Temat:              5

                            Marta Sławik

                            Barbara Pyrek

                            Aleksander Poniatowski

              Specjalność:              Wodociągi i Kanalizacje

Spis treści

I.              Podstawowe pojęcia związane z procesem zmiękczania wody              3

I.I. Twardość wody              3

I.II. Skutki twardości wody              4

I.III. Sposoby usuwania twardości              4

II.              Metoda jonitowa              5

II.I. Opis procesu wymiany jonowej              5

II.II Rodzaje wymieniaczy jonowych              5

II.III. Rozwiązania konstrukcyjne              7

III.              Metoda jonitowa              7

III.I. Opis procesu separacji membranowej              7

III.II. Czym jest membrana?              8

III.III. Typy membran              8

III.IV. Mikrofiltracja (MF)              10

III.V. Ultrafiltracja (UF)              10

III.VI. Nanofiltracja (NF)              10

III.VII. Odwrcona osmoza (RO)              11

III.VIII. Elektro Dializa (ED)              12

IV.              Porównanie metod jonitowych i membranowych na podstawie produktów dostępnych na rynku              13

Materiały źródłowe:              14

I.                   Podstawowe pojęcia związane z procesem zmiękczania wody

Woda krążąc w środowisku, ulega różnorodnym przemianom jakościowym.
W związku z tym, ujęcie wody w stu procentach czystej jest praktycznie niemożliwe.
W trakcie spływu powierzchniowego , filtracji przez glebę itd. bogaci się ona nie tylko
w  nierozpuszczone sedymenty (np. piasek, muł, humusy), bakterie,  ale przede wszystkim
w rozpuszczone pierwiastki oraz związki chemiczne. Z punktu widzenia przemysłu najbardziej niepożądanym składnikiem wody są sole wapnia i magnezu. Ich występowanie
i stężenie jest charakteryzowane poprzez pojęcie twardości wody.

I.I. Twardość wody

Ogólnie rzecz ujmując twardością wody nazywamy występowanie w niej związków Ca i Mg. Ze względu na rodzaj związków wyróżniamy:

§         Twardość niewęglanową - spowodowaną obecnością w wodzie rozpuszczalnych chlorków, siarczanów i innych (azotanów, krzemianów, fosforanów) wapnia
i magnezu: CaCl2,  CaSO4,  MgCl2,  MgSO4, Ca(NO3)2,  Mg(NO3)2,  CaSiO3,  MgSiO3,  Ca3(PO4)2,  Mg(PO4)2. Stosowana jest również nazwa twardość stała, co wynika z niewrażliwości związków na działanie temperatury.

§         Twardość węglanową - spowodowaną obecnością w wodzie wodorowęglanów, węglanów i wodorotlenków wapnia i magnezu: CaCO3,   MgCO3   Ca(HCO3)2 ,   Mg(HCO3)2. Ten rodzaj twardości nazywany jest twardością przemijającą, gdyż bardzo łatwo usunąć ją poprzez gotowanie wody.

Sumę obu powyższych wartości nazywamy twardością ogólną:

Togólna  = Twęglanowa + Tniewęglanowa

Jednostką twardości według normy ISO są milivale soli w jednym litrze wody [1 mval /dm3 ].  Ponadto można się spotkać z wyrażaniem twardości w stopniach niemieckich lub francuskich.

I.II. Skutki twardości wody

Stopień twardości wody warunkuje jej wykorzystanie – zależnie od przeznaczenia konieczne jest uzdatnienie jej do takiego stopnia, aby nie wystąpiły negatywne skutki zdrowotne (pękanie, swędzenie skóry), czy ekonomiczne (osadzanie kamienia kotłowego). Zwłaszcza dla działalności przemysłowych stężenie soli wapnia i magnezu ma istotnie znaczenie, gdyż powoduje ono między innymi:

§         obniżenie sprawności urządzeń i maszyn ciągu technologicznego

§         tzw. „cracking” zbiorników tzn. zjawisko powstawania pęknięć stali w miejscach, gdzie kamień nie występuje. Jest to efektem naprężeń termicznych związanych
z powstającą różnicą temperatur

§         w przypadku  kotłów grzewczych kamień kotłowy stwarza niebezpieczeństwo rozerwania kotła (w chwili, gdy po odpryśnięciu kamienia kotłowego woda zetknie się z rozgrzaną ścianą kotła)

§         straty paliwa wskutek złego przewodnictwa cieplnego

§         wzrost kosztów ogrzewania oraz większe wydatki na środki myjące, czyszczące
i piorące

§         stopniowe niszczenie instalacji grzewczych i armatury

I.III. Sposoby usuwania twardości

Całkowite lub częściowe usuwanie składników powodujących twardość nazywamy zmiękczaniem wody. Rozróżnia się cztery podstawowe metody zmiękczania, do których zalicz się:

§         destylacja

§         metody termiczne

§         metody chemiczne

§         metody fizykochemiczne

§         zastosowanie membran

Destylacja jest metodą o bardzo wysokiej skuteczności, jednak jej koszty są zbyt wysokie by można było ją stosować w przemyśle.

Z kolei metody termiczne bazują na wcześniej już wspomnianej wrażliwości niektórych związków na wysokie temperatury, pod których wpływem następuje termiczny rozpad kwaśnych węglanów wapnia i magnezu. Nie można w ten sposób całkowicie zmiękczyć wody, a jedynie zmniejszyć twardość węglanową. Stąd też ten sposób działania zazwyczaj jest stosowany do wstępnego zmiękczania przed zastosowaniem innych metod.

Chemiczne zmiękczenie polega na wytrąceniu nierozpuszczalnych związków wapnia i magnezu. Uzyskuje się je stosując mieszaninę sodowo-wapienną,  mocne kwasy lub fosforany, przy czym dwie pierwsze metody są stosunkowo tanie i często stosowane. Natomiast korzystanie z fosforanów wymaga znacznych nakładów finansowych, co sprawia, że metoda ta stosowana jest jedynie w przypadku wód o niewielkiej twardości lub jako uzupełnienie innych sposobów zmiękczania.  

Metody fizyko-chemiczna oparte są głównie na zastosowaniu jonitów. Są to wymieniacze jonowe - substancje mających zdolność do wymiany kationów (kationity) lub anionów (anionity). Dawniej stosowano również  zeolity, czyli naturalne kationity nieorganiczne, z grupy glinokrzemianów metali lekkich np. Na2Al2SiO4O12 . Metoda jonitowa charakteryzuje się wysoką skutecznością, dlatego jest obecnie bardzo często stosowana.  

Zastosowanie membran w procesie zmiękczania wody jest równie skuteczną metodą. W tym przypadku mamy do czynienia głównie z nanofiltracją (NF), odwrócona osmozą (RO) i elekrtodializą (ED).

W naszej pracy skupiamy się na dwóch ostatnich z wymienionych metod.

II.                Metoda jonitowa

II.I. Opis procesu wymiany jonowej

Jonity są to wielocząsteczkowe nierozpuszczalne substancje organiczne  lub nieorganiczne o strukturze przestrzennej usieciowionej. W wielocząsteczkowy szkielet wbudowane są grupy aktywne, które w wodzie umożliwiają elektrolityczną dysocjacje na ruchliwy jon i nieruchliwą grupę jonową[1] .

Obecne w wodzie jony i cząsteczki soli o określonym ładunku  wiązane są przez jonit, który równocześnie oddaje jony „obojętne” takie jak : OH-, Cl-, H+, Na+. W przypadku usuwania z wody kationów prowadzi się proces dekationizacji na kationitach. Analogicznie – usuwanie anionów, czyli deanionizacji, prowadzi się na anionitach. Gdy chcemy usunąć zarówno aniony i kationy, stosujemy oba rodzaje jonitów.

Proces wymiany jonów obecnych w wodzie  na ruchliwe jony przyłączone do centrów aktywnych jonitów jest odwracalny i stechiometryczny[2]. Wynika stąd zatem , że możliwa jest „regeneracja jonitów”, co  w skrócie może przedstawić za pomocą reakcji:

R – szkielet wymieniacza jonowego

X – trwale związane ze szkieletem żywicy grupy kationowo- lub anionowowymienne

A, B – ruchliwe kationy tzw. przeciwjony grup jonoczynnych kationitu lub współjony grup jonoczynnych anionitu.

X, Z – ruchliwe aniont tzw. przeciwjony grup jonoczynnych anionitu lub współjony grup jonoczynnych kationitu

m, n - wartościowości

II.II Rodzaje wymieniaczy jonowych

Ze względu na pochodzenie i sposób otrzymywania jonity możemy podzielić następująco:

Obecnie największym powodzeniem cieszą się jonity organiczne syntetyczne. Są one produkowane z żywic syntetycznych za pomocą polimeryzacji lub polikondensacji.

Ze względu na rodzaj grup jonowymiennych wyróżniamy:

Gdy mamy do czynienia z procesem usuwania twardości stosujemy następujące cykle zmiękczania wraz z odpowiadającymi im rodzajami jonitów:

a)cykl wodorowy na kationitach słabo kwaśnych (usuwanie twardości węglanowej)

Efektem ubocznym zastosowania takich jonitów jest powstanie gazowego dwutlenku węgla który można odpędzić z wody stosując np. napowietrzanie. Jeśli  nie zdecydujemy się na usuwanie CO2 z wody to musimy liczyć się ze spadkiem pH.

b)cykl sodowy lub wodorowy na kationitach silnie kwaśnych (usuwanie twardości węglanowej i niewęglanowej)

Silnie kwaśne wymieniacze jonowe, w przeciwieństwie do słabo kwaśnych, zdolne są do usuwania wszelkich form twardości w pełnym zakresie pH. Kationit sodowy nie spowoduje obniżenia odczynu oraz ogólnego stężenia jonów obecnych w roztworze wyrażonego w val/m3. Nastąpi jednak wzrost ogólnego zasolenia wody, co spowodowane jest różnicami w masach wymienianych jonów. Zmiana zasolenia będzie większa, jeśli większy był udział twardości magnezowej w ogólnej.

c)cykl wodorowy i  sodowy (usuwanie twardości węglanowej i niewęglanowej),

d)cykl wodorowy na kationicie słabo kwaśnym (dekarbonizacja) i  na kationicie silnie kwaśnym (usuwanie twardości niewęglanowej),

e) pełna demineralizacja na kationicie silnie kwaśnym pracującym w cyklu sodowym i anionicie silnie zasadowym pracującym w cyklu chlorkowym.

W pierwszej kolejności stosuje się złoże jonitu, który powoduje pełne usunięcie kationów oraz pojawienie się w wodzie kwasów mineralnych oraz gazowego CO2. Następnie przepuszcza się wodę przez anionit w cyklu wodorotlenowym. Spowoduje to wychwycenie
z niej anionów i wprowadzenie na ich miejsce anionów wodorotlenowych (OH-), które zobojętnią obecne kationy wodorowe.

Najczęściej stosowany w procesie zmiękczania wody jest kationit silnie kwaśny , na ogół żelowy standardowy, pracujący w cyklu sodowym. Charakteryzuje się ona wysoką zdolnością wymienną, bardzo długą żywotnością (nawet 15 lat) oraz łatwością regenerowana chlorkiem sodu NaCl. Ponadto oprócz usuwania twardości złoże kationitowe eliminuje także część żelaza, manganu oraz metali ciężkich.

II.III. Rozwiązania konstrukcyjne

§         Zmiękczanie na kationicie sodowym

Proces polega na przepływie wody przez filtr ciśnieniowy w postaci kolumny
z rury lub blachy stalowej.  Ciśnienie robocze może osiągać wartości do 0,6 MPa.

W górnej części filtra znajduje urządzenie do równomiernego  rozprowadzenia uzdatnianej wody i roztworu regeneracyjnego. Najczęściej jest nim rura zakończona lejkiem, ustawiona centrycznie nad złożem, rozbryzgująca wody na całą powierzchnię filtracyjną lub też pierścieniowa rura z promieniście rozchodzącymi się rurami o różnej długości.

Równomierny rozdział wody wchodzącej do kolumny jest zapewniony dzięki płycie drenażowej, znajdującej się w dolnej części cylindra filtracyjnego. Płyta sitowa
z dyszami jest również niezbędna do  spuszczania roztworów  regeneracyjnych i wody płucznej.

III.             Metoda membranowa

III.I. Opis procesu separacji membranowej

Procesy membranowe są technikami pozwalającymi na separację zanieczyszczeń na poziomie molekularnym lub jonowym. Separacja zanieczyszczeń może zachodzić na powierzchni lub w porowatej strukturze membran. Proces ten nie wymaga dawkowania chemikaliów oraz nie powoduje transformacji zanieczyszczeń, jest skuteczny przy usuwaniu związków refrakcyjnych oraz prekursorów halogenowych zanieczyszczeń organicznych
z wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Jak dotąd znajdują one największe zastosowanie w odsalaniu wody oraz przygotowaniu wody ultra czystej.

W trakcie separacji membranowej strumień roztworu zasilającego(nadawany) dopływający do powierzchni membrany, ulega podziałowi na strumień retendatu (koncentratu) i strumień permeatu( filtratu). Permeatem nazywany jest roztwór który przeszedł przez membranę, składający się z wody i substancji przenikających przez membranę. Natomiast retentat to opuszczający układ roztwór zatężony, wzbogacony
o składniki zatrzymane przez membranę. Produktem procesu membranowego może być  albo permeat, albo retentat, a czasami oba strumienie. W przypadku uzdatniania wody produktem jest zawsze permeat, a retentat jest odpadem.

II...