, w której fazę rozproszona (zdyspergowaną) stanowią cząstki o wymiarach koloidowych.
Układy te charakteryzują się stabilnością. Siłami stabilizującymi są przeważnie siły elektrostatycznego odpychania się cząstek koloidowych, jednoimiennie naładowanych.
Budowa cząstki koloidowej
jądro
warstwa ładująca (+)
warstwa absorpcyjna (-)
warstwa dyfuzyjna (+ - )
potencjał elektrokinetyczny zeta
Pomiędzy warstwom absorpcyjną i warstwą dyfuzyjną powstaje różnica potencjałów elektrokinetycznych tzw. potencjał zeta - ζ. Który świadczy o stopniu trwałości koloidu.
Szybkości procesu koagulacji
Oznaczenia:
próg koagulacji,
koagulacja powolna.
Koagulacja szybko
ζ - potencjał elektrokinetyczny - potencjał zeta
Koagulacja
Koagulacja
Zol Żel
(ciało w stanie koloidalnym) (bezpostaciowe osad wydzielony
z roztworu koloidalnego)
peptyzacja
koagulację można spowodować przez:
Dodatek elektrolitu redukującego potencjał elektrokinetyczny
Dodatek roztworu koloidu (koagulantu) o przeciwnym ładunku
Działanie promieniami Beta i Gamma
Ogrzewanie
Działanie mechaniczne np. wytrząsanie
Koagulacja i jej przebieg
I faza dodatek koagulanta destabilizacja cząstek koloidalnych (kilka sekund, intensywne mieszanie)
II faza flokulacja - dodatek flokulanta - transport i zderzenia cząstek zdestabilizowanych i powstawanie kłaczków sedymentacja filtracja (1-24 godziny, powolne mieszanie)
Koagulanty
Koagulantami nazywamy związki chemiczne, które w wodzie ulegają hydrolizie tworząc nierozpuszczalne wodorotlenki i wolny kwas. Najczęściej stosujemy
Fe2(SO4)2 - siarczan żelaza
Al2(SO4)3 x 18 H2) - siarczan glinu
NaALO2 - glinian sodu
FeCl3 - chlorek żelaza
FeSO4 . 7 H2O[(Fe2SO4)3+FeCl3] - chlorowany siarczan żelazowy
Ilości koagulanta powinna być dawką optymalną tj. najmnijszą ilością koagulantu dającą najlepsze wyniki.
Koagulacja - chemizm
Koagulanty w wodzie ulegają dysocjacji a następnie hydrolizie (wielostopniowej):
Fe2(SO4)3 + 6H2O 2Fe(OH)3 + H2SO4 Jony H+ muszą być usuwane z wody H+ + HCO3 H2CO3 H2O + CO2
W wodzie wzrasta stężenie wolnego CO2, co prowadzi do agresywności kwasowęglowej wody.
Flokulacja
Flokulacja - proces nagromadzania koloidalnych cząsteczek przez dodatek flokulantów, przyspieszających sedymentację (osiadanie) cząstek zawiesiny w wodzie.
Sedymentacja
Sedymentacja - zjawisko zagęszczania zawiesiny pod wpływem działania pola grawitacyjnego Ziemi.
Konieczne zaistnienia zjawiska - różnica pomiędzy gęstością ciała stałego i cieczy
Prawo Stokesa - prędkości swobodnego opadania cząstek w cieczy V0:
Gdzie:
V0 - szybkości opadania, m/s
.g - przyśpieszenie grawitacyjne, 9,80665 m/s2
- gęstości masy ziarna, kg/m3
- gęstości cieczy, kg/m3
- lepkości dynamiczna cieczy, kg/(m s)
d -średnica cząstki, m
Flokulanty organiczne - polielektrolity
związki jonowe (polielektrolity) - zobojętniają ładunki elektryczne którymi obdarzone są cząstki koloidalne i przyśpieszają koagulację
dodatek koagulanta jest niewielki rzędu mg/dm3
flokulant anionowy będzie reagował z zawiesiną której cząsteczki zawieszone są elektro dodatnie (potencjał zeta dodatni): wodorotlenki metali, sole
flokulant kationowy będzie reagował z zawiesiną cząsteczkach elektro ujemnych: krzemian związki organiczne.