Woda dla zastosowań przemysłowych (2). Kontakt z jonitem

zobacz artykuł w formie pdf   zobacz pdfa   zobacz pdfa 

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 sorpcyjne
Procesy tego typu w technologii uzdatniania wody polegają na wiązaniu substancji rozpuszczonych w wodzie (określanych mianem sorbatu) na powierzchni ciała stałego (sorbentu). W technologii uzdatniania wody najczęściej stosowanymi sorbentami są węgle aktywne. Stosowane są w dwóch postaciach:
* jako węgiel pylisty (PWA) – dawkowany jest do wody np. podczas koagulacji, a następnie usuwany z niej w procesie sedymentacji i filtracji,
* jako węgiel ziarnisty albo granulowany (GWA) – węgiel w tej postaci zasypywany jest do filtrów, a oczyszczanie wody ma miejsce w czasie jej przepływu przez takie złoże.
Procesy sorpcyjne służą najczęściej do usuwania z wody substancji zapachowych i niektórych innych mikrozanieczyszczeń organicznych oraz metali ciężkich.

Wymiana jonowa
Wymiana jonowa jest procesem wykorzystującym zjawisko polegające na tym, że pewne substancje stałe w kontakcie z roztworem wykazują zdolność do odwracalnej zamiany jednych jonów na inne jony. Proces ten jest stechiometryczny i odwracalny. Substancje posiadające zdolność wymiany jonów nazywane są wymieniaczami jonowymi albo jonitami.
Jonity zdolne do wymiany kationów nazywa się kationitami. Jonity zdolne do wymiany anionów nazywa się anionitami.
W praktyce uzdatniania wody kontakt jonitu z roztworem zachodzi najczęściej w warunkach dynamicznych, gdy woda przepływa przez stacjonarne złoże jonitu, rzadziej w warunkach fluidalnych, gdy złoże jonitu jest zawieszone w przepływającym roztworze.
Wymiana jonowa znajduje szerokie zastosowanie w technologii uzdatniania wody dla celów energetycznych i przemysłowych w procesach zmiękczania i/lub dekarbonizacji wody oraz dekationizacji i demineralizacji wody,
Zmiękczanie wody na jonitach polega na usuwaniu z niej twardości węglanowej i niewęglanowej, tj. wszystkich jonów wapnia i magnezu w silnie kwaśnym kationicie pracującym w cyklu sodowym przez zamianę ich na jony sodowe:

2RNa + Ca(HCO3)2 D R2Ca + NaHCO3.
2 RNa + Mg(HCO3)2 D R2Mg + 2 NaHCO3,
2 RNa + CaCl2 D R2Ca + 2 NaCl,
2 RNa + MgSO4 D R2Mg + Na2SO4.

Dekarbonizacja wody polega na usunięciu z wody tylko twardości węglanowej przy użyciu słabo kwaśnego kationitu pracującego w cyklu wodorowym [6]:
2 RH + Ca(HCO3)2 D R2Ca + 2 H2O + 2 CO2,
2 RH + Mg(HCO3)2 D R2Mg + 2 H2O + CO2.

Dekationizacja polega na wymianie wszystkich kationów na jon wodorowy na silnie kwaśnym kationicie w formie wodorowej, natomiast demineralizacja jest kontynuacją dekationizacji, polegającą na całkowitym usunięciu rozpuszczonych soli przez dodanie do dekationizacji następnego etapu polegającego na wymianie jonowej na silnie zasadowym anionicie w formie wodorotlenowej w celu usunięcia anionów, np.:
ROH + H2CO3 D R2CO3 + 2 H2O.

Procesy membranowe
Procesy membranowe polegają na separacji poszczególnych składników wody za pomocą materiału stanowiącego cienką przegrodę (membranę) stawiającą selektywny opór niektórym składnikom wody.

Techniki membranowe stosowane w technologii uzdatniania wody wykorzystują różne mechanizmy separacji składników wody, a mianowicie:

* procesy mikrofiltracji oparte są na mechanizmie sitowym, a ich siłą napędową jest różnica ciśnień po obu stronach membrany; znajdują zastosowanie do sterylizacji wody lub oddzielania materiału komórkowego (przemysł farmaceutyczny), usuwania drożdży z roztworu cukru itp.

* procesy nanofiltracji opierają się na mieszanym mechanizmie dyfuzyjno-sitowym; stosuje się je do oczyszczania wody ze związków organicznych, odbarwiania ścieków, odsalania serwatki itp.,

* procesy odwróconej osmozy polegające na dyfuzji cząsteczek rozpuszczalnika (wody) przez półprzepuszczalną membranę pod wpływem ciśnienia przekraczającego ciśnienie osmotyczne (ciśnienie osmotyczne to ciśnienie zewnętrzne równoważące przepływ osmotyczny w układzie roztwór-membrana-rozpuszczalnik); odwrócona osmoza umożliwia odsalanie wody (tj. usuwanie jonów) i jest stosowana m.in. do produkcji superczystej wody w przemyśle farmaceutycznym i elektronicznym, odsalania wody morskiej i odzyskiwania metali ze ścieków,
– procesy elektrodializy, w których dyfuzja przez membrany jonowymienne wymuszana jest potencjałem elektrycznym; procesy te znajdują zastosowanie w produkcji wody do picia z wody zasolonej, a także do oczyszczania ścieków pogalwanicznych.

Procesy biologiczne
W procesach biologicznych stosowanych w technologii uzdatniania wody w większości przypadków wykorzystuje się mechanizmy, jakie mają miejsce podczas samooczyszczania się wód naturalnych. Podstawowym warunkiem ich dostatecznej efektywności jest nagromadzenie wystarczająco dużej masy mikroorganizmów zdolnych do przeprowadzenia określonych reakcji. Na przebieg tych reakcji mają wpływ: zawartość tlenu rozpuszczonego, ogólnego węgla organicznego i substancji odżywczych, temperatura oraz pH. W technologii uzdatniania wody mogą być realizowane następujące procesy biochemiczne: aerobowe utlenianie materii organicznej, nitryfikacja (utlenianie azotu amonowego do azotanowego), denitryfikacja (przekształcenie azotanów do azotu cząsteczkowego w środowisku beztlenowym) oraz utlenianie Fe2+ i Mn2+.

Typowe układy technologiczne
Opisane procesy jednostkowe łączy się w układy technologiczne. Ilość i sposób łączenia procesów zależy od jakości wody surowej oraz przeznaczenia wody po uzdatnieniu. Typowym układem technologicznym uzdatniania wód podziemnych jest odżelazianie i odmanganianie realizowane wg prostego schematu: napowietrzanie (odgazowanie i utlenienie Fe2+ oraz Mn2+) – filtracja pospieszna (usunięcie utlenionych form Fe i Mn).
Typowy układ technologiczny uzdatniania wód powierzchniowych usuwa z wody mętność oraz barwę i składa się z następujących procesów jednostkowych: koagulacja (destabilizacja i flokulacja koloidów tworzących barwę i mętność) – sedymentacja (osadzenie wytworzonych aglomeratów) – filtracja pospieszna (oczyszczenie wody z pozostałości aglomeratów).
W kolejnej części przedstawię m.in. wymagania stawiane wodzie dla różnych typów zakładów przemysłowych.
dr Sławomir Biłozor

Literatura:
1. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz. U. 07.61.417 z dnia 6 kwietnia 2007 r.).
2. Rozporządzenie Ministra Zdrowia zmieniające rozporządzenie w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz. U. 10.72.466).
3. I. Szamrej, „Woda w przemyśle spożywczym”, „Agro Przemysł” 6 (2011).
4. „Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne”. Praca zbiorowa pod red. J Nawrockiego i S. Biłozora. Wyd. Naukowe PWN, Warszawa – Poznań 2000.
5. A. Pruss., J. Wojciechowski., M. Marciniak, R. Kaczmarek, „Uzdatnianie wody wodociągowej dla potrzeb dializoterapii”, Mat. X Międzynarodowej Konferencji „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód”, Poznań, (2012), 459.
6. A. L. Kowal, M. Świderska-Bróż, „Oczyszczanie wody”, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa – Wrocław 1997.
7. S. Biłozor, „Co warto wiedzieć o wymaganiach stawianych wodzie przeznaczonej dla celów chłodniczych”, „Magazyn Instalatora” 6/2012.

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