Politechnika Krakowska

Wydział Inżynierii Środowiska

Ochrona Środowiska ROK III

Technologia wody

Ćwiczenie 2

Usuwanie żelaza i manganu

1. Wstęp teoretyczny

A. Odżelazianie

Żelazo występuje we wszystkich rodzajach wód. W wodach podziemnych występuje Fe 2-wartościowe jako Fe(HCO₃)₂. W wodach kopalnianych występuje jako FeSO₄, a w torfowiskach i pokładach węgla brunatnego jak związki humusowe. Wody żelaziste mają swoisty, niemiły, atramentowy smak, które czyni je niezdatnymi do picia. Żelazo nie jest szkodliwe dla zdrowia. Ze względu jednak na barwiące własności nie nadaje się do użytku domowego i przemysłowego. Odżelazianie takiej polega przede wszystkim na przemianie żelaza rozpuszczalnego w wodzie 2-wartościowego do żelaza nierozpuszczalnego w wodzie 3-wartościowego. Rozróżniamy 4 metody odżelaziania:

• napowietrzanie wody

• napowietrzanie i alkalizacja (wapniowanie) wody

• koagulacja (do wód powierzchniowych)

• wymiana jonów (do wód przemysłowych)

Najbardziej rozpowszechnioną metodą jest napowietrzanie. Dotyczy to przede wszystkim wód podziemnych. Wykonuje się to w tzw. aeratorach. Drugą mniej znaną metodą jest wapniowanie wodorotlenkiem wapnia (II)

1. Dekarbonizacja Wody

Dekarbonizacja wapnem ma na celu zmniejszenie twardości węglanowej wody przez

wytrącenie osadu węglanu wapnia (CaCO3) za pomocą wodorotlenku wapnia (Ca(OH)2),

który wprowadza się do wody w postaci wody wapiennej (nasycony, klarowny, roztwór

wodorotlenku wapnia) lub mleka wapiennego (suspensja o zawartości Ca(OH)2 około 5%)

przy zużyciu wapna powyżej 250 kgCaO/d. Dekarbonizację stosuje się zarówno w układach uzdatniania wody przeznaczonej do celów przemysłowych (energetyka, ciepłownictwo), jak również w układach oczyszczania wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Zastosowanie procesu dekarbonizacji w układzie oczyszczania wody umożliwia - oprócz zmniejszenia jej twardości węglanowej - także usunięcie zanieczyszczeń (mineralnych i organicznych) występujących w postaci koloidów i zawiesin, skuteczne odżelazienie i odmanganienie wody, a także częściowe usunięcie mikroorganizmów.

2. Odmanganianie

Mangan występuje w wodach w postaci zw. nieorganicznych Mn(HCO₃)₂, MnSO₄ lub związków organicznych. Ze względu na barwiące własności, mangan czyni wodę niezdatną do użytku domowego i przemysłowego. Bakterie manganowe mogą powodować zatykanie przewodów wodociągowych, psucie smaku wody i inne uciążliwości. Mangan usuwa się poprzez napowietrzanie i filtrację. Proces zachodzi przy okazji odżelaziania. Metody:

• chemiczno - mechaniczna

• biologiczna

• połączenie obu metod

2. Przebieg ćwiczenia oraz obliczenia i wyniki

Celem ćwiczenia było określenie odżelaziania i odmangannia w wody oraz określenie i ustalenie optymalnej dawki CaO

Wykonanie ćwiczenia:

Aparatura, szkło i odczynniki:

- zestaw do napowietrzania wody

- zestaw mieszadeł

- 1.0 % roztwór mleka wapiennego (CaO)

- zlewki o pojemności 1,0 dm3

- zestaw do sączenia

- zestaw odczynników do oznaczania żelaza i manganu w wodzie

Sposób wykonania:

1. W wodzie surowej oznaczyć: pH, zasadowość, żelazo i mangan.

2. Wodę napowietrzać przez ok. 1- 2 minut, a następnie w wodzie napowietrzonej

oznaczyć: pH, zasadowość, żelazo i mangan. Oznaczenia żelaza i manganu i

zasadowości wykonać na próbkach sączonych.

3. Wodę napowietrzoną rozlać do 3 zlewek po 0,5 dm3 i ustawić je w aparacie do

mieszania. W czasie mieszania do zlewek dodać 1% roztwór mleka wapiennego, w dawkach I- 20 (mgCaO/dm³) II- 40 (mgCaO/dm³) III - 60 (mgCaO/dm³)

4. Próby mieszać przez 15 minut; po tym czasie pobrać z każdej ze zlewek próbkę

wody i oznaczyć w niej stężenie żelaza i manganu, po uprzednim przesączeniu.

Sprawdzić pH i zasadowość wody.

Wykonanie oznaczenia Żelaza

Do kolby stożkowej odmierzyć 100 cm3 badanej klarownej cieczy.

Do drugiej kolby odmierzyć 100 cm3 wody destylowanej (ślepa próba).

Wystarczy przygotować 1 ślepą próbę dla całej grupy.

Do obydwu kolb dodać:

- 5 cm3 roztworu KWASU SOLNEGO (HCl) 1+1,

- ¼ płaskiej łyżeczki NADSIARCZANU AMONU i wymieszać.

Odczekać 5 minut. Dodać 2 cm3 50% roztworu RODANKU AMONOWEGO (NH4CNS) i ponownie wymieszać. Odczekać 2 minuty, a następnie odczytać absorbancję na spektrofotometrze. Jako odnośnika użyć próbki z wodą destylowaną (ślepą próbą). Długość fali 480 nm, kuweta 4 cm.

Obliczanie wyników

gdzie:

V- objętość badanej próbki, użytej do oznaczenia (cm3)

Wykonanie oznaczenia manganu

Do kolby stożkowej (o pojemności 300 ml) odmierzyć 100 cm3 badanej klarownej cieczy.

Do drugiej kolby odmierzyć 100 cm3 wody destylowanej (ślepa próba).

Wystarczy przygotować 1 ślepą próbę dla całej grupy.

Do obydwu kolb pod dygestorium dodać 5 cm3 ODCZYNNIKA SREBROWORTĘCIOWEGO. Odstawić kolbki na grzałkę i pozostawić tam do zagotowania.

W chwili, gdy próbka zacznie wrzeć proszę powiadomić prowadzącego.

W obecności prowadzącego zdejmujemy próbkę z grzałki i gdy przestanie wrzeć

dodajemy porcjami NADSIARCZAN AMONU. Próbka powinna się zabarwić (jeśli

w próbce jest mangan) na różowo. Próbkę ponownie odstawiamy na grzałkę,

gotujemy 1 - 2 minut, po czym zdejmujemy próbkę z grzałki.

Po zdjęciu z grzałki kolbkę chłodzimy pod bieżącą wodą do temperatury pokojowej.

Zawartość kolbki przelewamy do cylindra miarowego i dopełniamy do 100 cm3

wodą destylowaną z tryskawki.

Po dopełnieniu próbkę z powrotem przelewamy do tej samej kolbki miarowej, a

następnie odczytujemy absorbancję na spektrofotometrze.

Jako odnośnika użyć próbki z wodą destylowaną (ślepą próbą).

Długość fali 525 nm, kuweta 4 cm.

Obliczanie wyników

gdzie:

V- objętość badanej próbki, użytej do oznaczenia (cm3)

Wykonanie oznaczenia zasadowości

Do kolby stożkowej odmierzyć 100 cm3 badanej klarownej cieczy. Dodać 3 - 4 krople roztworu FENOLOFTALEINY. Zamieszać i postępować według jednej z dwóch możliwości: Jeśli roztwór zabarwi się na różowo, miareczkować próbkę 0,1n KWASEM SOLNYM (HCl) do zaniku zabarwienia. Odczytać objętość HCl zużytego do miareczkowania próby wobec fenoloftaleiny (vf). Następnie do tej samej próbki dodać 3 krople ORANŻU METYLOWEGO i miareczkować dalej do pierwszej zmiany zabarwienia z żółtej na łososiową. Odczytać objętość HCl zużytego od początku miareczkowania próbki do chwili zmiany zabarwienia wobec oranżu metylowego (vm).W przypadku , gdy po dodaniu FENOLOFTALEINY próbka nie zabarwia się (co oznacza, że nie ma zasadowości oznaczanej wobec tego wskaźnika), należy od razu dodać 3 krople ORANŻU METYLOWEGO i miareczkować dalej do pierwszej zmiany zabarwienia z żółtej na łososiową.

Obliczanie wyników

gdzie:

vf - ilość cm3 roztworu HCl zużytego do zmiareczkowania próbki wobec fenoloftaleiny lub oranżu metylowego

n - normalność użytego roztworu HCl, czyli 0,1

V- objętość badanej próbki, użytej do oznaczenia (cm3)

Wyniki i wnioski

Oznaczenia	Jednostki	Woda surowa	Napowietrzanie Tp= 3 min	1	2	3
pH		6,95	4,15	8,25	8,28	8,30
Fe(II)		5,88	0,12	0,136	0,14	0,164
Mn		0,56	0,38	0,103	0,073	0,049

Ilość manganu i żelaza jest normowana i wartości tych parametrów nie mogą przekraczać odpowiednio 0,2 g Fe/m3 i 0,05 g Mn/m3

Wnioski:

Woda surowa nie nadawała się do spożycia ze względu na zbyt wysoki poziom żelaza i manganu.

Po napowietrzeniu zaobserwowano znaczący spadek stężenia żelaza i manganu dzięki czemu ilość żelaza w wodzie zaczęła się mieścić w granicach ustalonych przez Ministra Zdrowia Jednocześnie reszta wskaźników również się obniżyła, jednak poziomu manganu nie obniżono dostatecznie co definitywnie wyklucza taką wodę jako zdatną do spożycia przez człowieka.

Dopiero przy użyciu metody dekarbonizacji wody (przy stężeniu 60 mgCaO/dm³ ) udało się obniżyć poziom żelaza i manganianu do podanych w ustawie co sprawia że ta ostania metoda jest najlepsza do jednoczesnego pozbywania się manganu i żelaza z wod.

---