Περιβαλλοντική Επιστήμη

Transcript

1 Περιβαλλοντική Επιστήμη ΥΔΑΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Μέρος 4ο Αικατερίνη Ι. Χαραλάμπους, Καθηγήτρια ΕΜΠ

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του Έργου των Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από τη διδάσκουσα Αικ. Ι. Χαραλάμπους του ΕΜΠ. Για υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Παράμετροι για τον χαρακτηρισμό της ποιότητας των υδάτων 1 Εξετάζονται έτσι ώστε να γνωρίζουμε: Την προέλευση τους Τις επιπτώσεις της παρουσίας τη σημασία προσδιορισμού Μονάδες μέτρησης Αν υπάρχει σχέση με άλλη παράμετρο; Μέθοδο προσδιορισμού Αντιμετώπιση/Απομάκρυνση

4 ΟΡΓΑΝΟΛΗΠΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ 2 Αναφέρονται στις φυσιολογικές ιδιότητες του νερού (εμφάνιση νερού) και εκτιμούνται υποκειμενικά, αλλά χρησιμοποιούνται και αριθμητικές τιμές για καλύτερη αξιολόγηση των αποτελεσμάτων ελέγχου Χρώμα Οσμή Γεύση Θολερότητα

5 3 ΟΡΓΑΝΟΛΗΠΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ 1. ΧΡΩΜΑ (στο πόσιμο νερό αισθητικά ανεπιθύμητο) Οφείλεται: κολλοειδή και διαλυμένες ουσίες φυσικής προέλευσης (χουμικά οξέα, πλαγκτόν, τύρφη, μεταλλικά ιόντα σιδήρου ή μαγγανίου) ή σε τεχνητές χρωστικές ουσίες (υγρά βιομηχανικά απόβλητα π.χ. βαφείων) Έμμεσος δείκτης βαθμού ρύπανσης- καθιστά τα νερά ακατάλληλα για πόση και άλλες χρήσεις εμποδίζει διέλευση του φωτός και φωτοσύνθεση «φαινόμενο χρώμα»- apparent color (χωρίς να έχει προηγηθεί διήθηση) «αληθινό χρώμα»- true color (χρώμα μετά από διήθηση) Προσδιορισμός της έντασης ή τιμής χρώματος: Συγκριτική οπτική μέθοδο (visual comparison method) Φασματοφωτομετρική μέθοδο (spectrophotometric) *Η Οδηγία 98/83/ΕΚ ορίζει παραμετρική τιμή «αποδεκτό στους καταναλωτές και άνευ ασυνήθους μεταβολής»

6 ΟΡΓΑΝΟΛΗΠΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ 2. Γεύση/ 3.Οσμή (taste/odor) 4 -υποκειμενικές παράμετροι- Γεύση ευχάριστη γεύση οφείλεται στο Ο 2, CO 2, και στα δισανθρακικά άλατα άσχημη οφείλεται σε περιεχόμενες ξένες ουσίες: φαινόλες, χλώριο, σηπόμενες ουσίες, μικροοργανισμούς, μεταλλικά ιόντα Οσμή πτητικές ενώσεις που δημιουργούνται από την αποδόμηση οργανικής ύλης προϊόντα διάβρωσης μετάλλων χημικών βιομηχανικής και γεωργικής προέλευσης. Αντιμετώπιση: απομακρύνονται όταν το νερό περάσει από στήλη ενεργού άνθρακα

7 Ποσοτικός προσδιορισμός Γεύσης/ Οσμής (με τη μέθοδο διαδοχικών αραιώσεων) Μονάδα μέτρησης της γεύσης θεωρείται το κατώφλι γεύσης: T.T.N=Threshhold Taste Number. Μονάδα μέτρησης της οσμής θεωρείται το κατώφλι γεύσης: T.O.N= Threshhold Odor Number Ο προσδιορισμός τους περιλαμβάνει την διαδοχική αραίωση του δείγματος με νερό άοσμο (άγευστο) μέχρις ότου να μην μπορεί να γίνει διαφοροποίηση μεταξύ του νερού αραίωσης και του αραιωμένου δείγματος. A B T.O.N= A όπου Α= ml δείγματος και Β= ml άοσμου νερού Η μέτρηση γίνεται σε δύο θερμοκρασίες, στους 12 o C και 25 o C, με ενδεικτικές τιμές Τ.Ο.Ν για το πόσιμο νερό 2 και 3 αντίστοιχα (Οδηγία 80/778/ΕΚ). * Η Οδηγία 98/83/ΕΚ ορίζει παραμετρική τιμή «αποδεκτό στους καταναλωτές και άνευ ασυνήθους μεταβολής» 5

8 6 ΟΡΓΑΝΟΛΗΠΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ 4. Θολερότητα (turbidity) Καθοριστική παράμετρος ελέγχου της ποιότητας των νερών Οφείλεται σε αιωρούμενα σωματίδια από οργανικές ή ανόργανες ενώσεις - φυτικούς ή ζωικούς οργανισμούς (σωματίδια ιλύος, υδροξειδίων του σιδήρου και αργιλίου, διοξείδιο του πυριτίου, πλαγκτόν, κ.α.) Ο προσδιορισμός βασίζεται στη σκέδαση του φωτός από τα αιωρούμενα σωματίδια (νεφελομετρία). μονάδες N.T.U. (Nefelometric Turbidity Units). Μεγάλες τιμές θολερότητας >10 καθιστούν το νερό ακατάλληλο προς πόση. Αυξημένη θολερότητα περιορισμό διέλευσης φωτός και της φωτοσύνθεσης Ένδειξη ευτροφισμού σε νερό λιμνών και θαλασσών *Η Οδηγία 98/83/ΕΚ ορίζει παραμετρική τιμή «αποδεκτό στους καταναλωτές και άνευ ασυνήθους μεταβολής» Η κατανάλωση νερού με θολότητα μπορεί να είναι επικίνδυνη: 1) η απολύμανση δεν είναι αποτελεσματική- 2)επιβλαβείς ουσίες απορροφώνται στην επιφάνεια.

9 7 ph ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (σχέση με τη φυσική σύσταση των νερων) Αγωγιμότητα Αλκαλικότητα Χλωριόντα Πυρίτιο Θειικά Θερμοκρασία Ασβέστιο Μαγνήσιο Νάτριο Κάλιο Σκληρότητα Διαλυμένο οξυγόνο Στερεά Διοξείδιο του άνθρακα

10 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Θερμοκρασία 8 Σημαντική παράμετρος τόσο στις μελέτες υδατικών οικοσυστημάτων όσο και στη διαχείριση αποβλήτων 12 o C ενδεικτική - 25 o C ανώτατη αποδεκτή για το πόσιμο νερό σημαντική επίδραση σε όλες τις χημικές αντιδράσεις (βιολογικές και μη) και σε φυσικά φαινόμενα (δημιουργία ρευμάτων, οξυγόνωση του νερού, στη διαβίωση υδρόβιων οργανισμών) τα επιτρεπτά όρια θερμοκρασίας των υγρών αποβλήτων ρυθμίζονται νομοθετικά Μια από τις κύριες μορφές ρύπανσης των επιφανειακών νερών είναι η θερμική ρύπανση

11 9 Θερμική Ρύπανση Υδάτινου Συστήματος Θερμική ρύπανση: η αύξηση της θερμοκρασίας των νερών (κυρίως επιφανειακών) από την αποχέτευση θερμού νερού που χρησιμοποιείται ως νερό ψύξης εγκαταστάσεων (ενεργειακών και άλλων) βιομηχανιών Επιπτώσεις: 1) μείωση της συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου λόγω της επιτάχυνσης βιοαποδόμησης οργανικής ύλης, 2) μείωση της διαλυτότητας του οξυγόνου, 3) μείωση της διάχυσης οξυγόνου στα κατώτερα στρώματα Συνέπειες: Ασφυξία και θάνατος, ανωμαλίες στην αναπαραγωγή και μεταβολισμό, ανάπτυξη ενός είδους σε βάρος άλλων, ευαισθησία σε τοξικές ύλες

12 10 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ph (ενεργός οξύτητα) σημαντική παράμετρος ελέγχου των νερών και των υγρών αποβλήτων ph απεσταγμένου νερού -βροχής = 5.6 ph θάλασσας= ph επιφανειακών νερών ελαφρά αλκαλικό όταν διέρχεται από ασβεστούχα πετρώματα ελαφρά όξινο όταν διέρχεται από πυριτικά 4< ph<9 τα επιτρεπτά όρια ph των υγρών αποβλήτων ρυθμίζονται νομοθετικά Το ph βρίσκεται σε άμεση συνάρτηση με τη χημική μορφή των ενώσεων στο νερό

13 Αγωγιμότητα (conductivity) (μέτρο της ικανότητας ενός υδατικού διαλύματος να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα) 11 παρέχει πληροφορίες για: την ποιότητα του νερού, τη ποσότητα διαλυμένων αλάτων και για το βαθμό ρύπανσης ειδική αγωγιμότητα, κ σε μmhos.cm -1 (μs.cm -1 ) η ειδική αγωγιμότητα καθαρής βροχής μmhos.cm -1, ενώ βροχής σε περιοχές με αυξημένη ρύπανση έως και 500 μmhos.cm -1 Πόσιμο νερό ενδεικτική τιμή: 400μmhos.cm -1 Βιομηχανικά λύματα η τιμή μπορεί να φθάσει έως και μs cm -1 Εμπειρική συσχέτιση ειδικής αγωγιμότητας και ολικών διαλυμένων στερεών: TDS (mg.l -1 )= k.f f= συντελεστής 0,54-0,9

14 Στερεά 12 Τα διαλυμένα ή αδιάλυτα στερεά στα νερά επηρεάζουν τη χρήση των νερών-τα διαλυμένα ή αδιάλυτα στερεά στα υγρά απόβλητα επηρεάζουν τη διαχείρισή τους Ολικά Στερεά (Total Solids TS) Ολικά Αιωρούμενα Στερεά (Total Suspended Solids TSS) Ολικά Διαλυμένα Στερεά (Total Dissolved Solids TDS) Καθιζάνοντα στερεά (Settleable Solids)

15 13 Ολικά Στερεά (TS) «το υπόλειμμα μετά από εξάτμιση δείγματος νερού» Είναι το σύνολο των στερεών στο δείγμα και προσδιορίζονται με ζύγιση του υπολείμματος ορισμένου όγκου δείγματος μετά από ξήρανση στους 105 ο C σε mg/l. Στη συνέχεια με πύρωση στους 550 ο C προσδιορίζονται τα πτητικά στερεά (VS) και το σταθερό υπόλειμμα (FS) Ο προσδιορισμός τους παρέχει πληροφορίες για το επίπεδο επιβάρυνσης του αποδέκτη. Απότομη αύξηση δείχνει αποχέτευση (παράνομη) αστικών λυμάτων ή βιομηχανικών αποβλήτων.

16 Ολικά Αιωρούμενα Στερεά(TSS) 14 Οργανικές και ανόργανες ουσίες με μικρό μέγεθος < 10-3 mm δεν καθιζάνουν. Ο προσδιορισμός τους σημαντικός στη διαχείριση υγρών αποβλήτων γιατί αποτελεί μέτρο ελέγχου της απόδοσης μονάδων επεξεργασίας. Στα νερά δημιουργούν θολότητα αισθητική υποβάθμιση, περιορισμό της διέλευσης του φωτός ( φωτοσύνθεσης). Ορισμένος όγκος διηθείται με φίλτρο 0.45μ με βοήθεια κενού και ξηραίνεται στους 105 ο C, ζυγίζεται εκφράζεται σε mg/l. Mε πύρωση στους 550 ο C προσδιορίζονται τα VSS και FSS Γρήγορη μέτρηση των TSS γίνεται νεφελομετρικά (μονάδες ΝΤU)

17 Ολικά Διαλυμένα Στερεά (TDS) 15 Ευδιάλυτα ανόργανα άλατα (άλατα αλκαλίων, χλωριούχα, θειικά, νιτρικά νιτρώδη κ.α.). Τα προβλήματα οφείλονται στα φυσικά χαρακτηριστικά των αλάτων. Φυσική και ανθρωπογενή προέλευση Ορισμένος όγκος διηθείται με φίλτρο 0.45μ. Το διήθημα ξηραίνεται στους 105 ο C, ζυγίζεται το υπόλειμμα εκφράζεται σε mg/l. Mε πύρωση στους 550 ο C προσδιορίζονται τα VDS και FDS Γρήγορη μέτρηση γίνεται με τη μέτρηση της ειδικής αγωγιμότητας TDS (mg.l -1 )= k.f f= συντελεστής 0,54-0,9

18 Καθιζάνοντα Στερεά 16 Στερεά που καθιζάνουν σε συνθήκες ηρεμίας Ο προσδιορισμός τους γίνεται ογκομετρικά σε βαθμονομημένο όργανο (φιάλη Imhoff). Το δείγμα αφήνεται να ηρεμήσει 1hr - σε ml/l Σχηματίζουν πυθμενική ιλύ - φράσσουν το επιφανειακό στρώμα του εδάφους - αποτίθενται σε αρδευτικές δεξαμενές, αγωγούς Χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό και την αξιολόγηση των δεξαμενών καθίζησης

19 17 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Σκληρότητα Παράμετρος που προσδιορίζει τη χρήση του νερού Oφείλεται στα δισθενή κατιόντα (Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+, Mn 2+ ) Ως σκληρότητα του νερού ορίζεται ως το άθροισμα των συγκεντρώσεων του ασβεστίου και μαγνησίου Εκφράζεται: σε ισοδύναμη ποσότητα CaCO 3, δηλαδή σε mg CaCO 3 /L νερού σε ppm ισοδύναμης ποσότητας CaCO 3. γερμανικός βαθμός σκληρότητας (1 d 0 ) αντιπροσωπεύει 10 mg CaO ανά λίτρο νερού. γαλλικός βαθμός σκληρότητας (1 f 0 ) αντιπροσωπεύει 10 mg CaCO 3 ανά λίτρο νερού. 1 mg CaCO 3 = 1ppm CaCO 3 = 0,1 f 0 = 0,056 d 0

20 18 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Σκληρότητα Διακρίνεται σε μόνιμη και παροδική Η «παροδική» ή «ανθρακική σκληρότητα» οφείλεται στα ευδιάλυτα όξινα ανθρακικά άλατα του ασβεστίου και του μαγνησίου. Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Η μόνιμη σκληρότητα ή «μη ανθρακική σκληρότητα» του νερού οφείλεται στα χλωριούχα και τα θειϊκά άλατα του ασβεστίου και του μαγνησίου. Το σύνολο της παροδικής και της μόνιμης σκληρότητας αποτελεί την ολική σκληρότητα

21 Σκληρότητα 19 Ο προσδιορισμός της σκληρότητας γίνεται με συμπλοκομετρική ογκομέτρηση των κατιόντων με διάλυμα EDTA παρουσία δείκτη EBT (μέλαν εριόχρωμα Τ) Επίσης μπορεί να υπολογισθεί εφόσον είναι γνωστές οι συγκεντρώσεις των κατιόντων στα οποία οφείλεται από χημική ανάλυση σε δείγμα νερού. Στις αναλύσεις νερών προσδιορίζονται τα κύρια ανιόντα και κατιόντα και όχι οι ενώσεις αυτοδύναμα σε mg/l ή μg/l. Τα αποτελέσματα εκφράζονται σε meq/l (Κανονικότητα, Ν). Η ολική σκληρότητα σε mg CaCO 3 /L νερού δίνεται από τη σχέση ΤΗ= 50 [Ca +Mg] αν οι συγκεντρώσεις δίδονται σε meq/l

22 Αν η συγκέντρωση ουσίας εκφράζεται σε συγκέντρωση μάζας (mg L -1 ), ο αριθμός των χιλιοστοισοδυνάμων ανά λίτρο, δηλαδή η κανονικότητα, δίδεται από τη σχέση: Ν (meq/l) = μάζα διαλυμένου σώματος / λίτρο (mg/l) Ισοδύναμο βάρος (mg/meq) 20 ως ισοδύναμο βάρος ιόντος ορίζεται η ποσότητα σε γραμμάρια από το ιόν που περιέχει Ν Α (6, ) στοιχειώδη φορτία. Για παράδειγμα, n 1mole Na+ με ΜΒ =23g περιέχει Ν Α =6, ιόντα και Ν Α στοιχειώδη φορτία έχει έχει ΙΒ =ΜΒ =23g 1mole Ca 2 + με ΜΒ =40g περιέχει Ν Α =6, ιόντα και 2Ν Α στοιχειώδη φορτία έχει έχει ΙΒ =ΜΒ/2= 40/20=20

23 Προσδιορισμός της σκληρότητας του νερού από χημικές αναλύσεις 21 Στη χημεία νερού η κανονικότητα χρησιμοποιείται στον έλεγχο της ανάλυσης του νερού ως προς την συγκέντρωση των ανόργανων ιόντων με βάση την αρχή της ηλεκτρικής ουδετερότητας ενός διαλύματος: το άθροισμα της κανονικότητας των κατιόντων πρέπει να είναι ίσο με το άθροισμα της κανονικότητας των ανιόντων. Για να είναι αποδεκτή μια χημική ανάλυση του νερού με βάση τον έλεγχο του ισοζυγίου κατιόντων και ανιόντων θα πρέπει η απόκλιση από την ισότητα να είναι στην περιοχή: ±0.2%, όταν η κανονικότητα ανιόντων ή κατιόντων είναι 0-3 meq /L ±2%, όταν η κανονικότητα ανιόντων ή κατιόντων είναι meq /L ±2-5%, όταν η κανονικότητα ανιόντων ή κατιόντων είναι meq /L

24 Δίνεται η παρακάτω ανάλυση για ένα δείγμα υπόγειου νερού. Ζητείται να ελεγχθεί η ανάλυση ως προς την ηλεκτρική ουδετερότητα και να υπολογισθεί η ολική, η μόνιμη και η παροδική (ή ανθρακική) σκληρότητα του νερού σε mg CaCO 3 /L. Πως θα χαρακτηρίζατε το νερό από το επίπεδο σκληρότητάς του; ιόν συγκ. ιόντος mg /L Σχετική μοριακή μάζα mg/mmol Φορτίο n meq/mmol Ισοδύναμο βάρος mg/meq Ν meq/l Na Ca Mg Cl SO HCO

25 23 Ισοδύναμο βάρος άλατος Ισοδύναμο βάρος άλατος, είναι η ποσότητα του άλατος, σε γραμμάρια, που μπορεί να δώσει σε διάλυμα το ισοδύναμο βάρος του κατιόντος ή του ανιόντος. Άρα το ισοδύναμο βάρος του άλατος θα είναι ίσο με το πηλίκο του mole του άλατος διά του αριθμού των φορτίων του κατιόντος, ή ανιόντος που παρέχει ένα mole άλατος. Για παράδειγμα: Ισοδύναμο βάρος NaCl = 1 mole Na+ Cl - (58,5) / 1 =58,5 g Ισοδύναμο βάρος Na 2 CO 3 = 1 mole Na 2 + (CO 3 ) -2 (106) / 2 =53 g Ισοδύναμο βάρος Al 2 (SO 4 ) 3 = 1 mole Al 2 +3 (SO 4 ) 3-2 (342) / 6 =57 g

26 24 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Σκληρότητα Το νερό με ολική σκληρότητα 0-60 mg CaCO 3 /L - μαλακό νερό mg CaCO 3 /L - μέτρια σκληρό, mg CaCO 3 /L - σκληρό >200 mg CaCO 3 /L - πολύ σκληρό Για το πόσιμο νερό η σκληρότητα mg CaCO 3 /L (ελάχιστη 60) σύμφωνα με την Οδηγία 98/83/ΕΚ για αποσκληρυμένα νερά.

27 Σκληρότητα 25 Σκληρό νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πόσιμο αν είναι ανάγκη-δεν έχει καλή γεύση επιδημιολογικές μελέτες δείχνουν συσχέτιση μεταξύ αυξημένης σκληρότητας και μείωσης εμφάνισης καρδιαγγειακών παθήσεων. Ακατάλληλο για πλύσιμο γιατί εμποδίζεται ο αφρισμός των σαπώνων Ακατάλληλο να χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία (απόθεση ανθρακικών αλάτων σε λέβητες σωλήνες, κλπ.)

28 26 Αφαίρεση σκληρότητας με χημική καταβύθιση Η αποσκλήρυνση του νερού αποβλέπει στην απομάκρυνση (ελάττωση της συγκέντρωσης) των ιόντων Ca 2+ και Mg 2+ με διάφορες μεθόδους (χημικές, ιοντοεναλλαγή, αντίστροφη ώσμωση) Το μαγνήσιο απομακρύνεται με τη μορφή Mg(OH) 2 ενώ το ασβέστιο και τα HCO 3 - ως ανθρακικό ασβέστιο CaCO 3 : Ca 2+ + CO 3-2 CaCO 3 (s) Mg ΟΗ - Mg(OH) 2 (s) Η ελάττωση της συγκέντρωσης του ανθρακικού ασβεστίου επιτυγχάνεται με αύξηση του ph στην τιμή 10,3 και του μαγνησίου στην τιμή 10,8-11,0 Αν το νερό περιέχει μη ανθρακική (μόνιμη) σκληρότητα για να προκύψουν όλα τα CO 3-2 που απαιτούνται για την καταβύθιση όλων των ιόντων Ca 2+, γίνεται προσθήκη σόδας Na 2 CO 3.

29 Aποσκλήρυνση του νερού 27 Μέθοδος με ασβέστη και σόδα. Η τεχνική αυτή γίνεται σε δύο στάδια: Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 2CaCO 3 + 2H 2 O CaCl 2 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + 2NaCl CaSO 4 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + Na 2 SO 4

30 Aποσκλήρυνση του νερού 28 Μέθοδος με καυστικό νάτριο και σόδα Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται στις περιπτώσεις που η παροδική και η μόνιμη σκληρότητα είναι στα ίδια επίπεδα. Η αποσκλήρυνση γίνεται σύμφωνα με τις αντιδράσεις: Ca(HCO 3 ) 2 +2NaOHCaCO 3 + Na 2 CO 3 + 2H 2 O CaCl 2 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + 2NaCl

31 Μέσα Ιοντοεναλλαγής 29 Υπάρχουν τόσο φυσικά όσο και συνθετικά υλικά ιοντοεναλλαγής. Τα φυσικά υλικά (ζεόλιθοι) ήταν τα πρώτα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν με επιτυχία για την αποσκλήρυνση του νερού σε βιομηχανική κλίμακα, ενώ σήμερα έχουν σχεδόν επικρατήσει οι οργανικές συνθετικές ρητίνες, εξαιτίας των υψηλών αποδόσεων και των ελεγχόμενων ιδιοτήτων τους. Η επεξεργασία με τη μέθοδο αυτή, πραγματοποιείται με χρήση καταλλήλων στηλών οι οποίες πληρώνονται με ιοντοεναλλάκτη. Μέσα από τις στήλες διέρχεται το νερό, ο ιοντοεναλλάκτης δεσμεύει τα προς απομάκρυνση ιόντα και στο τέλος αναγεννάται για να επαναχρησιμοποιηθεί. Στις συσκευές της ιοντοεναλλαγής ανταλλάσσεται ένα ιόν με κάποιο άλλο, κρατείται προσωρινά στο μέσο και κατόπιν απελευθερώνεται στο διάλυμα αναγέννησης.

32 30 Στήλες ιοντοεναλλαγής

33 Φυσικά υλικά ιοντοεναλλαγής -Ζεόλιθοι 31 Οι ζεόλιθοι, φυσικοί και συνθετικοί, είναι κρυσταλλικά ανόργανα πολυμερή υλικά που ο δομικός σκελετός τους σχηματίζει χαρακτηριστικές οπές. Έχουν τη μορφή πορώδους λίθου, ο οποίος με ισχυρή θέρμανση οδηγεί στο βρασμό του νερού που έχει συγκρατήσει (ζεόλιθος προέρχεται από τις λέξεις ζέον και λίθος). Είναι αργιλιοπυριτικές ενώσεις, οι κρύσταλλοι των οποίων αποτελούνται από τετράεδρα SiO 4-4, σε μερικά από τα οποία το Si 4+ έχει αντικατασταθεί από Al 3+. Τα τετράεδρα [(Si,Al)O 4 ] -4 ενώνονται μεταξύ τους (με τα κοινά οξυγόνα των κορυφών τους) και σχηματίζουν πολύεδρα, δημιουργώντας, ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσής τους, τρισδιάστατα πλέγματα με διαύλους (channels) ή κοιλότητες (cavities) εντός των οποίων συγκρατούνται, συνήθως χαλαρά, μόρια νερού και κατιόντα (κυρίως Ca, Na, K), υπό ανταλλάξιμη μορφή

34 Μέθοδος ζεολίθων Απομάκρυνση ασβεστίου:κατά τη διέλευση του νερού, μέσα από μια στήλη ζεολίθου, γίνεται ιοντοεναλλαγή των ιόντων Na + με τα ιόντα Ca 2+.Ο ζεόλιθος μετά τη χρήση του μπορεί να αναγεννηθεί με κατεργασία με πυκνό διάλυμα χλωριούχου νατρίου. 32

35 33 Μέθοδος ιοντοεναλλακτικών ρητίνων. πολυμερή υλικά οργανικής φύσης με πορώδη σκελετό, πάνω στον οποίο είναι χαλαρά συνδεδεμένες όξινες (Η + ) ή βασικές (ΟΗ - ) ομάδες. Ανταλλαγή κατιόντων CaSO 4 + 2Η + [ρητίνη] Η 2 SΟ 4 + Ca +2 [ρητίνη] NaCl + Η + [ρητίνη] HCl + Na + [ρητίνη] Ανταλλαγή ανιόντων Η 2 SΟ 4 + 2OΗ - [ρητίνη] 2Η 2 O + SΟ 4-2 [ρητίνη] HCl+ OΗ - [ρητίνη] Η 2 O + Cl - [ρητίνη]

36 34 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Χλωριόντα κύρια κατηγορία ανόργανων συστατικών των φυσικών υδάτων η συγκέντρωσή τους ποικίλει ανάλογα με την κατηγορία και την προέλευσή του νερού Η παρουσία των χλωριόντων στα ύδατα καθορίζει τη χρήση τους (πόσιμο, άρδευσης, νερό για βιομηχανική χρήση) Η συγκέντρωση τους στα αστικά λύματα και τα στραγγίσματα στερεών απορριμάτων είναι σχετικά μεγάλη. Αυξημένες συγκεντρώσεις στα υπόγεια ύδατα είναι σοβαρή ένδειξη ρύπανσης από χώρους τελικής διάθεσης στερεών αποβλήτων, ή από εισροή θαλάσσιου νερού, ή διοχέτευση αστικών λυμάτων. Νερό που περιέχει συγκέντρωση > 250 mg/l αποκτά αλμυρή γεύση. Συγκεντρώσεις πάνω από 200 mg/l στο πόσιμο έχουν δυσμενείς επιπτώσεις

37 35 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Ασβέστιο Είναι το δεύτερο σε συγκέντρωση συστατικό των φυσικών νερών. Εισέρχεται στο νερό από διάφορα πετρώματα, όπως ασβεστόλιθο (CaCO 3 ), δολομίτη (CaCO 3.MgCO 3 ), γύψο (CaSO 4.2H 2 O), φθοριούχο ασβέστιο (CaF 2 ) κ.α. η συγκέντρωση στο πόσιμο νερό mg/l. Νερό που περιέχει mg/l ασβέστιο θεωρείται σκληρό έως πολύ σκληρό. απαραίτητο στοιχείο της διατροφής των ζώντων οργανισμών (ανθρώπου-ζώων, φυτών)

38 36 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Πυρίτιο το πιο διαδεδομένο στοιχείο (μετά το οξυγόνο) παρόν σχεδόν σε όλα τα πετρώματα και νερά. Το (SiO 4-4 ) είναι η κύρια μορφή του στα διάφορα ορυκτά. μεταφέρεται στα νερά σε μορφή κολλοειδούς ή ιόντων με τη μορφή πυριτικού οξέος (H 4 SiO 4 ) ή υδροξειδίου του πυριτίου (Si(OH) 4 ). Η συγκέντρωση του διαλυτού πυριτίου εκφράζεται ως ισοδύναμη ποσότητα δοιξειδίου του πυριτίου, SiO 2 (silica) σε mg/l. Προσδιορίζεται φασματοφωτομετρικά με μολυβδαινικό αμμώνιο.

39 37 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Θειικά Ευρέως διαδεδομένα στα φυσικά νερά συστατικό πολλών ορυκτών. Προσδίδουν δυσάρεστη οσμή και γεύση ένα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια στη βιομηχανία είναι το θειικό οξύ, ο θειούχος σίδηρος και άλλα θειούχα και θειικά άλατα. Τα θειικά άλατα του ασβεστίου και μαγνησίου έχουν υπακτική δράση η μέγιστη επιτρεπτή συγκέντρωση στο πόσιμο νερό:250 mg/l. η ύπαρξη αερόβιων συνθηκών ευνοεί τη μετατροπή των θειούχων σε θειικά, ενώ αναερόβιες συνθήκες την μετατροπή θειικών προς θειούχα

40 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Μαγνήσιο 38 Στο νερό εισέρχεται από δολομιτικά (CaCO 3.MgCO 3 ) και από διάφορα πυριτικά και αργιλοπυριτικά πετρώματα. Η συγκέντρωση του Mg στο πόσιμο νερό 4-40 mg/l. Η σκληρότητα του νερού οφείλεται κυρίως στο μαγνήσιο και το ασβέστιο απαραίτητο στον ανθρώπινο οργανισμό συνιστώμενη ημερήσια δόση ενηλίκων είναι 250 mg Η παρουσία μαγνησίου στο νερό είναι επιθυμητή και στα νερά άρδευσης γιατί είναι απαραίτητο θρεπτικό συστατικό των φυτών και λειτουργεί ως εδαφοβελτιωτικό. Σε μεγάλες συγκεντρώσεις έχει υπακτική δράση

41 39 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Κάλιο βρίσκεται συνήθως σε μικρές συγκεντρώσεις στα φυσικά νερά. Η μέγιστη επιτρεπτή συγκέντρωση του στο πόσιμο νερό είναι 12 mg/l. Είναι απαραίτητο θρεπτικό συστατικό των φυτικών οργανισμών. Αυξάνει την ικανότητα αφομοίωσης διοξειδίου του άνθρακα. Σε μεγάλες συγκεντρώσεις έχει υπακτική δράση ενώ σε πολύ μεγάλες είναι τοξικό

42 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Νάτριο 40 εισέρχεται στα φυσικά νερά από διάφορα πετρώματα: ορυκτό χλωριούχο νάτριο, αργιλιοπυριτικά ορυκτά νατρίου (NaAlSiO 4, NaAlSi 3 O 8 ). Οι συγκεντρώσεις νατρίου στα γλυκά φυσικά νερά είναι μικρή. Μεγάλες συγκεντρώσεις οφείλονται σε λιπάσματα, εισροή θαλάσσιου νερού. Η μέγιστη επιτρεπτή συγκέντρωση στο πόσιμο νερό είναι mg/l. Ενδεικτική τιμή: 20 mg/l. Ένα από τα ανόργανα συστατικά (Ca 2+, Mg 2+, Νa + ) που προσδιορίζεται στα επεξεργασμένα αστικά λύματα για την αξιολόγηση της καταλληλότητας των λυμάτων για άρδευση εδαφών. δυσμενή επίδραση στα εδάφη και στις καλλιέργειες.

43 ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΝΕΡΟΥ ΓΙΑ ΑΡΔΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ Ο συντελεστής προσρόφησης νατρίου (Sodium Adsorption Ratio) γνωστός ως S.A.R ισούται με: Na Ca Mg 2 όπου οι συγκεντρώσεις Νa, Ca και Μg αναφέρονται σε meq/l Όσο πιο μικρή τιμή έχει η παραπάνω σχέση τόσο καλύτερο το νερό για άρδευση (<3). Οι τιμές S.A.R μεταβάλλονται σε συνάρτηση με την ειδική αγωγιμότητα. 41

44 Χρηματοδότηση Το παρόν υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.