Inne metody czyszczenia wody

Woda pitna – także ta stosowana do celów przemysłowych – zawiera czasem zanieczyszczenia, które wymagają zastosowania innych technologii uzdatniania wody, niż tylko jej zmiękczanie czy odżelazianie. Pozostałe chemiczne technologie uzdatniania wody to m.in.: usuwanie azotanów, korekta odczynu, odgazowywanie, dekarbonizacja.

1. Dozowanie związków chemicznych w procesach dezynfekcji wody

Dozowanie chemikaliów różnego typu w celu uzyskania pożądanych parametrów wody stosuje się w wielu branżach przemysłu oraz przy różnych technologiach uzdatniania takich jak:

• Uzdatnianie wody chłodniczej,
• Uzdatnianie wody technologicznej,
• Uzdatnianie wody zasilającej kotły,
• Uzdatnianie wody zasilającej urządzenia klimatyzacyjne,
• Dezynfekcja wody,
• Oczyszczania wody basenowej.

Środki dozowane przy uzdatnianiu wody grzewczej:

• Inhibitory korozji,
• Środki korygujące odczyn,
• Środki wiążące twardość,
• Środki wiążące tlen.

Środki dawkowane przy uzdatnianiu wody chłodniczej:

• Inhibitory korozji,
• Biocydy hamujące rozwój grzybów, glonów, bakterii.

Środki używane w procesie dezynfekcji wody:

• Podchloryn sodu,
• Pozostałe środki dezynfekcji.

Preparaty wykorzystywane w technice basenowej:

• Preparaty sanityzacyjne,
• Preparaty korekty odczynu.

Stacja dozująca środki chemiczne dezynfekcji wody

Stacja dozująca składa się z pompy membranowej, zbiornika roztworowego oraz przewodów doprowadzających. Pompa dozująca sterowana jest sygnałem analogowym o wartości 4-20 mA, którego źródłem może być np. sonda odczynu pH z przetwornikiem lub za pomocą impulsów z wodomierza kontaktowego.

W zależności od zastosowanego rodzaju pompy membranowej istnieje możliwość ręcznej regulacji częstotliwości drgań tłoka (zmiana ilości jego suwów w jednostce czasu) oraz długości skoku tłoka (zmiana objętości porcji płynu dozowanego podczas jednego suwu tłoka).

2. Dekarbonizacja wody

Woda zasilająca wytwornice ciepłej wody i pary oraz woda chłodnicza często musi być poddana procesowi dekarbonizacji, aby spełnić wymagania normatywne. Zmiękczanie wody na wymienniku jonowym powoduje wymianę związków wpływających na twardość wody na łatwo rozpuszczalne sole obojętne.

Woda pozostaje zmiękczona, ale ogólna ilość soli nie ulega zmianie. Wodorowęglan sodu – który powstaje na wymieniaczu zasadowym twardości węglanowej – umożliwia analizę jej składu chemicznego.

Równocześnie w kotle uwalniany jest dwutlenek węgla w stanie związanym, w wyniku czego powstaje kwaśny, agresywny kondensat, wyrządzający szkody korozyjne. Proces ten obrazują poniższe reakcje:

NaHC0₃ + H₂O = NaOH + H₂CO₃

Kwas węglowy ulega natychmiastowemu rozkładowi z wydzieleniem dwutlenku węgla:

H₂CO₃ = H₂O + CO₂

Sumarycznie reakcje rozkładu wodorowęglanu sodowego można zapisać:

NaHCO₃ = NaOH + CO₂

Podczas dekarbonizacji (metodą wymiany wodorowo-sodowej szeregowej) kationy powodujące twardość węglanową, wymieniane są na kationy wodorowe H (wymieniacz pracuje w cyklu wodorowym). Kationy twardości niewęglanowej przechodzące przez ten „słabokwaśny” wymieniacz nie ulegają zmianie.

Pozostająca w wodzie „twardość resztkowa” usuwana jest w wymieniaczu sodowym włączonym szeregowo. Na tym etapie zmiękczania kationy twardości wymieniane są na kationy sodu (wymieniacz w cyklu sodowym), tworząc przy tym z twardości niewęglanowej tzw. sole obojętne.

Przebieg procesu dekarbonizacji

Sole rozpuszczone w wodzie są „zdysocjowane” (rozdzielone) na dodatnio naładowane kationy oraz ujemnie naładowane aniony. Sole powodujące twardość wody składają się z kationów wapnia Ca⁺⁺ oraz magnezu Mg⁺⁺, połączonych z anionami kwaśnych węglanów HCO₃, siarczków SO₄ i chlorków Cl.

W pierwszym etapie woda podawana jest na kolumnę wypełnioną masą jonitową słabo kwaśną. Na masie mało kwaśnej zatrzymywany jest wapń (Ca) oraz magnez (Mg), związany z zasadowością, czyli jonem wodorowęglowym. Jony te są wymieniane na jon wodorowy wg reakcji:

Ca(HCO₃)₂ + 2H – R = 2H₂CO₃ + Ca – R₂ Mg(HCO₃)₂ + 2H – R = 2H₂CO₃ + Mg – R₂

gdzie R oznacza masę jonitową. Kwas węglowy natychmiast rozkłada się na dwutlenek węgla oraz wodę:

H₂C0₃ = H₂O + CO₂

Wydzielający się dwutlenek węgla usuwany jest w procesie odgazowywania termicznego przy pomocy desorbera. Jest to urządzenie wypełnione pierścieniami Rashinga, do którego od góry wpływa woda, natomiast przeciwprądowo wdmuchiwane jest powietrze, co ułatwia desorpcję CO₂. Do regeneracji złoża pracującego w cyklu wodorowym używa się kwasu solnego HCI.

W kolejnym etapie dekarbonizacji, czyli w momencie osiągnięcia zasadowości na poziomie = 0,5 mval/dm₃, woda poddawana jest wymianie sodowej na złożu silnie kwaśnym. Podczas wymiany usuwana jest „twardość resztkowa” wody. Jony wapnia oraz magnezu zostają wymienione na jon sodowy zgodnie z reakcją:

Ca⁺⁺ + 2Na – R = 2Na⁺ + Ca – (R)₂Mg⁺⁺+ 2Na – R = 2Na⁺ + Mg – (R)₂

Wymieniacz sodowy regenerowany jest roztworem soli kuchennej. Woda uzyskana podczas wymiany wodorowo-sodowej (dekarbonizacji) jest w 60% zdemineralizowana.

Metody dekarbonizacji

Oprócz opisanej powyżej i najczęściej stosowanej metody dekarbonizacji przeprowadzanej za pomocą wymiany wodorowo-sodowej szeregowej, istnieją też inne metody dekarbonizacji.

Równoległa wymiana wodorowo-sodowa

Wymiana wodorowo-sodowa równoległa polega na mieszaniu wycieku z kolumny ze złożem silnie kwaśnym, pracującej w cyklu wodorowym, z wyciekiem z kolumny sodowej w odpowiednich proporcjach.

Połączenie tych strumieni powoduje rozkład kwaśnych węglanów, a wydzielany przy tym dwutlenek węgla usuwany jest w desorberze (ogrzewany zbiornik chłodziarki absorpcyjnej). Metoda ta nie jest jednak powszechnie stosowana ze względu na trudności regulacyjne, związane z precyzyjnym mieszaniem strumieni wody.

Metoda wymiany sodowo-chlorkowej

Wymiana sodowo-chlorkowa to technologia o wiele bardziej łatwa w obsłudze. W metodzie tej wszystkie kolumny regenerowane są solanką. Niska zdolność masy anionitowej pracującej w cyklu chlorkowym, duże zużycie soli i wody na potrzeby własne oraz duża zawartość chlorków w wodzie dyskwalifikują metodę wymiany sodowo-chlorkowej.

3. Korekta odczynu pH wody

Szczątkowa zawartość azotanów w wodzie uzdatnionej zależy od:

• Rodzaju stosowanej żywicy,
• Dawki regenerantu,
• Sposobu regeneracji.

W zależności od zawartości w wodzie azotanów i siarczanów, a także ich wzajemnego stosunku stosujemy złoże IMAC HP 555 lub IMAC HP441.

Podnoszenie odczynu pH – neutralizacja

Jak widać z powyższej tabeli woda stosowana do celów przemysłowych, a szczególnie kotłowych wymaga podwyższenia odczynu pH. Korekta odczynu jest również wskazana podczas procesu odżelaziania oraz odmanganiania. Proces podniesienia pH do odczynu obojętnego jest zwany jako neutralizacja wody.

Neutralizacja wody przeprowadzana jest najczęściej przez związanie rozpuszczonego w wodzie wolnego dwutlenku węgla. Do neutralizacji stosuje się specjalne złoża filtracyjne, które ulegając powolnemu rozpuszczaniu, podnoszą odczyn wody do założonego poziomu pH.

Obniżanie odczynu pH

Woda stosowana w niektórych technologiach wymaga czasami obniżenia jej odczynu pH. Dotyczy to szczególnie wody stosowanej w produkcji kosmetyków, a także przy hodowli ryb. Obniżanie odczynu wody jest jednak bardzo rzadko stosowanym procesem.

4. Usuwanie azotanów z wody

Występowanie azotanów w wodach naturalnych jest spowodowane przed wszystkim niewłaściwym, powszechnym stosowaniem nawozów azotowych w rolnictwie, a także z powodu zanieczyszczenia wód naturalnych ściekami.

Rozporządzenia Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z 4 września 2000 roku na temat warunków, jakim powinna odpowiadać woda pitna i gospodarcza, określa maksymalne stężenie azotanów na poziomie 50 mg/l.

Azotany mogą być szkodliwe dla naszego zdrowia. Przekształcone w azotyny, reagują z aminami w układzie pokarmowym człowieka, wytwarzając rakotwórcze nitrozoaminy.

Metody usuwania azotanów z wody

Odazotowanie biologiczne wody

Odazotowanie biologiczne polega na wprowadzeniu do wody uzdatnionej biologicznie rodnika węgla organicznego, którym może być metanol lub kwas octowy. Ilość tego substratu musi być ściśle dozowana, ponieważ jego nadmiar może uczynić wodę niezdatną do konsumpcji.

Woda uzdatniona biologicznie metodą beztlenową może zawierać azotyny. Bakterie denitryfikujące są w stanie przekształcić obecne w wodzie azotany w azot gazowy. Dlatego po odazotowaniu woda musi zostać napowietrzona oraz odkażona przez chlorowanie, ozonowanie, itp.

Biologiczne uzdatnianie wody może pozostawić zanieczyszczenia zarodnikami i śladami grzybni mikroorganizmów beztlenowych. Grzybnię tą należy usunąć za pomocą flokulacji oraz filtracji. Odazotowanie biologiczne to dość skomplikowana oraz kosztowna metoda oczyszczania wody, dlatego jest stosunkowo rzadko stosowane.

Usuwanie azotanów z wody za pomocą wymiany jonowej

Usuwanie azotanów z wody za pomocą wymiany jonowej to dość prosty proces, który nie wymaga skomplikowanej obsługi. Proces zachodzi w wymiennikach jonowych w trakcie przepływania uzdatnianej wody przez specjalną żywicę jonowymienną.

W zależności od zawartości w wodzie azotanów, siarczanów i chlorków oraz ich wzajemnego stosunku stosujemy odpowiednie złoże. Regenerację przeprowadza się roztworem chlorku sodu (NaCI) w układzie przeciwprądowym. Ilość zużytej soli uzależniona jest od złoża i założonych warunków regeneracji.

Szczątkowa zawartość azotanów w wodzie uzdatnionej zależy od:

• Rodzaju stosowanej żywicy,
• Dawki regenerantu,
• Sposobu regeneracji.

W zależności od zawartości w wodzie azotanów i siarczanów, a także ich wzajemnego stosunku stosujemy złoże IMAC HP 555 lub IMAC HP441.

Żywica IMAC HP441

IMAC HP to silnie zasadowa żywica anionitowa z trójmetyloaminowymi grupami funkcyjnymi, stosowana w postaci chlorkowej, przeznaczona do usuwania azotanów. Względne powinowactwo takich żywic do zawartych w wodzie anionów jest następujące:

HCO₃ < CL < NO₃ < SO₄.

Zgodnie z tym wzorem siarczany zostaną usunięte przed azotanami. Poziom siarczanów w wodzie uzdatnionej nie będzie wzrastał do momentu przebicia się azotanów. Stąd zdolność wymienna żywicy w stosunku do azotanów jest silnie zależna od zawartości siarczanów w wodzie surowej.

Należy uwzględnić, że azotany i siarczany będą wymieniane na jony chlorkowe. Każdy 1 mg/l usuniętego azotanu zwiększy zwartość chlorków w uzdatnianej wodzie o 0,57 mg/l. Podobnie każdy 1 mg/l usuniętego siarczanu zwiększy zwartość chlorków o 0,74 mg/l.

Wzrost ilości jonów chlorkowych może spowodować zwiększenie korozyjności uzdatnianej wody, a w niektórych przypadkach ich ilość może przekroczyć maksymalną dopuszczalną zawartość chlorków w wodzie pitnej (250 mg/l).

W początkowej fazie procesu usuwania azotanów za pomocą wymiany jonowej zawartość chlorków w uzdatnionej wodzie wzrasta dodatkowo z powodu jonów chlorkowych, wymienionych z wodorowęglanami zawartymi w wodzie surowej. Ten rodzaj wymiany zanika wraz z usunięciem wodorowęglanu z żywicy IMAC HP441.

W razie konieczności tę wodę początkową można odprowadzić do ścieków. Regenerację wody przeprowadza się wykorzystując chlorek sodu (NaCI) w proporcji 125 g NaCI na litr żywicy w układzie przeciwprądowym, w celu uzyskania niskiej szczątkowej zawartości azotanów.

Stężenie roztworu chlorku sodu (NaCI) może być większe (250-300g NaCI/l żywicy) w zależności jak niską szczątkową zawartość azotanów w wodzie chcemy uzyskać.

Żywica IMAC Hp 555

Często zdarza się tak, że woda zawiera więcej siarczanów niż azotanów. W takich przypadkach konieczne staje się zastosowanie żywicy IMAC HP 555. IMAC HP 555 to silnie zasadowa żywica anionitowa. Ze względu na inne grupy funkcyjne oraz swoją strukturę, żywica ta posiada następujące powinowactwa do anionów:

HCO₃ < CL < SO₄ < NO₃

Wspomniana zmiana porządku powinowactwa daje w rezultacie zupełnie inny wzorzec poślizgu. Dlatego też żywica IMAC HP 555 w porównaniu z żywicą IMAC HP 441:

• Pozostawia niewielką ilość siarczanów,
• Siarczany przebijają się wcześniej niż azotany,
• Pozostaje pewna ilość wodorowęglanów,
• Poślizg chlorków jest znacznie niższy (poniżej 1 50 mg/l przez większą część cyklu),
• Zawartość azotanów po przebiciu nie będzie wyższa w wodzie wypływającej, w porównaniu z zawartością azotanów w wodzie dopływającej.

Żywica IMAC HP 555 usuwa azotany preferencyjnie w stosunku do siarczanów. W przypadku wody zawierającej więcej siarczanów niż azotanów pozostawi pewną ilość siarczanów.

Zdolność wymienna żywicy Imac HP555 zależy od stosunku zawartości siarczanów do azotanów w wodzie dopływającej. Zdolność ta będzie spadać wraz ze wzrostem stosunku SO/NO w wodzie uzdatnianej.