ΑΠΟΣΚΛΗΡΥΝΣΗ. Το βρόχινο νερό φθάνει στο έδαφος. Τα βακτήρια αυξάνουν την συγκέντρωση του CO 2. αντιδρά με το νερό και σχηματίζει H 2

Transcript

1 ΑΠΟΣΚΛΗΡΥΝΣΗ Σχηματισμός Φυσικής σκληρότητας Το βρόχινο νερό φθάνει στο έδαφος. Τα βακτήρια αυξάνουν την συγκέντρωση του CO 2 στο νερό κατά την διάρκεια την αναπνοής τους. Το CO 2 αντιδρά με το νερό και σχηματίζει H 2 CO 3. Τα ασβεστούχα πετρώματα που αποτελούνται από ανθρακικό ασβέστιο CaCOCO 3 και MgCO 3 αντιδρούν με το ανθρακικό οξύ του νερού και σχηματίζουν όξινο ανθρακικό ασβέστιο (Ca(HCO 3 ) 2 και μαγνήσιο (Mg(HCO 3 ) 2. Εάν στο υπόστρωμα υπάρχει και γύψος CaSO 4 τότε σχηματίζεται η μη ανθρακική σκληρότητα. 1

2 Περιορισμοί ρ της μεθόδου Η αποσκλήρυνση με την μέθοδο της υδρασβέστου /ανθρακικού νατρίου δεν μπορεί ναπετύχει πλήρη αποσκλήρυνση. Αυτό οφείλεται: στην διαλυτότητα των CaCO 3 και MgCO 3, σε φυσικούς περιορισμού της ανάμιξης και επαφής και στην έλλειψη του απαραίτητου χρόνου για την ολοκλήρωση αυτών των αντιδράσεων Για τον λόγο αυτό παραμένει μια υπολειμματική συγκέντρωση ασβεστίου ίση με 30 mg/l ως CaCO 3 και 10 mg/l μαγνησίου ως CaCO 3. Εξαιτίας των γλοιωδών συνθηκών που παρουσιάζονται κατά την επαφή μαλακού νερού με σαπούνι στοχεύετε μία ολική υπολειμματική σκληρότητας μεταξύ 75 και 120 mg/l ως CaCO 3. 2

3 Με στόχο να πετύχουμε μία αποδεκτή απομάκρυνση της σκληρότητας σε αποδεκτή χρονική περίοδο πρέπει να διασφαλισθεί μία περίσσεια υδρασβέστου πέρα από την στοιχειομετρικά απαραίτητη. Εμπειρικά η περίσσεια αυτή είναι 20 mg/l ως CaCO 3 ή 0,4 meq/l. (Μαγνήσιο σε περίσσεια πάνω από 40 mg/l ως CaCO 3 ή 0,8 meq/l σχηματίζει πουρί σε εναλλάκτες θερμότητας στο θερμαντήρες ζεστού νερού) Εξαιτίας της ακρίβειας αποσκλήρυνσης μαγνησίου απομακρύνουμε μόνον μαγνήσιο πάνω από τα 40 mg/l. Για την απομάκρυνση του μαγνησίου σε συγκεντρώσεις κάτω των 20 mg/l ως CaCO 3 ή 0,4 meq/l η περίσσεια που αναφέρθηκε παραπάνω των 20 mg/l είναι αρκετή για καλά αποτελέσματα. 3

4 Για την απομάκρυνση του μαγνησίου σε συγκεντρώσεις μεταξύ των 20 και 40 mg/l ως CaCO 3 πρέπει να προσθέσουμε υδράσβεστο ίση με την ποσότητα του μαγνησίου που θα πρέπει να απομακρύνουμε. μ Για την απομάκρυνση του μαγνησίου σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των 40 mg/l ως CaCO 3 πρέπει να προσθέσουμε υδράσβεστο ίση με την περίσσεια του μαγνησίου πάνω από τα 40 mg/l που θα πρέπει να απομακρύνουμε. 4

5 Πρόσθεση χημικών (ως CaCO 3 ) Βήμα Πρόσθεση χημικών Λόγος Ανθρακική σκληρότητα η Lime = CO 2 Καταστροφή του H 2 CO 3 Lime = HCO 3 - Αύξηση του ph και μετατροπή των HCO 3- σε CO 3 2- Lime = για την αφαίρεση Αύξηση του ph και του Mg ιζηματοποίηση η η Mg(OH) 2 Lime = απαιτούμενη περίσσεια Για την καθοδήγηση της αντίδρασης Μη αναθ. Σόδα = για απομάκρυνση Σχηματίζει CO 2-3 σκληρότητα της μη ανθρ. σκληρότητας Οι όροι «Lime» και «Σόδα» αναφέρονται στα Ca(OH) 2 και Na 2 CO 3 ως CaCO 3 5

6 Διάγραμμα Ροής 6

7 Η αποσκλήρυνση του νερού εφαρμόζεται πολύ συχνά στην επεξεργασία του πόσιμου νερού Αποσκλήρυνση μπορεί να γίνει κεντρικά στην εταιρία ύδρευσης ή στα τερματικά των καταναλωτών. Είναι καλό η μείωση της σκληρότητας ενός μέτρια σκληρού νερού ( mg/l ως CaCO 3 να γίνεται από τους καταναλωτές, ενώ ένα σκληρότερο ρ νερό ναγίνεται από την εταιρεία ύδρευσης. Συνήθως χρησιμοποιούμε την χημική ιζηματοποίηση και την εναλλαγή ιόντων. Οι καταναλωτές χρησιμοποιούν αποκλειστικά την εναλλαγή ιόντων. 7

8 ΧΗΜΙΚΗ ΙΖΗΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ Τα διαφορετικά συστατικά της σκληρότητας έχουν και διαφορετικά όρια διαλυτότητας(πίνακας ( 1). Οι λιγότερο διαλυτές μορφές είναι το ανθρακικό ασβέστιο και το υδροξείδιο του μαγνησίου. Χημική ιζηματοποίση η είναι να μετατρέψουμε μ την σκληρότητα του ασβεστίου σε CaCO 3 και την σκληρότητα του μαγνησίου σε Mg(OH) 2 Αυτό επιτυγχάνεται με την διεργασία προσθήκης υδρασβέστου-ανθρακικού νατρίου ή υδροξειδίου του νατρίου. 8

9 Αντίδραση Ισορροπίας K sp στους Εφαρμογή στην περιβαλλοντική Μηχανική 25 o C MgCO 3 Mg 2+ + CO x 10-5 Απομάκρ. σκληρότητας, πέτρα Mg(OH) 2 Mg OH - 9 x Απομάκρ. σκληρότητας, πέτρα CaCO 3 Ca 2+ + CO x 10-9 Απομάκρ. σκληρότητας, πέτρα Ca(OH) 2 Ca OH - 8 x 10-6 Απομάκρ. σκληρότητας CaSO 4 Ca 2+ + SO x 10-5 Μείωση θειικών από απαέρια Cu(OH) 2 Cu OH - 2 x Αφαίρεση βαρέων μετάλλων 2 Zn(OH) 2 Zn OH - 3 x Αφαίρεση βαρέων μετάλλων Ni(OH) 2 Ni OH - 2 x Αφαίρεση βαρέων μετάλλων Cr(OH) 3+ +3OH Cr 6 x 10 Αφαίρεση βαρέων μετάλλων Al(OH) 3 Al OH - 1 x Κροκίδωση Fe(OH) 3 Fe OH - 6 x Κροκίδωση, αφαίρεση σιδήρου, διάβρωση Fe(OH) +2OH Fe 2+ 5 x 10 Κροκίδωση, αφαίρεση σιδήρου, διάβρωση Mn(OH) 3 Mn OH - 1 x Αφαίρεση μαγγανίου Mn(OH) 2 Mn OH - 8 x Αφαίρεση μαγγανίου Ca 3 (PO 4 ) 2 3Ca PO x Αφαίρεση φωσφόρου CaHPO 4 Ca 2+ + HPO x 10-7 Αφαίρεση φωσφόρου CaF 2 Ca F - 3 x Φθορίωση AgCl Ag + + Cl - 3 x Ανάλυση χλωριόντων BaSO 4 Ba 2+ + SO x Ανάλυση θειικών 9

10 Μέθοδος υδρασβέστου-ανθρακικούανθρακικού νατρίου: Όλες οι μορφές ανθρακικής σκληρότητας αλλά και μη ανθρακικής σκληρότητας μαγνησίου μπορούν να απομακρυνθούν με την προσθήκη του CaO. Ca(HCO 3 ) 2 +CaO+H 2 O 2CaCO 3 +2H 2 O (1) Mg(HCO 3 ) 2 +CaO+H 2O MgCO 3 +CaCO 3 (2) MgCO 3 +CaO+H 2 O Mg(OH) 2 +CaCO 3 (3) MgSO 4 ή +CaSO 4 ή MgCl 2 ή +CaO + H 2 O Mg(OH) 2 +CaCl 2 (4) Mg(NO 3 ) 2 ή + Ca(NO 3 ) 2 10

11 Όπως βλέπουμε από την (4) η απομάκρυνση του μαγνησίου εκφράζεται με τον σχηματισμό μη ανθρακικής σκληρότητας. Αυτή η μη ανθρακική σκληρότητα όπως κάθε άλλης μορφής που περιέχεται από την αρχή μπορεί να απομακρυνθεί με την χρήση καυστικής σόδας Na 2 CO 3 : ή CaSO 4 ή + Na 2 SO 4 CaCl 2 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + 2NaCl (5) ή Ca(NO 3 ) 2 ή + 2NaNO 3 Το νάτριο που εμφανίζεται στην εξίσωση (5) είναι σε διαλυτή μορφή και κάθε περιττή προσθήκη θα επιβαρύνει την ποιότητα του πόσιμου νερού. 11

12 Η ιζηματοποίηση των CaCO 3 και Mg(OH) 2 εξαρτάται από το ph. Το βέλτιστο ph για το CaCOCO 3 είναι το 9-9,59 και του Mg(OH) 2 είναι το 11. Πολλά φυσικά νερά έχουν ένα ph μεταξύ αυτών των τιμών. Για τον λόγο αυτό θα πρέπει να αυξήσουμε τεχνητά το ph. Αυτό επιτυγχάνεται με την πρόσθεση περίσσειας υδρασβέστου: CaO + H 2 O Ca 2+ +2OH - Η πρόσθεση είναι περίπου 1,25 meq/l 12

13 Εάν στο νερό υπάρχει και διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα αντιδρά και αυτό με την βάση: CO 2 + CaO CaCO 3 Αυτή βέβαια η αντίδραση δεν μειώνει την σκληρότητα αλλά καταναλώνει αλώ υδράσβεστο!! Εάν έχουμε παρουσία υπερκορεσμού σε διοξείδιο του άνθρακα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε την μέθοδο αερισμού για οικονομία (>10 mg/l). 13

14 ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ Πλήρης απομάκρυνση της σκληρότητας δεν μπορεί να επιτευχθεί με χημική ιζματοποίηση!! Κάτω από κανονικές συνθήκες που εφαρμόζονται σε μονάδες αποσκλήρυνσης σης παραμένουν συνήθως στο αποσκληρυμένο ο νερό 40 mg/l CaCO 3 (0,8 eq/l) και 10 mg/l Mg(OH) 2. Ιζηματοποίση αυτού του υπερκορεσμένου διαλύματος από CaCO 3 θα συνεχισθεί αργά μέσαστοδίκτυοκαιτις δεξαμενές αποθήκευσης. Για τον λόγο αυτό είναι αναγκαίο να σταθεροποιήσουμε το νερό μετατρέποντας το υπερκορεσμένο CaCO 3 σε Ca(ΗCO 3 ) 2. 14

15 Σταθεροποίηση μπορεί να επέλθει σύμφωνα με την αντίδραση του CaCO 3 με ένα οξύ: 2 CaCOCO 3 + H 2 SO 4 Ca(ΗCO 3 ) 2 + CaSO 4 Mg(OH) 2 +H 2 SO 4 Η 2 O+MgSO 4 Βέβαια ο ποιο συνήθης τρόπος στην πράξη είναι η χρήση του CO 2 : CaCO 3 +CO 2 + Η 2 O Ca(ΗCO 3 ) 2 Mg(OH) 2 +2CO 2 Mg(ΗCO 3 ) 2 Η διαδικασία αυτή ονομάζεται επανθράκωση 15

16 16

17 Εάν το ph είχε αυξηθεί κατά την διαδικασία της αποσκλήρυνσης του Mg, θα πρέπει ξανά να εξουδετερωθεί η περίσσεια των ιόντων υδροξυλίου: Με θειικό οξύ Ca 2+ +2OH - +H 2 SO 4 Ca 2+ +SO Η 2 O 2Na + +2 OH - + H SO 4 Na + SO Η 2 O Με διοξείδιο του άνθρακα Ca 2+ +2OH - +2CO 2 CaCO 3 +2Η 2 O 2Na + + 2OH - + CO 2 Na + CO Η 2 O To ph πρέπει να μειωθεί περίπου στο 9,5 πριν να επέλθει ουσιαστική σταθεροποίηση. 17

18 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΠΟΣΚΛΗΡΥΝΣΗΣ Η αποσκλήρυνση αποτελείται από διάφορα βήματα επεξεργασίας και μπορεί να διεξαχθεί σε ένα ή δυο στάδια. Αυτά τα βήματα επεξεργασίας περιχέουν ανάμιξη των χημικών με το νερό, συσσωμάτωση για την αύξηση του μεγέθους, καθίζηση του ιζήματος και σταθεροποίηση. Τα συστήματα επαφής που εφαρμόζονται στην επαφή στερεών εφαρμόζονται συχνά και στην αποσκλήρυνση: 18

19 Δεξαμενή καθίζησης με επαφή και ανακυκλοφορία λάσπης 5. Πρωτογενής ανάμιξη και ζώνη αντίδρασης 6. Δευτερογενής ανάμιξη και ζώνη αντίδρασης 7. Επεξεργασμένο νερό 8. Επιστροφή λάσπης 9. Συμπύκνωση λάσπης 10. Απομάκρυνση λάσπης 19

20 Τυπικά κριτήρια σχεδιασμού συστήματος αποσκλήρυνσης Παράμετρος Ταχεία Βραδεία Δξ Δεξαμενή Δξ Δεξ. Καθίζ. Χρόνος ανάμιξη 5 min ανάμιξη min καθίζησης 2-4 h με ανακυκλοφο ρία 1-4 h παραμονής 1 Βαθμίδα ) ταχύτητας, s - 1 Ταχύτητα κατά τον άξονα x Επιφανειακή ταχύτητα υπερχείληση ς, m 3 /min_m 2-0,15-0,45 0,15-0, ,85-1,71 4,27 1 ) Θα πρέπει να υπολογισθεί μετά από ανάλυση σε πιλοτική μονάδα για το κάθε νερό 2 ) Η βαθμίδα ταχύτητας στην ταχεία και στην βραδεία ανάμιξη θα πρέπει να είναι περίπου η ίδια με τις εν σειρά δεξαμενές 20

21 Νερό που περιέχει και σκληρότητα μαγνησίου συχνά επεξεργάζεται με μία μεθοδολογία που ονομάζεται μέθοδος διάσπασης του ρεύματος νερού. Σε αυτή την μέθοδο ένα μέρος του ακατέργαστου νερού παρακάμπτεί την πρώτη βαθμίδα επεξεργασίας. Περίσσεια υδρασβέστου προστίθεται για την διευκόλυνση απομάκρυνσης του μαγνησίου στο πρώτο στάδιο, κατόπιν αντί να εξουδετερώσουμε τα ιόντα υδροξυλίου, τα χρησιμοποιούμε για την απομάκρυνση της σκληρότητας του ασβεστίου, στονερόπουπαρακάμφθηκε. Λόγω του ότι στο νερό παράκαμψης δεν μειώθηκε το μαγνήσιο, η αρχική και η επιτρεπτή σκληρότητα μαγνησίου στο τελικό νερό προσδιορίζουν την ποσότητα του νερού που θα παρακαμφθεί 21

22 Q x = Mg f Mg 1 / Mg r Mg 1 Όπου Q x = ποσότητα παράκαμψης, Mg f = Συγκέντρωση μαγνησίου στο τελικό νερό, Mg r = Συγκέντρωση μαγνησίου στο αρχικό νερό, Mg 1 = Συγκέντρωση μαγνησίου που παραμένει στο νερό Μετά την πρώτη κατεργασία (10 mg/l Mg(OH) 2 (ως CaCO 3 ) 22

23 Παράδειγμα Χρησιμοποιήστε την μέθοδο της διάσπασης (split treatment) για την αποσκλήρυνση του νερού με την ακόλουθη χημική ανάλυση. Υποθέστε ότι μία τελική σκληρότητα μικρότερη των 100 mg/l (ως CaCO 3 ) είναι αποδεκτή, υπό τον όρο ότι η συγκέντρωση του μαγνησίου είναι μικρότερη των 45 mg/l (ως CaCO 3 ). Για μία παροχή m 3 /d, Υπολογίστε τις ποσότητες των χημικών που απαιτούνται και την μάζα των παραγόμενων στερεών. Δεχόμαστε ότι η υδράσβεστος είναι καθαρότητας 90% και η σόδα 85%. Για την επανθράκωση χρησιμοποιούμε CO 2. CO 2 = 0,6 meq/l HCO 3- = 4,9 meq/l Ca 2+ = 3,4 meq/l SO 2-4 = 2,5 meq/l Mg 2+ = 3,0 meq/l Cl - = 0,9 meq/l Na + = 1,0 meq/l ph =

24 1. Υπολογίζουμε το ποσοστό παράκαμψης Qx : Qx =Mg f Mg 1 /Mg r Mg 1 =0,9 0,2/3,0 0,2=0,25=25% 2. Υπολογισμός της ποσότητας των χημικών που θα προστεθούν στην πρώτη φάση: 0,6 CO 2 + 0,6 CaO 0,6 CaCO 3 3,4 Ca(HCO 3 ) 2 + 3,4 CaO 3,4 CaCO 3 + 6,8 H 2 O 0,75*1,5 Mg(HCO 3 ) 2 + 0,75*3,4 CaO 1,13 Mg(OH) 2 + 2,25 CaCO 3 0,75*1,5 MgSO 4 + 0,75*1,5 CaO 1,13 Mg(OH) 2 + 1,13 CaSO 4 1,13 CaSO 4 + 1,13 Na 2 CO 3 1,13 CaCO 3 + 1,13 Na 2 SO 4 24

25 1,25 Ca(OH) 2 + 1,25 CO 2 1,25 CaCO 3 + 1,25 H 2 O 3. Για την επανθράκωση χρησιμοποιούμε CO 2 για την εξουδετέρωση της περίσσειας υδρασβέστου. Υποθέτουμε ότι 40 mg/l CaCO 3 και 10 mg/l Mg(OH) 2 (ως ανθρακικό ασβέστιο=5,88 mg Mg(OH)2 = 0,2 meq) παραμένουν στο διάλυμα μετά την καθίζηση: 0,75*0,2 Mg(OH) 2 + 2*0,15 CO 2 0,15 Mg(HCO 3 ) 2 0,5 CaCO 3 + 0,5 CO 2 + 0,5 H 2 O 0,5 Ca(HCO 3 ) 2. 25

26 4. Χημικά που απαιτούνται σε Kg/d: Υδράσβεστος = 0,6 + 3,4 + 0,75*(3,0 + 1,5) =7,38meq/l Eq/mass του CaO = 40+16/2 = 28 mg/meq (1/0,9)*28 mg/meq * 7,38 meq/l *25x10 6 l/d x 1kg/10 6 g = 5740 kg/d Ανθρακικό νάτριο =1,13 meq/l Eq/mass του Na 2 CO 3 = 2* *16/2 =53mg/meq (1/0,85) 85)*5353 mg/meq * 1,1313 meq/l *25x10 6 l/d x 1kg/10 6 g = 1761 kg/d Διοξείδιο του άνθρακα = 1,25 + 0,3 + 0,5 = 2,05 meq/l Eq/mass του CO 2 = 12+2*16/2 =22mg/meq 22 mg/meq * 2,05 meq/l *25x10 6 l/d x 1kg/10 6 g = 1761 kg/d 26

27 5. Υπολογισμός της μάζας των στερεών ανά ημέρα: 8,63 CaCO 3 + 2,26 Mg(OH) 2 = 10,89 meq/l 10,89 meq/l * 50 mg/meq * 25x10 6 l/d * 1 kg/10 6 g = kg/d 6. Υπολογισμός των τελικών συγκεντρώσεων: Ca = 0,8 meq/l Mg =0,7*0,2, (απότοστάδιοεπεξεργασίας)+ ξργ Na = 1,0 + 1,1313 = 2,13 meq/l 0,25*3,0 (από την παράκαμψη)= 0,9 HCO 3- =0,8(επανθράκωση του CaCO 3 ) + 0,15 (επανθράκωση του Mg(OH) 2)+0,25*1,5 (από το Mg παράκαμψης) =1,1 meq/l 27

28 Μείωση της σκληρότητας με χημική ιζηματοποίηση Σκληρότητα προέρχεται από την παρουσία μεταλλικών κατιόντων και κυρίως των Ca 2+, Mg 2+ και εκφράζεται σε mg/l CaCO Η μέθοδος προσθήκης υδρασβέστου σε ένα στάδιο χρησιμοποιείται όταν το ακατέργαστο νερό περιέχει μεγάλη σκληρότητα ασβεστίου και χαμηλή μαγνησίου (<40 mg/l ως CaCO 3 ) και καθόλου μη ανθρακική. 2. Η μέθοδος της προσθήκης περίσσειας Ca(OH) 2 εφαρμόζεται όταν το ακατέργαστο νερό έχει μεγάλη σκληρότητα ασβεστίου και μεγάλη σκληρότητα μαγνησίου (>40 mg/l ως CaCO 3 ) και καθόλου μη ανθρακική. 28

29 Μείωση της σκληρότητας με χημική ιζηματοποίηση 3. Η μέθοδος προσθήκης υδρασβέστου-σόδας σε ένα στάδιο χρησιμοποιείται όταν το ακατέργαστο νερό περιέχει μεγάλη σκληρότητα ασβεστίου και χαμηλή μαγνησίου (<40 mg/l ως CaCO 3 ) και μερική μρ ήμη ανθρακική σκληρότητα η ασβεστίου. 4. Η μέθοδος της προσθήκης περίσσειας υδρασβέστου-σόδας εφαρμόζεται όταν το ακατέργαστο νερό έχει μεγάλη σκληρότητα ασβεστίου και μεγάλη σκληρότητα μαγνησίου (>40 mg/l ως CaCO 3 ) και μερική μη ανθρακική σκληρότητα. 29

30 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Ένα υπόγειο νερό παρουσιάζει την ακόλουθη ανάλυση. Υπολογίστε την ποσότητα της υδρασβέστου για την εφαρμογή της μέθοδου προσθήκης υδρασβέστου. ph = 7,5 Ca 2+ = 150 mg/l ως CaCO 3 Mg 2+ = 20 mg/l ως CaCO 3 Αλκαλικότητα = 200 mg/l ως CaCO 3 30

31 ΛΥΣΗ Ποσότητα υδρασβέστου = συγκ. ανθρακικού οξέος + σκληρότητα ασβεστίου Συγκέντρωση όξινων ανθρακικών: [HCO 3- ] = 200x(61/51)x 10-3 x1/61 = 4,0x10-3 mole/l K * 47 1 = [H + ][ HCO 3- ]/ [H 2 CO 3* ] = 4,47x10-7 mole/l στους 10 0 C. K 2 = [H + ][ CO 3 2- ] /[HCO 3- ] = 4,8x10-11 mole/l στους 10 0 C. 31

32 Η ολική συγκέντρωση ανθρακικών ενώσεων είναι: C T = [H 2 CO 3* ]+[ HCO 3- ]+[ CO 3 2- ] = [ HCO 3- ]/α 1 Όπου α 1 = 1/1+[H + ]/K 1 + K 2 /[H + ] = 0, Έτσι C T = 4,0x10-3 mole/l /0,93 = 4,29x10-3 mole/l Και [H 3* = - HCO CO ] C = 0,29x10-3 T [ ] [ CO 3 ] 0 mole/l oe/ = 29 mg/l ως CaCO 3 Η ποσότητα προστιθέμενης υδρασβέστου = = 179 mg/l ως CaCO 3 = 179 x (37/50) = 133 mg/l ως Ca(OH) 2. 3 ( / ) g/ ς ( ) 2 32

33 Αποσκλήρυνση με την μέθοδο της Εναλλαγής Ιόντων Κατά την αποσκλήρυνση με εναλλαγή ιόντων ασβέστιο και μαγνήσιο απομακρύνονται και την θέση τους παίρνουν το νάτριο ή το πρωτόνιο. Αυτή η εναλλαγή λαμβάνει χώρα πάνω στην επιφάνεια μίας στερεάς φάσης (ρητίνη) Η στερεά φάση δεν λαμβάνει χώρα στην ανταλλαγή Παλαιότερα ως στερεά φάση χρησίμευε ο ζεόλιθος, ένωση πυριτικού αργιλίου νατρίου. ρ Σήμερα εφαρμόζονται μοντέρνες συνθετικές ρητίνες, καλυμμένες με το υλικό προς αλλαγή, που έχουν ως πλεονέκτημα μία μεγαλύτερη επιφάνεια ανταλλαγής από τους ζεόλιθους. 33

34 Σε ίσες ποσότητες ασβέστιο και μαγνήσιο προσροφόνται πολύ ισχυρότερα από το μέσο εναλλαγής, που συνήθως είναι το νάτριο. Μόλις η σκληρότητα έρθει σε επαφή με την ρητίνη λαμβάνει χώρα η ακόλουθη αντίδραση: Ca Mg Ca +(ανιόν) + 2Na[R] [R] + 2Na + +[ανιόν] Mg Η αντίδραση είναι άμεση και διαρκεί όσο υπάρχουν κενές θέσεις για ανταλλαγή. Όταν όλες οι θέσεις ανταλλαχθούν τότε αρχίζει και εξέρχεται σκληρότητα. Αυτό σημαίνει ότι η ρητίνη πρέπει να αναγεννηθεί. 34

35 Η αναγέννηση επιτυγχάνεται με ένα ισχυρό διάλυμα χλωριούχου νατρίου ή υδροχλωρικού οξέως Η ισχυρότητα του διαλύματος ξεπερνά την δύναμη της προσρόφησης και το ασβέστιο και μαγνήσιο δίνουν την θέση τους ξανά στο νάτριο. Ca Mg Ca [R] + 2NaCl (περίσσεια) 2Cl +2Na[R] Mg Μία μονάδα αποσκλήρυνσης αποτελείται από το στρώμα της ρητίνης γύρο 0,5 2mύψος, με ταχύτητα ροής περίπου 4 l/s.m 2. Η μέθοδος αυτή δεν απομακρύνει πλήρως την σκληρότητα. Ο βαθμός απόδοσης της ρητίνης κυμαίνεται μεταξύ 100 και 150 eq/m 3. 35

36 ΑΣΚΗΣΗ 2 Για την παραγωγή ατμού εφαρμόζουμε αποσκλήρυνση στο νερό ενός εργοστασίου με την μέθοδο εναλλαγής ιόντων. Το νερό, Q= m 3 /d, παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά του παρακάτω πίνακα. Η ρητίνη που επιλέχθηκε παρουσιάζει χωρητικότητα προσρόφησης 90 kg/m 3 σε ένα ρυθμό φόρτισης 0,4 m 3 /min.m 2. Αναγέννηση επιτυγχάνεται όταν χρησιμοποιήσουμε 150 kg NaCl /m 3 ρητίνης σε 10% διάλυμα. Να υπολογισθεί ο απαιτούμενος όγκος της ρητίνης ης και τα φυσικά χαρακτηριστικά για την συνεχόμενη λειτουργία της μονάδας. Επίσης να υπολογισθεί η απαίτηση σε NaCl, όπως και ο χρόνος ενός κύκλου αναγέννησης της ρητίνης. CO 2 = 1,0 meq/l HCO 25 Ca = 2,5 meq/l = 4 meq/l SO 2- Mg 2+ 4 = 4,5 meq/l = 1 meq/l Na + = 2 meq/l 36

37 ΑΠΑΝΤΗΣΗ 1. Υπολογισμός τουόγκου της ρητίνης: a) Ολική σκληρότητα = 5 meq/l*50mg/meq = 250 mg/l. Υποθέτουμε ότι μία σκληρότητα 40 mg/l είναι αποδεκτή. Παράκαμψη 40/250 = 0,16 ή 16%. Επομένως για επεξεργασία θα περάσουν 0,84*10000 m 3 /d = m 3 /d. b) Σκληρότητα η που πρέπει να αφαιρεθεί: 5eq/m 3 * 8400 m 3 /d * 50 g/eq * 1kg/10 3 g = 2100 kg/d c) Όγκος της ρητίνης για μία μέρα: 2100 kg/d * 1m 3 /90 kg = 23,4 m 3 /d 37

38 2. Υπολογισμός της επιφάνειας και του ύψους της ρητίνης: a) 8400 m 3 /d * d/1440 min = 5,83 m 3 /min Ολική Επιφάνεια Α = Q/Vo = 5,83 [m 3 /min] /0,4 [m 3 / min.m 2 ]= 14,6 m 2 b) Εάν χρησιμοποιήσουμε δεξαμενές με 2 m διάμετρο: Α = πd 2 /4 = π =3,14m 2 Αριθμός δξ δεξαμενών = 14.6/3,14 = 4,6 χρησιμοποιούμε 5 δεξαμενές c) Ύψος της ρητίνης = ολικός όγκος /ολική επιφάνεια = 23,4 m 3 /5*3,14 = 23.4/15.7 = 1,49 1,5 m. d) Προσθέτουμε τρεις ακόμα δεξαμενές για την χρήση κατά την διάρκεια του κύκλου της αναγέννησης. Επομένως ο ολικός όγκος της ρητίνης γίνεται: V ρητινης = αριθ. Δξ Δεξαμενών* ώ* επιφάνεια * ύψος = 8*3,14*2 = 50.3 m 3 38

39 3. Υπολογισμός των απαιτούμενων χημικών: a) Όγκος για την μία μονάδα: V = 3,14*1,5= 4.7 m 3 b) Απαίτηση σε ΝaCl για μία μονάδα: 150 kg/m 3 *4.7 m 3 = 705kg για την αναγέννηση 5 δεξαμενών/d απαιτούνται 5*705 = 3525 kg/d NaCl c) Χρησιμοποιώντας ένα διάλυμα 10%, ο όγκος του υγρού αναγέννησης ης είναι 705/0,1 = 7050 kg ή περίπου 7.05m 3 για κάθε μονάδα/d. d) Χρησιμοποιώντας έναν ρυθμό φόρτισης 0,04 m 3 /m 2 _min ο 3 χρόνος αναγέννησης γίνεται (t = V/v o xa) t = 7.05 m 3 / (0,04 m 3 /m 2 _min*3,14 m 2 ) = 56.1 min Υποθέτοντας ένα συνολικό χρόνο 1 ώρας για την αναγέννηση σε ομάδες των τριών μονάδων, για τις 8 μονάδες απαιτούνται 3 ώρες εργασίας την ημέρα. 39

40 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2 Ένας συνθετικός γεώλιθος με χωρητικότητα 400 eq/m 3 και μία ταχύτητα διήθησης 4 l/s.m 2 χρησιμοποιείται για την αποσκλήρυνση, με ταχύτητα ροής 10 l/s και σκληρότητα 4 meq/l (200mg/lως CaCO 3 ). Το βάθος του στρώματος της ρητίνης ης είναι 1,5 m και 85% βαθμός εναλλαγής επιτυγχάνεται πριν την διακοπή της διαδικασίας για αναγέννηση. Να υπολογισθεί η διάμετρος του στρώματος της ρητίνης και ο όγκος του νερού που θα πρέπει να περάσει διαμέσου του φίλτρου πριν την αναγέννηση. η Επίσης να υπολογισθεί και ο χρόνος λειτουργίας μεταξύ δύο αναγεννήσεων 40

41 ΛΥΣΗ Επιφάνεια =Q/V ο =10/4 =2,5 m 2 = π.d 2 Διάμετρος δεξαμενής = 4*2,5/π = 1,78 m Όγκος του στρώματος ρητίνης ης =1,5 m x 2,5 m 2 = 3,75 m 3 Ολική χωρητικότητα = 3,75 x 400 = 1500 equivalents Απαιτούμενη χωρητικότητα εναλλαγής = 85% των 1500 = 1275 eq Ποσότητα νερού πριν την αναγέννηση η =1275eq/ 4x10-3 eq= L Χρόνος λειτουργίας μεταξύ δύο αναγεννήσεων = (L)/4 (L/s) = s = 22,1 h. 41