ĆWICZENIE 3

DEKARBONIZACJA

1. Cel i zakres badań

Celem prowadzonego procesu dekarbonizacja wody jest usunięcie twardości węglanowej. Podczas ćwiczenia należy określić warunki przebiegu dekarbonizacji chemicznej.

2. Część doświadczalna

Analiza wody surowej

W wodzie surowej wykonać należy oznaczenia odczynu, zasadowości Z_p i Z_m, twardości ogólnej, wapniowej, magnezowej, wolnego dwutlenku węgla. Ustalić wielkość twardości węglanowej oraz niewęglanowej.

Badania przebiegu dekarbonizacji wody przy użyciu wapna

mg/dm³ CaO

gdzie:

D_CaO - dawka aktywnego wapna, mg/dm³,

T_w - twardość węglanowa, mval/ dm³

T_Mg - twardość magnezowa, mval/ dm³,

CO₂ - zawartość wolnego dwutlenku węgla, mval/ dm³.

Jeżeli T_Mg < T_Nw w wodzie surowej to tych wielkości nie uwzględnia się w obliczeniach dawki wapna.

Na podstawie oznaczonej zawartości tlenku wapnia w mleku wapiennym oraz zapotrzebowania wapna należy obliczyć objętość mleka wapiennego dla zdekarbonizowania 1 dm³ wody surowej.

Do dwóch zlewek o pojemności 2 dm³ wprowadzić po 1 dm³ wody surowej oraz obliczoną objętość mleka wapiennego, zawartość zlewek wymieszać. Jedną z nich pozostawić w temperaturze pokojowej, a drugą podgrzać do temperatury 80 ⁰C i utrzymywać w takiej temperaturze mieszając ciecz w obu zlewkach. Po 5-ciu minutach pobrać z każdej zlewki po 100 cm³ wody, przesączyć i w przesączu oznaczyć Z_p i Z_m. Jeżeli:

2 Z_p = Z_m dawka wapna jest prawidłowa,

2 Z_p < Z_m dawka wapna jest niewystarczająca i należy ją zwiększyć,

2 Z_p > Z_m dawka wapna jest za duża i należy ją skorygować.

Po skorygowaniu dawki wapna wodę w zlewkach ponownie wymieszać i pozostawić do sklarowania przez 30 minut utrzymując założoną temperaturę procesu w obu zlewkach.

W sklarowanych i przesączonych próbkach należy wykonać te same oznaczenia co w wodzie surowej.

Uzyskane wyniki przedstawić tabelarycznie wg proponowanego schematu:

Tabela 1. Wyniki dekarbonizacji wody wapnem

Obliczona dawka wapna ……………………….. mg CaO/dm³

Doświadczalna dawka wapna mg …………...... mg CaO/dm³

Oznaczenia

Jednostki

Woda

surowa

t1

= ^0K

t2

=

^0K

Odczyn

pH

Twardość ogólna

mval/dm^3

Wapń

mval/dm^3

Magnez

mval/dm^3

Zasadowość Zm

mval/dm^3

Zasadowość Zp

mval/dm^3

Twardość węglanowa

mval/dm^3

Kwasowość Kp

mval/dm^3

Dwutlenek węgla

mg CO2/dm^3

mval/dm

Omówić uzyskane wyniki dekarbonizacji w powiązaniu z potrzebną dawką wapna, czasem reakcji oraz wpływem temperatury na ten proces.

Wprowadzenie do ćwiczenia

DEKARBONIZACJA

Dekarbonizacja jest to usuwanie lub znaczne obniżanie twardości węglanowej wody. Twardością węglanową nazywa się tę część twardości ogólnej wody, która ilościowo odpowiada zawartości anionów wodorowęglanowych i węglanowych. W wodach naturalnych twardość węglanowa spowodowana jest prawie wyłącznie kwaśnymi węglanami wapnia i magnezu [Ca(HC0₃)₂ i Mg(HC03)₂]. Twardość węglanowa ma zasadniczy wpływ na możliwość użytkowania wody do celów chłodniczych i grzewczych, ponieważ w podwyższonej temperaturze powoduje powstawanie twardych osadów na ściankach urządzeń chłodniczych. Aniony wodorowęglanowe pod wpływem podwyższonej temperatury (powyżej 323⁰K) ulegają rozpadowi na aniony węglanowe, dwutlenek węgla i wodę wg reakcji:

Wytworzone aniony węglanowe łączą się z kationami wapnia i magnezu, ponieważ w wodzie z tymi kationami tworzą związki o najmniejszym iloczynie rozpuszczalności. Początkowo po podgrzaniu wody powstaje węglan wapnia CaCO₃ i węglan magnezu MgCO₃. W temperaturze 293⁰K w wodzie destylowanej rozpuszczalność węglanu wynosi 14 mg/dm³ CaCO₃, a węglanu magnezu 84 mg/dm³ MgC0₃. Węglan magnezu ulega hydrolizie wg reakcji:

Powstający wodorotlenek magnezu jest jeszcze mniej rozpuszczalny niż węglan magnezu, w temperaturze 291⁰K rozpuszczalność tego związku w wodzie destylowanej wynosi 9 mg/dm³ Mg(OH)₃. Odkładające się osady na metalowych ściankach chłodnic lub urządzeń grzewczych utrudniają ich eksploatację, ponieważ przewodność cieplna takich osadów jest wielokrotnie mniejsza od przewodności cieplnej metali. W kotłach podczas wrzenia wody węglan wapnia i wodorotlenek magnezu mogą wytrącać się również w postaci mułu (utrzymują się w postaci zawiesiny). Z teoretycznych przesłanek wynika, że wodę można dekarbonizować metodą termiczną, chemiczną wapnem, kwasem mineralnym lub jonitową.

Metodę dekarbonizacji wybiera się zasadniczo w zależności od przeznaczenia wody uzdatnionej i składu fizykochemicznego wody surowej. Do celów chłodniczych stosuje się chemiczne metody na zimno, a wyjątkowo metodę jonitową. Jeżeli proces dekarbonizacji jest wstępnym uzdatnianiem przed jonitowym zmiękczaniem lub demineralizacją stosuje się wapno na zimno lub w podwyższonej temperaturze. W praktyce nie stosuje się metody termicznej jako samodzielnego procesu dekarbonizacji. Niezależnie od przeznaczenia wody poszczególne metody dekarbonizacji wymagają swoistego sposobu prowadzenia i urządzeń technologicznych.

Dekarbonizacja wapnem

Uzdatnianie tą metodą polega na związaniu kwaśnych węglanów wodorotlenkiem lub tlenkiem wapnia i wytworzeniu trudno rozpuszczalnych związków wapnia i magnezu. Stosowanie tej metody jest celowe, jeżeli twardość węglanowa jest większa od 6^on. Po wprowadzeniu do wody wapna zachodzą następujące reakcje chemiczne:

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃ + 2H₂O

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + MgCO₃ + 2H₂O

MgCO₃ + H₂O → Mg(OH)₂ + CO₂

Przedstawione reakcje chemiczne przebiegają z różnymi prędkościami. Wapno reaguje najpierw z dwutlenkiem węgla, a następnie z kwaśnymi węglanami wapnia i magnezu. Dosyć szybko po kilkunastu minutach powstają węglany wapnia i magnezu, ale hydroliza węglanu magnezu do nierozpuszczalnego wodorotlenku magnezu jest dużo wolniejsza. Z tego powodu woda wykazująca przewagę twardości wapniowej jest bardziej podatna na dekarbonizację wapnem. Ilość wapna oblicza się na podstawie reakcji chemicznych przy uwzględnieniu stosunku twardości niewęglanowej do magnezowej wg następującej zależności:

mg CaO/dm³

gdzie:

D_CaO - dawka aktywnego wapna, mg/dm³,

T_w - twardość węglanowa, mval/dm³,

T_Mg - twardość magnezowa, mval/dm³,

CO₂ - zawartość wolnego dwutlenku węgla, mval/dm³.

Jeżeli twardość niewęglanowa wody surowej jest większa od twardości magnezowej i wartość w nawiasie jest ujemna, to nie uwzględnia się jej w obliczeniach. Obliczoną ilość wapna należy traktować jako orientacyjną dawkę, bardzo zbliżoną do rzeczywistego zapotrzebowania na wapno dla skutecznej dekarbonizacji. W praktyce dawkę wapna ustala się na podstawie analizy wody (przesączonej) po wprowadzeniu obliczonej ilości wapna. Jeżeli w wodzie po oddzieleniu osadów spełniona jest zależność 2Zp = Zm(2p = m) i wartość ta wynosi poniżej 1 mval/dm³, 'to dawka wapna jest właściwa i dekarbonizacja jest skuteczna (występują tylko aniony CO₃^2-). W przypadku gdy 2Zp < Zm, to występują jeszcze aniony HC0₃ i dawka wapna jest za mała, a przy odwrotnej zależności, tzn. 2Zp > Zm dawka wapna jest zbyt duża. Efekt dekarbonizacji zależy nie tylko od dawki wapna, ale również od fizycznych warunków prowadzenia procesu. Istotną rolę odgrywa stopień wykrystalizowania węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu, wielkość wytworzonych cząstek tych związków oraz sposób klarowania wody. Na proces usuwania twardości węglanowej wpływa temperatura wody, w wodzie zimnej czas potrzebny na zajście reakcji chemicznych i wytrącania osadów do 6 godzin. Można skrócić czas reakcji przez dodawanie do komór reakcji wcześniej wytrąconych osadów lub innych zarodków krystalizacji do czterech lub nawet 2 godzin. Podwyższenie temperatury wody powoduje również przyspieszenie procesu dekarbonizacji. Z danych literaturowych wynika, że celowe jest podwyższanie temperatury tylko do 303⁰K lub prowadzenie procesu w temperaturze około 368⁰K (blisko wrzenia wody).

W optymalnych warunkach wapnem można zmniejszyć twardość węglanową do wartości rzędu 0,6-1,0 mval/dm³. Taka ilość szczątkowej twardości węglanowej wynika z rozpuszczalności węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu. Układ technologiczny do dekarbonizacji wody wapnem, przedstawiony schematycznie na rys. 9. 1 składa się z następujących etapów:

a) przygotowania wody wapiennej lub mleka wapiennego,

b) dozowania reagentu do wody surowej,

c) przeprowadzenia reakcji wytrącania węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu,

d) oddzielenia wytworzonej zawiesiny od wody.

1

---