Woda dla zastosowań przemysłowych (1). Strącanie i koagulacja

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa    zobacz pdfa     

Woda wykorzystywana jest w przemyśle w różnoraki sposób i z tego względu zróżnicowane są wymagania dotyczące jej jakości, a co za tym idzie – metody jej uzdatniania. Dla uproszczenia pomijamy tu wody stosowane do hydrotransportu czy typowe dla dużych zakładów obiegi szeregowe lub zamknięte, w których wymagania dotyczące jakości zazwyczaj nie są zbyt wygórowane. Natomiast w większości przypadków wód produkcyjnych parametry jakości dla poszczególnych gałęzi przemysłu są na ogół ściśle sprecyzowane, co pociąga za sobą konieczność stosowania odpowiednich procesów technologicznych zapewniających spełnienie tych wymagań. Podobnie jest w przypadku wód dla celów kotłowych, a także chłodniczych.

Doboru metod oczyszczania dokonuje się w oparciu o kryterium parametrów jakości wody surowej oraz docelowej jakości wody. Woda surowa może pochodzić z ujęć wód podziemnych lub ujmuje się ją z wód powierzchniowych. Spróbujmy je krótko scharakteryzować.

Wody podziemne
Typowymi głównymi domieszkami wód podziemnych są sole wapnia, magnezu, sodu i potasu. Wśród anionów dominują wodorowęglany oraz, w stosunkowo niewielkich ilościach, chlorki i siarczany. Wapń i magnez nadają wodzie cechy określane mianem twardości: jeśli towarzyszy im anion wodorowęglanowy, twardość określa się jako węglanową albo przemijającą, jeśli inne aniony (chlorki, siarczany), twardość określamy jako niewęglanową. Ponadto często domieszkami wód podziemnych są rozpuszczalne sole żelaza i manganu, głównie na drugim stopniu utlenienia. Są one niepożądane w wodzie przeznaczonej do picia, gdyż powodują zarastanie sieci wodociągowych oraz instalacji domowych i armatury, a także – w przypadku zastosowań przemysłowych – stanowią zagrożenie dla szeregu procesów technologicznych. W określonych warunkach hydrogeologicznych wody podziemne mogą zawierać koloidalne związki humusowe nadające im brunatne zabarwienie. Gazem powszechnie występującym w wodach podziemnych jest dwutlenek węgla, który jeśli jest obecny w większych ilościach, utrudnia procesy odżelaziania i odmanganiania. Niekiedy występuje też siarkowodór pogarszający właściwości organoleptyczne wody. Temperatura wód podziemnych jest stabilna i zazwyczaj kształtuje się na poziomie średniej rocznej temperatury danego rejonu.

Wody powierzchniowe
W wodach powierzchniowych dominują praktycznie te same jony podstawowe, jak w przypadku wód podziemnych. Główne kationy to wapń, magnez, a aniony to wodorowęglany, chlorki i siarczany. W odróżnieniu od wód podziemnych żelazo i mangan występują w tych wodach w postaci nierozpuszczalnych soli na wyższych stopniach utlenienia. Odrębną klasę domieszek wód powierzchniowych stanowią koloidy tworzące stabilne układy cząstek mineralnych nadających wodzie mętność oraz materię organiczną (humusy) powodującą żółtobrunatne zabarwienie wody. W wodach powierzchniowych bardzo ważnym czynnikiem jakościowym są organizmy żywe: obecne w toni wodnej wirusy, bakterie oraz fito- i zooplankton Gwałtowny rozwój planktonu mający miejsce najczęściej w miesiącach wiosennych lub letnich, a określany mianem zakwitów, bywa przyczyną nagłych zmian barwy i mętności wody. Pośród gazów rozpuszczonych dominują: tlen pochodzący głównie z powietrza atmosferycznego oraz dwutlenek węgla, którego stężenia są na ogół niższe niż w wodach podziemnych. W odróżnieniu od wód podziemnych temperatura wód powierzchniowych ulega znacznym zmianom sezonowym.

Metody oczyszczania wód
Celem uzdatniania wód jest zwykle uzyskanie jakości odpowiadającej wymogom stawianym wodzie do picia lub wodzie przeznaczonej dla określonych zastosowań przemysłowych czy energetycznych. W skład układów technologicznych uzdatniania wchodzą poszczególne procesy jednostkowe, dobrane i wzajemnie usytuowane stosownie do jakości wody surowej i wymagań stawianym wodzie uzdatnionej.

* Procesy separacji fazy stałej to grupa zabiegów technologicznych służących do usuwania z uzdatnianej wody wszelkiego rodzaju zawiesin. Do tej grupy zalicza się sedymentację, która jest procesem oddzielania zawiesin z wykorzystaniem siły ciężkości, realizowanym w różnej konstrukcji osadnikach, oraz flotację, polegającą na wynoszeniu zawiesin o niższym ciężarze właściwym niż woda na jej powierzchnię. Obniżenie ciężaru właściwego zawiesin osiąga się w tym przypadku przez wprowadzenie do wody mikropęcherzyków powietrza w procesie flotacji ciśnieniowej. Sedymentacja lub flotacja poprzedza filtrację, która jest podstawowym procesem separacji fazy stałej w technologii uzdatniania wody. Polega ona na oddzieleniu fazy stałej od ciekłej podczas przepływu wody przez ośrodek porowaty, jakim jest złoże filtracyjne. Złoża filtracyjne budowane są z materiałów naturalnych (piasek kwarcowy, kruszony granit, antracyt, piroluzyt itp.) lub syntetycznych (materiały otrzymywane z tworzyw sztucznych). Zależnie od sposobu wymuszenia przepływu filtry dzielimy na otwarte, grawitacyjne (przepływ wymuszany jest słupem wody nad złożem filtracyjnym) i zamknięte ciśnieniowe (przepływ wymuszany jest ciśnieniem uzyskiwanym za pomocą pomp).

* Koagulacja jest procesem przeznaczonym do oddzielenia z wody domieszek występujących w formie koloidów. Polega ona na łączeniu poszczególnych cząstek koloidalnych (które – z uwagi na małe rozmiary – nie mogą sedymentować w wodzie) w większe aglomeraty, które można następnie oddzielić z wody za pomocą procesów separacji fazy stałej: sedymentacji lub flotacji, z następującą potem filtracją. Koagulację realizuje się najczęściej za pomocą hydrolizujących, nieorganicznych soli glinu lub żelaza, zwanych koagulantami.

Sam proces koagulacji obejmuje dwie następujące po sobie fazy, a mianowicie:

– destabilizację koloidów przez dodanie koagulantu i staranne jego wymieszanie z wodą,

– flokulację, w trakcie której, mieszając powoli zdestabilizowane koloidy i produkty hydrolizy koagulantu, doprowadza się do utworzenia aglomeratów.

Urządzenia, w których realizuje się ten proces, to mieszacze szybkie (pierwsza faza koagulacji) i mieszacze wolne, zwane też komorami flokulacji (faza flokulacji).

Dla przyspieszenia i zwiększenia efektywności opisanych procesów stosuje się dodatek niewielkich ilości substancji wspomagających flokulację, zwanych flokulantami nieorganicznymi (np. krzemionka aktywowana) lub organicznymi (są to zazwyczaj polimery organiczne).

Koagulacja jest podstawowym zabiegiem technologicznym przeznaczonym do obniżenia mętności i/lub barwy wód powierzchniowych, a także usuwania planktonu w okresie zakwitu.

* Strącanie polega na wprowadzaniu do wody reagentów, które reagując z domieszkami występującymi w postaci jonowej, tworzą związki trudno rozpuszczalne w wodzie, które po wytrąceniu mogą być od niej oddzielane znanymi metodami separacji fazy stałej. W technologii uzdatniania wody procesy strącania wodorotlenkiem wapnia [Ca(OH)2] stosowane są przede wszystkim do częściowego zmiękczania wody, a ich przebieg ilustrują reakcje:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ” 2CaCO3$ + 2H2O,

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 ” MgCO3 + CaCO3$ + 2H2O,

MgCO3 + Ca(OH)2 ” Mg(OH)2$ + CaCO3$.

Jak wynika z przedstawionych reakcji, strącanie wapnem obniża twardość węglanową, tj. tę część twardości, którą tworzą wodorowęglany wapnia i magnezu. Proces taki w technologii uzdatniania wody określany jest mianem dekarbonizacji.

Strącanie za pomocą wodorotlenku sodu przebiega podobnie, jednak jednym z produktów reakcji jest węglan sodowy, który reaguje dalej z solami wapnia tworzącymi twardość niewęglanową:

Ca(HCO3)2 + 2NaOH ” CaCO3$ + Na2CO3 + 2H2O,

Mg(HCO3)2 + 4NaOH ” Mg(OH)2$ + 2Na2CO3 + 2H2O,

CaSO4 + Na2CO3 ” CaCO3$ + Na2SO4.

W ten sposób, oprócz dekarbonizacji, w tym procesie usuwa się dodatkowo wapniową twardość niewęglanową.

* Procesy utleniania realizowane mogą być za pomocą napowietrzania, nadmanganianu potasu, chloru, dwutlenku chloru i ozonu. Trzy ostatnie spośród wymienionych utleniaczy stosowane są w technologii uzdatniania wody do dezynfekcji.

Napowietrzanie służy do desorpcji gazów i niektórych lotnych mikrozanieczyszczeń organicznych z wody oraz do utleniania tlenem powietrza niektórych domieszek wody.

Desorpcja gazów dotyczy głównie dwutlenku węgla, którego usunięcie z wody podwyższa jej pH i ułatwia odżelazienie i/lub odmanganienie. Tym sposobem można też desorbować z wody inne rozpuszczone gazy, np. siarkowodór lub metan.

Utlenianie tlenem powietrza jest szeroko stosowane do utlenienia rozpuszczonych w wodzie soli żelaza i manganu +2 do nierozpuszczalnych związków odpowiednio na +3 i +4 stopniu utlenienia, co w uproszczonej postaci można zapisać następująco:

4 Fe2+ + O2 + 10 H2O → 4 Fe(OH)3 + 8 H+,

2 Mn2+ + O2 + H2O → 2 MnO2 + 4 H+.

Nierozpuszczalne produkty utlenienia są następnie w procesie filtracji usuwane z wody. W większości przypadków po napowietrzeniu oba procesy – utlenianie i usuwanie z wody produktów utlenienia – przebiegają jednocześnie w złożu filtracyjnym. Jest to najprostsza i najszerzej stosowana metoda odżelaziania i/lub odmanganiania wody.

Nadmanganian potasu jest utleniaczem stosunkowo rzadko stosowanym w technologii uzdatniania wody, służy niekiedy do usuwania nieprzyjemnego zapachu.

Chlor ma dwojakie zastosowanie w technologii uzdatniania wody: jako dezynfektant i utleniacz. Jako utleniacz znajduje zastosowanie do niszczenia zoo- i fitoplanktonu oraz obniżania barwy i/lub usuwania nieprzyjemnego zapachu wody.

Dwutlenek chloru zyskuje coraz szersze zastosowanie jako dezynfektant i czynnik technologiczny jako alternatywa chloru. Zaletami odróżniającymi go od powszechnie stosowanego chloru to m.in. lepsza skuteczność dezynfekcji w szerszym zakresie pH oraz zwiększenie efektywności koagulacji.

Ozon znajduje szerokie zastosowanie zarówno jako dezynfektant (jednak z powodu niskiej trwałości na ogół nie może być stosowany jako dezynfektant końcowy), jak i czynnik technologiczny. W tym przypadku m.in. wspomaga proces koagulacji/flokulacji, obniża barwę wód naturalnych zawierających humusy, a także poprawia smak i zapach wody.

W kolejnym artykule kontynuować będę tematykę.

dr Sławomir Biłozor

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij