1

Chimie tehnologic

Cuprins

1. . Noiuni fundamentale n chimia tehnologic. Proces tehnologic, proces de producie. Flux tehnologic i criterii de alegere. Mrimi ce caracterizeaz procesele chimice industriale: conversia total, conversia util, randamentul, selectivitatea

2. Simboluri tehnice i scheme tehnologice. Clasificarea proceselor tehnologice. Etapele elaborrii proceselor tehnologice. Bilanul de materiale n sisteme tehnologice

3. Tehnologia apei. Apa potabil. Condiii de calitate. Tratarea apelor naturale pentru obinerea apelor potabile. Eliminarea suspensiilor. Sterilizarea apei. Ape industriale. Dedurizarea apei. Demineralizarea apei. Ape reziduale. Epurarea apelor uzate i reziduale

4. Tehnologia acidului sulfuric. Procedee de fabricare a acidului sulfuric. Materii prime pentru obinerea gazelor sulfuroase. Prjirea piritei. Purificarea i uscarea gazelor sulfuroase. Oxidarea catalitic a dioxidului de sulf. Absorbia trioxidului de sulf. Sortimente de acid sulfuric. Utilizri ale acidului sulfuric

5. Fabricarea gazului de sintez

6. Tehnologia amoniacului

2

CHIMIE TEHNOLOGIC

Chimia tehnologic este disciplina care prezint aplicaiile n industrie ale cunotinelor dobndite prin studiul celor patru mari grupe de discipline de chimie fundamental: chimie anorganic, organic, analitic i al chimiei fizice.

Studiul chimiei tehnologice ofer suportul teoretic pentru a realiza industrial procese de fabricare i de prelucrare a numeroase substane necesare n activitatea economic i ca bunuri de consum.

1. Noiuni fundamentale n chimia tehnologic

1.1. Proces tehnologic, proces de producie Definiii Procesul tehnologic reprezint transformarea materiilor prime n produse intermediare sau finite cu ajutorul unuia sau mai multor procese chimice fundamentale i a uneia sau mai multor operaii fizice sau mecanice (desfurate paralel sau ciclic). Procesul de producie sau de procesul de fabricaie reprezint totalitatea proceselor folosite pentru transformarea materiilor prime i a semifabricatelor n produse finite. Un proces de producie este un sistem format din procesul tehologic, procesul de munc i procese naturale n unele cazuri. Procesele chimice fundamentale ( exemplu halogenarea, sulfurarea, nitrarea, oxidarea, alchilarea ) schimb natura i compoziia substanelor, transformndu-le n alte substane cu alte proprieti. Operaiile fizice i mecanice, numite operaii unitare nu schimb natura substanelor respectiv nu implic reacii chimice. Aceste operaii au ca obiective: - pregtirea materiei prime - izolarea produselor din mediul de reacie i purificarea lor. Principalele operaii tip sau operaii unitare sunt:

- Transportul materialelor, lichidelor, materialelor solide; - Concasarea - Mrunirea; - Sedimentarea; - Filtrarea; - Amestecarea; - nclzirea i rcirea; - Fermentarea; - Pasteurizarea, sterilizarea; - Concentrarea;

3

- Condensarea; - Cristalizarea; - Uscarea; - Distilarea i rectificarea; - Extracia.

1.2. Fluxul tehnologic si criterii de alegere a proceselor tehnologice Reprezentarea procesului tehnologic

Traseul materiei prime de-a lungul proceselor chimice fundamentale i a operaiilor unitare, pn la produsul finit, constitue fluxul tehnologic. Reprezentarea grafic a fluxului tehnologic se numete schema tehnologic. Schema tehnologic poate fi de dou tipuri:

o A. Schem tehnologic de operaii o B. Schem tehnologic de fabricaie

Schema tehnologic de operaii reprezint operaiile unitare i procesele chimice fundamentale scrise n dreptunghiuri. Substanele implicate n operaia respectiv se scriu ntr-o parte sau alta a dreptunghiului, indicndu-se prin sgei dac intr sau ies din aceasta. Schema tehnologic de fabricaie cuprinde reactoarele i celelalte utilaje implicate n proces, pentru efectuarea operaiilor unitare, reprezentate n ordinea de succesiune urmat i la nivelele adecvate. Alegerea procesului tehnologic Un produs chimic finit poate fi obinut prin mai multe tipuri de procese tehnologice formate din secvene diferite de procese chimice fundamentale i operaii unitare. Produsul chimic obinut poate avea aceleai caliti sau caliti diferite ,n funcie de procesul tehnologic utilizat pentru obinerea lui. Natura procesului determin randamentul de obinere al acestuia, cheltuielile de materii prime, materiale, energie i fora de munc. De aceea alegerea procesului tehnologic de fabricaie al unui produs se face astfel nct s duc la obinerea unui produs de bun calitate, la un cost ct mai mic, cu un consum minim de materii prime, materiale, energie i un grad nalt de automatizare. Deci criteriile de alegere a unui proces tehnologic sunt:

a. asigurarea cu materii prime i energie; b. calitatea produsului finit; c. cantitatea de produs finit ce trebuie obinut n unitatea de timp; d. costul produsului finit.

De asemenea ,se alege procesul tehnologic pentru care consumurile specifice sunt mai reduse , iar subprodusele se obin n cantiti mai mici i pot fi valorificate. Se vor prefera procesele tehnologice cu consumuri de energie mai mici.

b. Calitatea produsului finit

4

Obinerea direct din proces a unui produs cu un nalt grad de puritate , este o condiie esenial n alegerea procesului de fabricaie al acestuia. Un proces tehnologic prin care se obin produi impurificai cu substane secundare necesit operaii i instalaii n plus,pentru purificare, ceeea ce determin consumuri de materiale, energie i investiii superioare.

c. Cantitatea de produs finit ce trebuie obinut n unitatea de timp Dac produsul trebuie obinut n cantitate mare, atunci se alege un proces tehnologic cu funcionare continu. Dei acest proces necesit instalaii mai scumpe dect un proces cu funcionare discontinu, devine rentabil dac instalaiile sunt mari.Pentru produsele ce trebuie obinute n cantitate mic n unitatea de timp, se aleg procesele tehnologice cu funcionare discontinu, care sunt mai ieftine.

d. Costul produsului finit Pentru fabricaia unui produs , se alege acel proces tehnologic pentru care costul acestuia este minim. La costuri egale, se prefer procesul tehnologic care nu conduce la produi secundari. Eficiena economic a unui proces tehnologic se urmrete cu ajutorul unor indicatori tehnico-economici care presupun cunoaterea conversiei , a randamentului, bilanului de materiale, bilanul termic, productivitatea muncii, costul de producie, etc.

Orice proces tehnologic se compune dintr-o succesiune de operaii fizice i chimice care pot fi grupate astfel:

operaii de pregtire a materiilor prime; operaii de prelucrare a materiilor prime care conduc la obinerea produselor finite; operaiide valorificare a subproduselor i a deeurilor; operaii auxiliare (transport,depozitare, etc.)

1.3 Mrimi ce caracterizeaz procesele chimice industriale: conversia, randamentul, selectivitatea Se consider reacia chimic general de forma:

jjii PR =

unde: R reprezint reactanii, P reprezint produii de reacie, iar i , respectiv j reprezint coeficienii stoechiometrici ai reactanilor i ai produilor de reacie. Conversia, notat cu C este definit ca raportul dintre numrul de moli de materie prima care s-a transformat n produi chimici i numrul de moli de materie prim alimentat.

100alimentata prima mateie de moli de nr.

ata transformprima materie de moli nr.de(%) =C

5

Ranadamentul, , este raportul dintre cantitatea de produs util obinut n urma reaciei i cantitatea de mateie prim intrat n proces. Pentru procesele a cror desfurare se poate exprima prin ecuaii stoechiometrice cunoscute, randamentul n produs final este:

100 teoreticprodus de moli

practicobtinut produs de moli(%) =

Selectivitatea este raportul dintre numrul de moli de produs util obinut i numrul de moli de materie prim transformat ( calculele se fac pentru reactantul aflat n cantitate stoechiometric).

100ata transformprima materie moli

util produs moli(%) =S

2. Clasificarea proceselor tehnologice a. clasificarea dup modul de desfurare in timp Procesele tehnologice pot fi :

discontinue (periodice) semicontinue continue

Procesele discontinue -se realizeaz n utilaje cu funcionare periodic, din care produsul se evacueaz la intervale de timp determinate. n cazul proceselor discontinue, parametrii tehnologici (temperatura, presiunea, concentraia reactanilor, viteza de reacie, etc.) variaz n decursul desfurrii procesului. Procesele discontinue lucreaz n regim nestaionar. Un astfel de proces decurge n arje. Procesele discontinue sunt aplicate mai puin deoarece n cazul acestora productivitatea este sczut i nu pot fi automatizate complet. Un proces tehnologic discontinuu se caracterizeaz prin mrimea arjei i durata unui ciclu de transformare.

Procesele continue se caracterizeaz prin simultaneitatea desfurrii tuturor fazelor. Acestea decurg n aparate cu funcionare continu, iar parametrii se menin invariabili, constani , pe toatdurata procesului. n acest caz, regimul de lucru este staionar n cazul proceselor continue, alimentarea cu materii prime i energie se face continuu i uniform, iar evacuarea produilor de reacie n acelai mod. Procesele continue se caracterizeaz prin debite de alimentare i evacuare i timpul de staionare a materialelor n instalaie.

6

n cazul proceselor semicontinue alimentarea se face parial continuu, parial dicontinuu, iar produii sunt evacuai n acelasi mod.

b. clasificarea dup numrul de prelucrri ale materiei prime nainte de a prsi instalaia Dup numrul de prelucrri ale materiei prime nainte de a prsi instalaia se disting:

procese ciclice, sau n circuit nchis; procese aciclice, sau n circuit deschis.

Procese ciclice se aplic n operaii cnd la o singur trecere a reactanilor prin reactor, conversia are valori mici, rmne reactant netransformat, care se separ de produs i apoi se recircul. Exemple: -sinteza amoniacului; -oxidarea i absorbia gazelor nitroase; - absorbia SO3 din gazele de la oxidarea SO2

c. clasificarea dup starea de agregare n care se gsesc reactanii Dup starea de agregare n care se gsesc reactanii procesele pot fi:

procese eterogene, n care compuii masei de reacie se afl n faze diferite. Cele mai utilizate sunt sistemele bifazice de tipul : g-l , g-s , l-s, l-l .

procese omogene care au loc cu viteze mai mari dect cele eterogene, mecanismul global este mai simplu i pot fi uor controlate.

Linia tehnologic Este numit instalaia n care se desfoar procesul tehnologic. Linia tehnologic este format din :

o utilaje o sisteme de transport ale materiilor prime, ale semifabricatelor i ale produselor

finite ntre utilaje o aparate de msur i control

Parametrii tehnologici reprezint valorile optime ale mrimilor : presiune, debite, temperatur, concentraie, pentru care se pot obine produse chimice cu anumite caracteristici calitative.

Materiile prime cuprind totalitatea substanelor naturale sau sintetice, anorganice sau organice,necesare pentru obinerea unui anumit produs.

Materiile prime folosite n industria chimic pot fi:

7

- materii prime minerale: sare brut (NaCl), pirit ( FeS), blenda ( ZnS), galena (PbS)

- crbuni; - iei; - gaze naturale; - materii prime vegetale i minerale ( de exemplu:grsimi, uleiuri, alcool, lemn,

cereale, lapte )

Produsele finite sunt substanele sau materialele (bunurile) care rezult n urma desfurrii unui proces tehnologic. Produsele finite trebuie s corespund unor norme legale de calitate.

Semifabricatele sunt produse rezultate n urma unor etape ale procesului tehnologic. n decursul procesului tehnologic, materiile prime sunt transformate prin mai multe operaii n produse finite. Stadiile intermediare de prelucrare ale materiilor prime sunt numite semifabricate. Produse finite

Produse auxiliare sau subproduse

MATERII PRIME

Deeuri

Materiale auxiliare sunt produse care sunt necesare n procesul de producie alturi de materiile prime, dar nu se regsesc n produsul finit. Materiale auxiliare sunt: apa, aburul care sunt numite i utiliti.

Ramurile principale ale tehnologiei chimice Tehnologia chimic general este o disciplin n cadrul tiinelor chimice i prezint problemele eseniale ale tuturor ramurilor industriei chimice. Tehnologia chimic general se mparte, n mod convenional n:

Tehnologia chimic ANORGANIC Tehnologia chimic ORGANIC

n funcie de particularitile proceselor, de materiile prime utilizate i de produsele finite obinute.

Tehnologia chimic anorganic Tehnologia chimic anorganic are ca obiect de studiu procesele chimice anorganice. Acestea se pot clasifica n:

o procese anorganice de baz;

PROCES TEHNOLOGIC (semifabricate)

8

o procese electrochimice; o procese metalurgice; o procese de fabricare a produselor ceramice, a sticlei i a lianilor anorganici.

Procesele anorganice de baz constau n fabricarea compuilor anorganici de mare tonaj : acizi, baze, sruri minerale i ngrminte chimice. Aceste procese constituie obiectul de cercetare i de studiu al disciplinelor tehnologice urmtoare:

Tehnologia apei; Tehnologia acidului sulfuric; Tehnologia amoniacului i a acidului azotic; Tehnologia produselor sodice (derivate de la NaCL)- Na2CO3, NaOH, Cl2 , HCl; Tehnologia ngrmintelor chimice; Tehnologia silicailor i a compuilor oxidici (produse ceramice, porelan, sticl, liani

anorganici :ciment,)

Tehnologia chimic organic Tehnologia chimic organic cuprinde :

o Tehnologia chimic organic de baz n care se studiaz prelucrarea materiilor prime organice- gaz metan, iei, crbuni i obinerea compuilor de mare tonaj (acetilen, acid acetic, clorur de vinil, eten, etc. )

o Tehnologia chimic organic de sintez numit i sinteza organic fin, ce cuprinde:

- tehnologia produselor farmaceutice; - tehnologia antiduntorilor; - tehnologia coloranilor; - tehnologia reactivilor organici; - tehnologia produselor cosmetice; - tehnologia fabricrii tensidelor - tehnologia compuilor macromoleculari (materiale plastice, cauciuc sintetic,

fibre artificiale)

Simboluri tehnice i scheme tehnologice Simbolurile tehnice sunt semne convenionale prin care se realizeaz reprezentarea utilajelor. Aceste semne sugereaz forma i mrimea acestora. Simbolul tehnic este un semn grafic simplificat care reprezint un anumit utilaj. El ndeplinete urmtoarele condiii:

- reprezint clar i sugestiv forma utilajului i principiul su de funcionare; - asigur desenarea rapid a schemelor tehnologice.

9

Dup gradul de informare pe care ofer, simbolurile tehnice se casific n: simboluri funcionale simboluri de aparatur simboluri speciale

Simbolurile funcionale se reprezint sub forma unui dreptunghi n care se scrie operaia fizic sau procesul chimic efectuat n utilajul respectiv. Exemple:

Simbolurile de aparatur redau schematic aparatul i modul su de funcionare. Exemple:

conduct (sgeata indicdirecia de curgere) conduct prin care circul componentul principal (uor

ngroat) conduct pentru recirculare

conduct prin care circul lichide

O conduct prin care circul gaze

linie de circulaie pentru solide (band rulant, vagonet, jgheab)

conduct pentru suspensii solid lichid

conduct pentru emulsie ( L L) O conduct pentru suspensie solid-gaz

O conduct pentru spume ( L G ) O conduct pentru suspendat n spume

ventil pe conduct

ventil reductor de presiune de la 50 la 5 atmosfere

50:5

Dozator simplu

Neutralizare Distilare

D

10

A

a:b Dozator amestector n raportul a: b

B A+B

manometru

filtru pentru gaz

separator gaz lichid

siloz , buncr

rezervor pentru lichide

11

recipient vertical cu manta i agitator

agitator elice

vas nclzit (rcit) cu serpentin

serpentin

agitator motor electic agitator ancor

elice

ventilator pomp centrifug

band transportoare

12

coloan cu stropire

sau coloan de stripare (scruber)

coloan cu umplutur

compresor n coloan de

3 trepte desorbie

13

coloan de distilare

Reactor tubular continuu

Reactant Produs

Etapele elaborrii proceselor tehnologice Pentru a se eleabora un proces tehnologic nou i instalaia tehnologic aferente se parcurg urmtoarele etape: 1.-conceperea procesului tehnologic; 2.-etapa dimensionrii tehnologice a utilajelor; 3.-etapa proiectrii procesului tehnologic; 4.-comanda i montarea utilajului; 5.-punerea n funciune i rodajul instalaiei.

Conceperea procesului tehnologic Etapele proiectrii sistemelor tehnologice sunt:

cercetarea preliminar; cercetarea de laborator; cercetarea de dezvoltare, care cuprinde etapele :

-cercetare pe micropilot -cercetare pe pilot -cercetare pe instalaie semiindustrial

proiectarea sistemelor de producie.

14

3. Tehnologia tratrii apei Consideraii generale

Apa are un rol esenial n existena vieii; fr ap nu exist viat. Apa este constituentul major al corpurilor vii. Apa este o substana chimic deosebit.

o

H 104o 5' H

- polaritate ridicat este un foarte bun dizolvant pentru numeroase substane: sruri, acizi, baze, alcooli, proteine;

- mediu pentru foarte multe reacii; - agent de splare; -cldur specific ridicat, este un bun purttor de cldur.

Apa costitue mediul n care au loc reaciile biochimice caracteristice vieii. n natur apa exist n toate formele de agregare: vapori, lichid i solid, urmnd un circuit de la o stare la alta. Din evaporarea oceanelor,mrilor,lacurilor,rurilor, rezult vapori de ap (mai uori ca aerul) care ridicndu-se n atmosfer se condenseaz ca nori sau cea i cad iarai pe pmnt sub forma de ploaie,grindin, zpad. Apa meteoric ajuns pe pmnt poate strbate prin straturi permeabile (sol, nisip, pietri si alte roci) pn ajunge la o ptura impermeabila de argil, formnd deasupra acesteia o pnz de ap subterana (freatic) care reapare la suprafa prin izvoare, puuri, sonde. n circuitul su n natur, apa vine n contact cu substane gazoase, lichide i solide, impurificndu-se. Vaporii de ap din atmosfer se condenseaz i dizolv gazele din atmosfer n cantiti depinznd de temperatur i de presiunile pariale ale acestora. n apele de precipitaii sunt dizolvate gaze in concentraii de aproximativ: 63% N2, 35% O2, 1,75% CO2, dei concentraia acestor gaze in aer este de aproximativ: 79% N2, 20,9% O2, 0.003% CO2. Ajuns n sol, apa continu procesul de absorbie a CO2 ( existent n straturile superioare ale solului datorit procesului de descompunere a substanelor organice), devenind foarte agresiv i putnd aciona ( reaciona si solubiliza) asupra majoritii combinaiilor din sol. Apa dizolv sruri ntlnite n roci (cloruri alcaline, clorura de magneziu ). n apa imbogit n cloruri, solubilitatea sulfailor i a fosfailor de calciu este mai mare. Dizolvarea carbonailor depinde de concentraia de CO2 dizolvat n ap. De fapt este o solubilizare nsoit de o reacie chimic, deoarece carbonaii trec n bicarbonai.

CaCO2 + CO2 +H2O Ca(HCO3)2

15

Uneori, unele izvoare dizolv, din rocile ntlnite substane gazoase sau solide n cantiti anormal de mari formnd ape minerale (acide, alcaline, carbonice, srate, amare, sulfuroase, feruginoase, iodurate, radioactive, etc.) cu importante efecte curative

Clasificarea apelor naturale n natur, apa se gsete n hidrosfer, n atmosfer i n litosfer. Exist urmtoarele categorii de ape:

ape meteorice ape subterane ape de suprafa -ruri

-lacuri -mri i oceane

3.1. APA POTABIL Prin ap potabil se nelege:

o orice tip de ap n stare natural sau dup tratare, folosit pentru but, gtit, la preparare hranei sau pentru alte scopuri casnice, indiferent de originea ei i indiferent dac este furnizat prin reea de distribuie, din rezervor sau este comercializat n sticle sau alte recipiente;

o toate tipurile de apa folosit ca surs n industria alimentar pentru fabricarea, procesarea, conservarea sau comercializarea produselor sau substanelor destinate pentru consumul uman, cu excepia cazului n care autoritile competente aprob folosirea apei i sunt convinse c apa nu afecteaz calitatea i salubritatea produsului alimentar n forma lui finit.

Apa potabil este destinat pentru consum menajer (but , preparat mncare , splat ) ct i cea necesar pentru tehnologia de fabricaie n industria alimentar. Apa potabil, apa natural, subteran sau de suprafat,este bun de but. n acest scop ea trebuie sa ndeplineasca urmtoarele conditii principale: Sa aib o temperatura ntre 7 si 12o C, s fie incolor, transparent, fr miros, fr gust, s nu contin suspensii minerale sau organice, sruri solubile n cantitate mai mare dect un gram la litru, substantele otrvitoare (compusi de cupru, plumb, arsen etc.) i nici microbi, care pot provoca mbolnvirea oamenilor sau a animalelor. Potabilitatea apei depinde de proprietile sale fizice i chimice (culoare , turbiditate , miros , coninut n diferite substane, etc.). n apa potabil trebuie s fie absente substanele toxice i organismele patogene. Condiiile de calitate pentru apa potabil sunt stabilite prin standarde i reglementri . Aceste condiii de calitate se refer la urmtoarele caracteristici ale apei :

o organoleptice o fizice o chimice o radioactive o biologice

Caracteristicile organoleptice sunt: mirosul, gustul, turbiditatea i culoarea . mirosul i gustul apei se datoresc prezenei n ap a unor sruri solubile, gaze, substane minerale sau organice n descompunere, a unor microorganisme vii, a vegetaiei

16

acvatice. Apa potabil nu trebuie s aib gust sau miros particular, dar nici s fie lipsit de gust. Mirosul apei provine de la substanele volatile pe care le conine, ca rezultat al ncrcrii cu substane organice n descompunere, al dezvoltrii planctonului, al polurii cu substane chimice sau cu ape reziduale. Determinarea mirosului apei trebuie s se fac la temperatura de 15-200C i la 600C, ntr-o ncpere care s fie lipsit de miros. Turbiditatea apei (tulbureala apei) se datoreaz prezenei substanelor n suspensie ( argil, nisip fin, nmol, substane organice, plancton, etc ) i care nu sedimenteaz n timp. Turbiditatea se exprim n grade de turbiditate . Un grad de turbiditate reprezint tulbureala produs de 1 mg caolin (silice) ntr-un litru de ap distilat. Se msoar cu aparate numite turbidimetre.

Culoarea apei Apa pur este incolor. Culoarea apei naturale este determinat de prezena compuilor coloidali ai fierului , a substanelor humice sau a unor substane rezultate din descompunerea plantelor acvatice. Culoarea este dat de originea materialelor transparente. Ionii de Fe dau apei culoarea galben, cei de Cu o coloreaz n albastru. Prin reziduurile activitii antropice, se poate schimba culoarea apelor. Apele de culoare brun provin de la distileriile de crbune, culoarea brun nchis o au apele de la fabricile de celuloz. Apele bogate n Fe de la tbcrii au culoarea verde nchis sau neagr.

Coloraia apei se exprim n grade de culoare. Gradul de culoare este coloraia produs de o soluie care conine 1mg platin la 1 l de ap sub form de ion cloroplatinat.

Temperatura apei variaz n funcie de provenien i de anotimp. Pentru apele sbuterane ,se ncadreaz ntre 8-12oC, iar pentru cele de suprafa variaz ntre 0oC iarna i 27 oC - 30 oC vara. Radioactivitatea -este proprietatea apei de a emite radiaii permanente alfa , beta sau

gama. Conductibilitatea electric i conductivitatea Conductivitatea apelor constituie unul dintre indicatorii cei mai utilizai n aprecierea gradului de mineralizare a apelor cel puin din urmtoarele considerente:

- msurtorile de conductivitate (rezistivitate) a apei permit determinarea coninutului total de sruri dizolvate n ap ;

- au avantajul diferenierii dintre sruri anorganice i organice pe baza mobilitilor ionice specifice; - elimin erorile datorate transformrii speciilor de carbonai/bicarbonai prin evaporare la 105o C (conform metodologiei de determinare gravitaional a reziduului fix, n cazul bicarbonailor pierderile sunt de circa 30%). Din valoarea conductibilitii se pot face aprecieri asupra concentraiei electroliilor i asupra variaiei gradului de mineralizare a apei. Conductibilitatea se msoar n -1cm-1 = Siemens S , mS , S

17

3.2. Condiii de calitate pentru apa potabil Calitatea apei se poate defini ca un ansamblu convenional de caracteristici fizice,

chimice, biologice i bacteriologice, exprimate valoric, care permit ncadrarea probei ntr-o anumit categorie , ea cptnd astfel nsuirea de a servi unui anumit scop . Pentru stabilirea calitii apei, din multitudinea caracteristicilor fizice, chimice i biologice care pot fi stabilite prin analize de laborator se utilizeaz practic un numr limitat, considerate mai semnificative

Fiecare ar sau regiune dintr-o ar are propriile norme de calitate. Totui pe plan mondial se tinde spre o baz comun, rezultat din experiena i necesitile tuturor. n acest sens Organizaia Mondial a Sntii a emis i reediteaz periodic "Directivele pentru calitatea apei potabile" iar organisme internaionale precum Uniunea European promoveaz i ele norme comune detaliat sau cel puin orientative, cum sunt Directiva 98/83/EC privind calitatea apei destinate consumului uman. Orice alterare fizic, chimic sau bacteriologic a apei peste o limit admisibil stabilit, inclusiv depirea nivelului natural de radioactivitate produs direct sau indirect, cu activiti umane care o fac improprie pentru o folosire normal, se numete poluare a apei. Apa, element indispensabil vieii i activitii omului, se constituie ntr-un important indicator al aprecierii gradului de civilizaie i al posibilitilor de dezvoltare pe care o localitate le ofer locuitorilor si. Pentru ca o apa s fie declarat potabil, ea trebuie s ndeplineasc mai multe condiii, cele mai importante fiind:

S fie sigur din punct de vedere sanitar (legat de cerinele consumatorului) i al furnizorului de ap (s fie transportabil);

S nu conin ageni patogeni sau microorganisme patogene, s fie lipsit de risc de contaminare (s nu existe virui , bacterii, protozoare, spori, chiti, etc.);

S fie incolor i cu gust plcut; Concentraia substanelor indezirabile sau toxice s fie foarte sczut.

Din punct de vedere al furnizorului de ap, nu trebuie s provoace deteriorri calitative ale conductelor n timpul transportului, datorit depunerilor sau a agresivitii calciului, sau dezvoltrii de bacterii i s se poat transporta uor.

n Romnia, norma de calitate pentru apa potabil , n ultimul deceniu, a fost STAS 1342/91 AP POTABIL. Acest standard de stat se refer la apa potabil furnizat de instalaiile centrale sau sursele locale de alimentare ap, de rezervoarele de nmagazinare transportabile, precum i la cea folosit pentru ap cald menajer (baie i buctrie). NU se refer la apele minerale. Apa potabil trebuie s corespund standardului de calitate nr.1342/91, respectiv s se ncadreze n limitele impuse de 54 de indicatori (preluai la recomandrile Organizaiei Mondiale a Sntii), i anume: organoleptici (2), fizici (4), chimici (35), radioactivi (2). Toate aceste cerine sunt transpuse n indicatori (parametrii caracteristici) care reprezint parametrii apei potabile. Sistemul mondial de supraveghere a mediului nconjurtor prevede urmrirea calitii apelor prin trei categorii de parametrii: - parametri de baz : temperatur, pH, conductivitate, oxigen dizolvat, colibacili ;

18

- parametri indicatori ai polurii persistente : cadmiu, mercur, compui organo - halogenai i uleiuri minerale ; - parametri opionali : carbon organic total ( COT ), consum biochimic de oxigen ( CBO) detergeni anionici, metale grele, arsen, bor, sodiu, cianuri , uleiuri totale, streptococi . Pentru precizarea caracteristicilor de calitate a apei se utilizeaz urmtoarea terminologie : - criterii de calitate a apei - totalitatea indicatorilor de calitate a apei care se utilizeaz pentru aprecierea acesteia n raport cu msura n care satisface un anumit domeniu de folosin sau pe baza crora se poate elabora o decizie asupra gradului n care calitatea apei corespunde cu necesitile de protecie a mediului nconjurator ; - indicatori de calitate ai apei - reprezentai de caracteristici nominalizate pentru o determinare precis a calitii apelor ; - parametri de calitate ai apei sunt valori i exprimri numerice ale indicatorilor de calitate a unei ape ; - valori standardizate ale calitii apei - reprezint valori ale indicatorilor de calitate a apelor care limiteaz un domeniu convenional de valori acceptabile pentru o anumit folosin a ape Parametri de calitate sunt microbiologici, chimici i indicatori. Valorile concentraiilor maxime admise pentru parametrii de calitate ai apei potabile sunt cele prevzute n tabelele din Legea nr. 458 din 8 iulie 2002 privind calitatea apei potabile Aa cum s-a artat deja, pentru caracterizarea calitii i gradului de poluare a unei ape se utilizeaz indicatorii de calitate. Acetia se pot clasifica dup natura lor i dup natura i efectele pe care le au asupra apei , dup cum Clasificare dup natura indicatorilor de calitate: 1. Indicatori organoleptici (gust, miros ) 2. Indicatori fizici ( pH, conductivitate electric, culoare, turbiditate ) 3. Indicatori chimici :

o generali-se refer compoziia natural a apei; o toxici se refer la prezena compuilor poluani toxici,a cror prezen induce

un factor de risc pentru sntatea consumatorilor. -amine aromatice= Ar-NH2 : C6H5-NH2 (fenilamina sau anilina) -As , Cd2+ , CN- , NO3 , Cr3 , Hg , N, -pesticide -trihalometani

4.Indicatori bacteriologici prezena organismelor animale sau vegetale 5.Indicatori biologici- 6.Indicatori de radioactivitate-Consumul de ctre om al alimentelelor si apei potabile cu un continut radioactiv crescut, poate determina cresterea ncrcturii interne a organismului ce conduce la cresterea dozelor efective rezultate prin ingestie si implicit a riscului aparitiei efectelor negative asupra sanatatii. Clasificare dup natura i efectul pe care l au asupra apei: - indicatori fizico-chimici generali: - temperatura

19

- pH - indicatorii regimului de oxigen - oxigen dizolvat (OD) - consumul biochimic de oxigen (CBO5) - consumul chimic de oxigen (CCO Cr i CCO Mn) - indicatorii gradului de mineralizare : - reziduul fix - cloruri, sulfai - calciu, magneziu, sodiu, etc. - indicatori fizico - chimici selectivi - carbon organic total (COT) - azot Kjeldhal i azot total, fosfai - duritate, alcalinitate - indicatori fizico - chimici specifici ( toxici): - cianuri - fenoli - hidrocarburi aromatice mono i polinucleare - detergeni - metale grele ( mercur, cadmiu, plumb, zinc, cobalt, fier, etc.) - pesticide - arsen - uraniu natural - trihalometani - indicatori radioactivi - activitate global i - activitate specific admis a fiecrui radionuclid -indicatori biologici care reflect gradul de saprobitate a apei, prin analiza speciilor de organisme care populeaz mediul acvatic. - indicatori bacteriologici care msoar nivelul de poluare bacterian, n principal prin determinarea numrului de bacterii coliforme totale i de bacterii coliforme fecale.

n tabelul de mai jos sunt redate valorile admise i excepional admise ale indicatorilor de potabilitate. Organismele biologice indicatoare de poluare, duntoare sntii precum chisturi de giardia, protozoare intestinale patogene etc. nu se admit.

Tabel nr.1 Indicatori de potabilitate si valorile maxim admise

Gust si miros 2 grade Amine aromatice 0 mg/dm3 temperatura 7-15 grade C azotai 45mg/dm3 pH 6-8 Cianuri libere 0,01 mg/dm3 turbiditate 5-10 grade fluor 1,2 mg/dm3 culoare 15-30 grade Mercur 0,001mg/dm3 conductivitate 1000-3000S/cm Plumb 0,05 mg/dm3

20

Duritatea apei 20-30 grade germane

Total cloroform 0,5 mg/dm3

Calciu 100-180 mg/dm3 Pesticide 0,1 micrograme/dm3 Cloruri 250-400 mg/dm3 CCO (consumul chimic

de oxigen) 2,5-3 mg/dm3

Cupru 0,05-0,1mg/dm3 Amoniac 0 -0,3 mg/dm3 Fier 0,1-0,3 mg/dm3 Nitrii 0 0,3 mg/dm3 Magneziu 50-80 mg/dm3 Germeni mezofili 300/cm3 Mangan 0,05-0,3 mg/dm3 Germeni coliformi totali 10/100cm3 Sulfai 200-400mg/dm3 Germeni coliformi fecali 2/100cm3 Zinc 5-7 mg/dm3 Streptococi fecali 2/100cm3

Caracteristicile biologice Apa potabil nu trebuie s conin organisme animale i vegetale vizibile cu ochiul liber,nici ou sau larve de parazii. Numrul organismelor animale microscopice nu trebuie s depeasc 20 n 1 dm3 de ap. Proprietile chimice ale apei Apa potabil nu este i nu trebuie s fie pur. Ea conine dizolvate gaze i o serie de substane minerale i organice care i confer caracterul de potabilitate. Dintre substanele dizolvate , unele sunt necesare: O2 , CO2 , Ca2+ altele sunt admisibile: MgO , SO2-4 , SiO2 , Fe , Mn , Al , K , Cl , dar n anumite limite, Iar altele sunt inadmisibile: H2S , As , ionul Cr6+, compuii azotului , ai fosforului , Pb Prezena ionilor de calciu i magneziu n ap i confer acesteia duritate. Apa cu duritate mare are o ntrebuinare limitat n industrie i n scopuri gospodreti. pH-ul, aciditatea i alcalinitatea apei Valoarea pH-ului ( concentraia ionilor de hidrogen) apei determin n mare msur: -procesele biologice i chimice care au loc n apa natural; -caracterul coroziv al apei. pH-ul apelor naturale este cuprins ntre 6,5 - 8 , abaterea de la aceste valori dnd indicaii asupra polurii cu compui anorganici . pH-ul i capacitatea de tamponare a acestuia constituie una din proprietile eseniale ale apelor de suprafa i subterane, pe aceast cale asigurndu-se un grad de suportabilitate natural fa de impactul cu acizi sau baze, srurile de Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+ jucnd un rol esenial n acest sens. De subliniat c aceast capacitate de tamponare a pHului este deosebit de important nu numai pentru echilibrele din faza apoas, dar i pentru cele de la interfaa cu materiile n suspensie, respectiv cu sedimentele. n funcie de pH-ul apei se stabilesc unele din procesele de tratare ale acesteia.

Valoarea pH-ului unei ape naturale se poate determina cu relaia:

pH = 6,52 + log[ CO2]bic - log[ CO2 ]liber

21

[ CO2]bic = concentraia CO2 din carbonaii acizi

[ CO2 ]liber = concentraia CO2 liber existent n ap Rezult c aciditatea apelor natural este cauzat n principal de CO2 liber. Aciditatea mai este determinat de apariia acizilor humici, de acizi organici sau de acizi minerali adui cu apele uzate sau formai prin hidroliza srurilor aflate n ap. 6,52 este o constant reprezentnd logaritmul cu semn schimbat al concentraiei ionilor de acid carbonic disociat.

Alcalinitatea apelor naturale se datoreaz ionilor de bicarbonat i n mai mic msur fosfailor. Practic alcalinitatea total se datoreaz bicarbonailor de calciu i magneziu, astfel c, n apele naturale obinuite, duritatea temporar a apei este egal cu alcalinitatea total . Alcalinitatea poate aprea i n cazul deversrii de ape reziduale puternic bazice. Duritatea apei a fost inclus la capacitatea de tamponare a apei datorit ponderii carbonailor de calciu i magneziu n apele naturale. Se deosebesc urmtoarele tipuri de duritate: - duritatea total reprezint totalitatea srurilor de Ca2+ i Mg2+ prezente n ap; - duritatea temporar reprezint coninutul ionilor de Ca2+ i Mg2+ legai de anionul HCO-3 , care prin fierberea apei se poate nltura deoarece dicarbonaii se descompun n CO2 i n carbonai care precipit; - duritatea permanent reprezint diferena dintre duritatea total i duritatea temporar, fiind atribuit ionilor de Ca2+ i Mg2 legai de anionii Cl- , SO2-4 , NO-3 .Acest tip de duritate rmne n mod permanent n ap, chiar dup fierbere.

Coninutul de dioxid de carbon al apei Coninutul de dioxid de carbon este o caracteristic foarte important a apei. Coninutul

de CO2 determin aa numitul echilibru carbonic al apei. Dioxidul de carbon se poate gasi in ap sub trei forme :liber ,agresiv si legat sub forma de bicarbonati si carbonate. Cea mai mare parte a CO2 se gsete dizolvat fizic, numai o mic parte reacioneaz cu apa i se formeaz acidul carbonic.

CO2+HOH H2CO3

ntre H2 CO3 i srurile acidului carbonic se stabilete urmtorul echilibru: ( 1 ) M cation de metal divalent ( Ca2+ , Mg2+ , Cu2+ , Pb2+ )etc. n acest echilibru apar toate formele de dioxid de carbon : -CO2 liber; - CO2 semilegat n bicarbonai;

MCO3 + CO2 + H2O M(HCO3)2

22

- CO2 legat n carbonai

Din echilibrul ( 1 ) , rezult c pentru meninerea bicarbonailor n soluie, este necesar o anumit cantitate de CO2 liber numit dioxid de carbon aferent. Cantitatea de CO2 care depete aceast limit se numete CO2 agresiv ,care este capabil s transforme noi cantiti de carbonai n bicarbonai.

[ CO2 ]liber = [CO2 ]aferent +[ CO2 ]agresiv

La scderea cantitii de dioxid de carbon sub limita necesar meninerii bicarbonailor n soluie are loc precipitarea unei cantiti corespunztoare de carbonai. Formele sub care se gsete CO2 n ap por fi prezentate prin schema din figura urmtoare. Existena uneia sau alteia dintre formele sub care se poate gsi CO2 n ap este n funcie de pH-ul apei, respectiv:

o la pH 4 , CO2 este prezent sub form de CO2 liber; o la pH = 8,4 , CO2 este prezent sub form de HCO-3 ; o la pH 10,5 , CO2 este prezent sub form decarbonai.

CO2 total

CO2 liber

CO2 agresiv CO2aferent CO2semilegat CO2legat HCO-3 CO2-

Figura nr 1. Formele de CO2 din ap

CO2 nu duneaz calitii apei potabile, ci i confer gust plcut i prospeime. Dar CO2 agresiv poate face apa nepotabil, deoarece poate dizolva PbCO3 format pe pereii conductelor de plumb prin care se transport apa. Carbonatul de plumb, PbCO3, se gsete sub forma unui strat subire pe pereii conductelor i se formeaz sub aciunea bicarbonailor de Ca i Mg din ap. n apa de alimentare a cazanelor de abur, CO2 trebuie s lipseasc deoarece produce o puternic coroziune chimic a tolelor cazanelor.

Sruri dizolvate n ap. Duritatea apelor Apele naturale conin cantiti variabile de sruri dizolvate din rocile cu care vin n contact. Datorit gradului de diluie ridicat, aceste sruri sunt total disociate , astfel nct n ap se gsesc ioni :

23

Ca2+ , Mg2+ , Na+ , K+ , HCO -3 , SO2-4 , Cl- Alturi de aceti ioni se mai gsesc : Fe2+ , Fe3+ , Ba2+ , Al3+ , NO-2 , NO-3 , F- , SiO2-3 , PO3-4

n cantitatea cea mai mare dintre ionii menionai , se gsesc ioni de Ca2+ , iar dintre anioni, n mod obinuit , concentraia anionilor SO2-4 este mai mare dect a celor de Cl- n apele subterane i este mai mic n apa mrilor i a oceanelor , unde predomin ionul Cl- . n sursele de ap din diferite zone pot s predomine anumii ioni care confer apei un anumit caracter. Astfel pot exista ape:

o magneziene o sulfatice o clorurate o feruginoase o iodurate o sulfuroase o carbogazoase

Oxigenul i substanele organice dizolvate n ap Oxigenul se gsete dizolvat n apele naturale aproape de limita de saturaie determinat de presiunea sa parial i temperatur. Oxigenul particip la reacii chimice i biochimice cu substanele dizolvate n ap. Ca urmare, n apele subterane, n special n cele cu fier, coninutul de O2 este foarte sczut. n apele de suprafa , coninutul de O2 depinde de presiune i de temperatur, precum i de numeroasele procese fizice, chimice, biologice care nsoesc ciclul vieii biologice ( asimilaie , respiraie , degradri ) . Ca urmare a consumrii oxigenului , n aceste procese apare un deficit de oxigen care poate provoca dispariia complet a vieii aerobe. Prin deficit de oxigen se nelege diferena dintre cantitatea de oxigen care satureaz apa la presiunea i temperatura dat i coninutul real de oxigen. ntre coninutul de O2 i substanele organice din ap se poate stabili o corelaie direct. Substanele organice din apele naturale provin din:

o terenurile din bazinul hidrografic, substanele humice; o din descompunerea organismelor vii din ap; o din deversarea de ape uzate, menajere sau industriale.

Coninutul de substane organice din ap Este un indicator de calitate foarte important deoarece substanele organice servesc ca suport nutritiv pentru bacterii, virui i alte organisme vii. ntotdeauna o mare cantitate de bacterii sau plancton este asociat cu o mare concentraie de substane organice. Determinarea analitic individual a substanelor organice din apele natural este dificil de realizat deoarece presupune o aparatur de laborator de nalt tehnicitate. Din acest motiv de obicei se recurge la o apreciere global a cantitii de substane organice din ap prin determinarea oxidabilitii.

24

Oxidarea substanelor organice din ap se poate face chimic sau biochimic. Determinarea oxidabilitiipe cale chimic const n stabilirea cantitii de substan oxidant ( KMnO4 , K2Cr2O7 )consumat, necesar pentru oxidarea substanelor organice coninute ntr-un anumit volum de ap. Aceast analiz chimic se numete determinarea consumului chimic de oxigen i se noteaz: CCO - Mn CCO - Cr Consumul Chimic de Oxigen (CCO) este un parametru important n analiza apelor reziduale , a apelor de suprafat i a plantelor deoarece d informaii asupra gradului de poluare al apei cu materie organic.

Consumul biochimic de oxigen CBO Este un indicator de calitate pentru ap care d informaii despre coninutul de substane organice din ap degradabile pe cale biologic. CBO reprezint cantitatea de oxigen care se consum pentru degradarea oxidativ de ctre microorganisme a substanelor organice coninute ntr-un dm3 de ap. Convenional s-a stabilit ca determinarea consumului biochimic de oxigen s se efectueze pentru o perioad de incubare de mai multe zile, - (CBO )n , unde n reprezint numrul de zile de incubare, a crui valoare optim este de 5 zile. (CBO )5 rezult din diferena ntre concentraia oxigenului dizolvat n proba supus analizei la nceputul i la sfritul perioadei de incubaie. Incubarea probelor de ap se realizeaz la temperatura de 20 1 0C, la ntuneric. Prezena O2 n apa potabil a minim 4 6 mg/dm3 este necesar deoarece confer apei un gust plcut i prospeime. Prezena substanelor organice n apa potabil nu este admis din urmtoarelor motive:

o datorit caracterului toxic direct; o indic o eventual infectare a apei

STAS 1342-91, admite pentru coninutul de substane organice n apa potabil limita de 10 mg KmnO4/dm3 ap. Oxigenul dizolvat n ap favorizeaz deferizarea i demanganizarea apei bazat pe fenomenul de oxidare. n prezena a 5 6 mg O2/dm3 n ap i a unei duriti temporare de minim 20d are loc coroziunea fierului conform reaciei:

4 Fe + 3 O2 + 6 H2O = 4 Fe(OH)3

concomitent cu absorbia unei pri pe precipitat din CO2 aferent, ceea ce duce la reacia:

Ca ( HCO3)2 = CaCO3 + CO2

Datorit acestor reacii se formeaz un strat de Fe(OH)3 hidroxid feric i carbonat de calciu, care ader la peretele conductei ntrerupnd coroziunea.

25

n apa de alimentare a cazanelor de abur , oxigenul chiar n concentraii reduse , favorizeaz coroziunea. Principii de tratare a apelor Tratarea apelor are ca scop corectarea unor caracteristici ale apei brute; astfel nct dup tratare apa s corespund din punct de vedere calitativ unor anumite cerine, n funcie de utilizarea ei ca ap potabil sau ap industrial. Aceste tratamente sunt cu att mai necesare , cu ct se folosesc tot mai mult apele de suprafat, de obicei puternic impurificate. Datorit faptului c apele naturale au o compoziie foarte variat, nu exist o tehnologie tip de tratare a apelor , ci de la caz la caz se aplic anumite operaii de tratare a apei Pentru stabilirea unui proces tehnologic eficient de tratare a unor ape ,ntr-un caz concret, se face n prealabil un studiu experimental n laborator sau n staii pilot.

Procese de tratare a apei Cele mai importante procese de tratare a apei sunt: Purificarea apelor care cuprinde,n linii mari, operaii de:

o eliminare a suspensiilor o deferizare i demanganizare o sterilizarea sau dezinfecia

Purificarea apelor se aplic n cazul apelor naturale care se vor folosi ca ape potabile sau n scopuri industriale cnd sunt necesare ape cu grad nalt de puritate. Corectarea calitii apelor care se aplic n special pentru apele industriale. Acest proces cuprinde, n principal, operaiile:

o eliminarea uleiurilor o decarbonatarea (eliminarea CO2 ) o desilicierea ( eliminarea SiO2 ) o dedurizarea (eliminarea srurilor Ca2+ , Mg2+ ) o demineralizarea (eliminarea tuturor componenilor minerali )

Se efectueaz toate aceste operaii sau doar unele,n funcie de destinaia apei industriale i de proprietile (caracteristicile ) fizico-chimice necesare n anumite utilizri industriale. exemplu : apa pentru producerea aburului. Epurarea apelor reziduale

3.3. Tratarea apelor naturale pentru obinerea apelor potabile. Purificarea apelor naturale 3.3.1. Eliminarea suspensiilor Apele curgtoare de suprafa conin cantiti variabile de substane aflate n stare de suspensie. Suspensiile prezente n ap pot fi clasificate n trei categorii, i anume:

a) Suspensii gravitaionale cu diametrul peste 10-3 mm; d>10-3 mm ;separabile prin simpl sedimentare ;

b) Suspensii fine nencrcate electric cu dimensiuni mai mici de 10-3 mm , practic nesedimentabile , sau care se decanteaz greu, cu viteze foarte reduse;

26

c) Suspensii coloidale cu dimensiuni de 1 200 mm , nesedimentabile. Eliminarea suspensiilor se face cu ajutorul urmtoarelor operaii principale:

deznisiparea, decantarea, filtrarea, coagularea. Aceste operaii se aplic independent sau combinat.

Deznisipare (presedimentare) Se aplic atunci cnd apa brut conine cantiti mari de nisip sau alte substane grele de natur mineral. Deznisiparea reprezint prima treapt n procesul de limpezire a apei. Deznisipatoarele sunt plasate naintea decantoarelor. Deznisipatoarele pot fi , dup direcia de curgere a apei, orizontale (figura nr.2 ) i verticale (figura nr.3 ): 1 4 4 1

Apa bruta

APA DEZNISIPAT

5

Figura nr. 2. DEZNISIPATOR ORIZONTAL unde:

1. Camer de linitire a apei 2. Grtare (pentru reinerea suspensiilor plutitoare, grosiere) 3. Camera de sedimentare 4. Praguri, stvilare 5. Dispozitiv de evacuare a nisipului

1*

4* Ap deznisipat 3*

Ap brut

2*

Figura nr. 3. DEZNISIPATOR VERTICAL

27

unde: 1*-Zona central 2*Evacuare nisip 3*Conduct de alimentare cu ap brut 4*Conduct de evacuare a apei deznisipate

Deznisipatoarele verticale se folosesc acolo unde se impune economie de spaiu i unde nu sunt necesare lucrri dificile i excavri costisitoare. Apa introdus prin conducta (3*) circul de sus n jos prin zona central (1*) a deznisipatorului i de jos n sus prin compartimentul exterior cu o vitez mai mic dect viteza de depunere a nisipului ( 2 5 m/s ). Apoi apa este evacuat pe la partea superioar prin conducta (4*). Nisipul se depune la partea inferioar i este evacuat prin conducta (2*) . Timpul de edere a apei n deznisipator este de 30100 s.

Deznisiparea poate fi considerat i presedimentare. Presedimentarea (deznisiparea ) se aplic n cazul n care apa natural conine cantiti mari de nisip sau alte particule minerale grele, care se pot depune ulterior pe canale, conducte sau uzeaz prin abraziune pompele sau alte utilaje folosite la tratarea apei. n deznisipatoare se elimin nisipul din ap. Acesta este format din particule cu un diametru > 0,2 m care au o vitez de depunere destul de mare. Timpul de staionare a apei n deznisipator este mic, de ordinul a cteva minute, iar viteza de trecere a apei este mare ( 0,10,5 m/s ).

Decantarea Decantarea reprezint operaia de eliminare a suspensiilor din ap. Operaia se realizeaz n bazine de sedimentare denumite decantoare , n care apa brut circul cu o vitez redus, iar particulele aflate n suspensie se depun gravitaional. Prin operaia de decantare se realizeaz ndeprtarea gravitaional a nmolurilor i a suspensiilor coagulate. Cele mai uzuale sunt decantoarele statice (orizontale) . Pentru debite foarte mari de ap se folosesc decantoarele radiale. Decantarea apei este un proces de separare a particulelor solide cu dimensiuni mai mari de 10-3 mm , aflate n suspensie, prin aciunea forelor gravitaionale, astfel c se obine apa limpezit i suspensiile:

Ap brut ,eventual plus reactivi de coagulare

Ap limpezit

Suspensii (nmol) Figura nr. 4 Schia decantare

DECANTARE

28

Pentru procesul de eliminare gravitaional a suspensiilor din ap se utilizeaz i termeni ca sedimentarea apei sau limpezirea apei. Aceast operaie se realizeaz n bazine de sedimentare numite decantoare, n care apa brut este n repaus sau circul cu vitez foarte mic, astfel nct viteza de sedimentare s fie mai mare dect viteza de deplasare a apei. Particulele solide se depun datorit greutii proprii sau ngreunrii artificiale. Prin aceast operaie se elimin din ap suspensiile gravitaionale i suspensiile coagulate n proporie de 4080 % din cele iniiale. Suspensiile depuse n decantoare formeaz nmoluri, care se ndeprteaz continuu sau discontinuu. Viteza de curgere a apei trebuie s fie mic, s nu depeasc 1cm /s.

1 8 (p) 2 3

5

Apa 6 brut apa 4 decantat

7 Figura nr. 5. Decantor orizontal longitudinal

unde : 1. camer de linitire i distribuie a apei 2. camer de decantare a apei 3. camer de colectare a apei decantate 4. camer de colectare i evacuare a nmolului 5. conducta de intrare a apei brute 6. conducta de golire a apei limpezi 7. conduct de evacuare a nmolului 8. perete pentru evacuarea uniform a apei (p)

Camera de linitire i distribuie a apei are rolul de a primi apa brut i de a o distribui n spaiul de decantare. Viteza de circulaie a apei n aceast camer trebuie s fie mai mare ( 0,5 m/s ) dect viteza de sedimentare, pentru a nu produce depuneri. n spaiul de decantare, viteza de deplasare a apei este mic ( 1 2 mm/s ) pn la maxim 5 mm/s , pentru ca viteza de sedimentare a particulelor solide s fie mai mare dect viteza de deplasare a apei. Evacuarea apei decantate se face printr-un deversor pe toat limea bazinului de decantare. Pricipiul este acelai pentru decantoarele radiale i verticale. S -au determinat , experimental, condiii optime de sedimentare i anume:

- viteza de curgere a apei s nu depeasc 1 cm/s; - regimul de curgere al apei s fie laminar;

29

- s nu existe variaii ale densitaii apei datorate variaiei de temperatur; - cantitatea de substane n suspensie s nu fie prea mare; cnd substanele n

suspensie se afl n cantitate de peste 1g/dm3 ,sedimentarea este ngreunat, deoarece particulele se deranjeaz ntre ele n timpul sedimentrii;

- alimentarea i evacuarea uniform a apei n decantor. Filtrarea apei Filtrarea apei se realizeaz prin trecerea ei printr-un strat poros cu compoziie granulometric adecvat, n scopul reinerii particulelor aflate n suspensie. Materialul filtrant cel mai frecvent utilizat este nisipul cuaros cu minim 98 % silice i maxim 2 % substane organice. n anumite cazuri se folosete ca material filtrant antracitul foarte dur , crbunele activ , marmura , vata mineral. Reinerea de ctre materialul filtrant a particulelor n suspensie duce la o micorare progresiv a spaiilor (interstiiilor ) dintre granulele materialului filtrant. Acest fenomen este numit colmatarea filtrului. Pe msur ce filtrul se colmateaz, crete pierderea de presiune din filtru i scade viteza de filtrare. Primele filtre utilizate la tratarea apei au fost filtrele lente . Apa circul cu vitez redus. n partea superioar a filtrului sunt reinute microorganismele vii, fomnd o membran gelatinoas numit membran biologic. Aceasta are un rol important n eficacitatea filtrului deoarece reine cele mai fine suspensii, n special microorganismele. Dezavantajul filtrelor lente este volumul lor mare , datorit vitezei de filtrare reduse. Filtrele lente au fost nlocuite, parial, de filtrele rapide , pentru care viteza de filtrare este mai mare i au un volum mai redus. n cazul filtrelor rapide, nu se mai formeaz membrana biologic i de aceea este necesar ulterior operaia de dezinfecie a apei. Filtrele rapide se utilizeaz n special pentru filtrarea apelor tratate cu coagulani. Se prezint n continuare, n figurile 7 i 8 ,schema de funcionare a unui filtru rapid deschis i a unui filtru rapid nchis:

1 ap brut

6 conduct de golire ptr. apa de splare 3 a filtrelor 2 5 ap de splare

7 ap filtrat 4

Figura nr. 7. Filtru rapid deschis unde:

1. conduct de alimentare cu ap brut 2. strat drenant care susine stratul de nisip 3. strat de nisip filtrant 4. conduct de evacuare a apei filtrate

nisip

30

5. conduct de alimentare cu ap pentru splarea filtrului 6. conduct de golire pentru apa de splare a filtrelor 7. camera de ap filtrat (pentru colectarea apei filtrate)

Apa decantat se introduce prin conducta (1) i este repartizat, prin intermediul unor jgheaburi pe toat suprafaa filtrului. Apa circul prin stratul de nisip de sus n jos , trece prin drenajul filtrului, (2) i ajunge n camera de ap filtrat de unde se evacueaz prin intermediul conductei (4) . Dup colmatare, filtrul trebuie splat. Apa de splare se introduce n filtru prin conducta de splare (5) , intr n filtru, strbate suprafaa filtrului, expandeaz apoi stratul de nisip, meninnd granulele de nisip n suspensie. Impuritile reinute la suprafaa granulelor i se desprind i sunt antrenate de curentul de ap n jgheaburile de colectare de la partea superioar, apoi se evacueaz prin conducta de golire (6) .

ap brut 4

1 8

ap de splare a filtrului 3 2 5 6 ap filtrat aer comprimat ap de splare

7 9 Figura nr. 8. Filtru rapid nchis

unde: 1. rezervor din tabl de oel 2. strat drenant care susine stratul de nisip filtrant 3. nisip filtrant 4. conducta de alimentare 5. conducta de evacuare ap filtrat 6. tu pentru aer comprimat 7. conduct perforat pentru distribuire aer 8. conduct lateral pentru evacuarea apei de splare a filtrului 9. conducta de golire a filtrului

Filtrul rapid se compune dint-un rezervor din tabl de oel (1) prevzut cu stratul drenant (2) care susine stratul de nisip filtrant (3) . Apa decantat intr prin conducta (4) , strbate stratul filtrant de sus n jos i iese prin conducta (5). Dac stratul filtrant s-a colmatat, filtrul se spal introducnd ap prin conducta (5) i insuflare de aer comprimat prin tuul (6) , distribuit uniform prin conducta perforat (7) . Apa i aerul strbat stratul filtrant de jos n sus, l expandeaz i antreneaz impuritile prin conducta(4) n conducta lateral (8) . Conducta (9) servete pentru golirea complet a filtrului.

31

Coagularea suspensiilor Sedimentarea natural a suspensiilor din ap nu este ntotdeauna suficient pentru a ndeprta complet substanele aflate n suspensie. Din acest motiv, n aceste cazuri se recurge la utilizarea unor reactivi care provoac flocularea dispersiilor coloidale din ap, numii reactivi de coagulare sau coagulani. Coloizii din ap sunt formai din dou faze:

- faza dispers, format din particule coloidale cu dimensiuni de 1 200 m - mediul de dispersie, format din ap

Agenii de coagulare sunt n general sruri ale unor metale polivalente ( Fe3+ , Al3+ etc. ) care prin hidrokiz sau disociere pun n libertate ionii metalici. Acetia anuleaz sarcina negativ a particulelor coloidale din ap, producnd coagularea fazei disperse i sedimentarea rapid. Principalii reactivi de coagulare sunt:

a) srurile de aluminiu : Al2(SO4)318H2O , alaun de aluminiu i potasiu : KAl(SO4)212 H2O , AlCl36 H2O Hidroliza srurilor de aluminiu este favorizat de prezena ionilor bicarbonat. Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 3CaSO4 + 2Al(OH)3 +6CO2 n urma procesului de coagulare are loc scderea duritii temporare concomitent cu creterea duritii permanente sulfatice (dat de CaSO4)

b) srurile de fier Se utilizeaz att sruri feroase Fe SO4 7 H2O ct i sruri ferice. Sulfatul feros reacioneaz cu bicarbonaii de Ca i Mg formnd , n prima etap, bicarbonat de fier care se descompune apoi lent n Fe(OH)2 rezultnd hidroxid feros. Pentru a accentua faza a doua a procesului, n ap se introduce lapte de var. Procesul decurge conform urmtoarelor reacii: FeSO4 + Ca(HCO3)2 Fe(HCO3)2 + CaSO4 Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 Ca(HCO3)2 + Fe(OH)2 Capacitatea de coagulare srete prin oxidarea Fe2+ la Fe3+ , care are loc datorit oxigenului din ap: 2Fe(OH)2 + 1/2O2 + H2O 2Fe(OH)3 Dintre srurile ferice se folosete sulfatul feric, Fe2(SO4)3 i clorura feric,FeCl3: FeCl3 + 3 H2O Fe(OH)3 + 3HCl n ultimii ani se folosesc coagulani polielectrolitici i coagulani pe baz de polimeri (poliacrilamid , poliacetat de vinil ). Coagularea se produce n timp (procesul decurge n camere de amestec). Pentru a se forma flocoanele, staiile de tratare sunt prevzute cu camere de reacie (camere de reacie cu perei icanai).

32

intrare ap

ieire ap

golire Figura nr.9. Camer de reacie cu perei icanai(cu icane orizontale)

1 2

p

3

Figura nr. 10. Camer de reacie icane verticale - viteza apei este de 0,2 0,4 m/s - timpul de staionare este de 15 30 minute - 1. intrare ap - 2. ieire ap - 3. Conducta de golire a camerei de reacie

Intensitatea de amestecare este determinat de numrul de icane i de distana dintre ele. 3.3.2. Deferizare i demanganizare Apele subterane i uneori i cele de suprafa, conin compui solubili ai fierului i manganului. Fierul se gsete n ap sub form feroas, solubil ca bicarbonai [ Fe (CO3H)2 ]i mai puin ca sulfai , fosfai , sau silicai. De asemenea , fierul se gsete sub form de sruri ferice solubile i compui ferici insolubili (hidroxidul feric ), precum i sub form coloidal complexat cu substane organice. Fierul din ap favorizeaz dezvoltarea ferobacteriilor care obtureaz conductele de transport a apei. Anumite bacterii se hrnesc cu fier. Ele oxideaza fierul din feros n feric i l depoziteaz ntr-o mas gelatinoas cu care se nconjoar. Aceste formaiuni gelatinoase sunt periculoase pentru ca pot bloca valvele i mediile de filtrare. n exces, imprim apei un gust metalic , o culoare roietic. Concentraia maxim admis a fierului n apa potabil este de 0,1 mg / .

33

Manganul se gsete n ap , n general n cantitate mic i adesea nsoete fierul. Se gsete sub form solubil , n suspensie i complexat. n prezena compuilor cu mangan i a substanelor organice este favorizat dezvoltarea microorganismelor. Coninutul maxim admis de mangan n apa potabil este de 0,005 mg /.

Procedee de deferizare Eliminare excesului de fier din ap se face prin:

o - oxidarea cu aer o - oxidarea cu reactivi chimici o - eliminarea prin schimb ionic cu cationit

Oxidarea cu aer Oxidarea cu aer se realizeaz prin pulverizarea apei prin duze i cderera sub form de ploaie de la o anumit nlime. Coninutul de oxigen al apei depinde de gradul de pulverizare i distana de la care se pulverizeaz. Srurile de fier hidrolizeaz: Fe2+ + 2H2O Fe(OH)2 + 2H+ 2Fe(OH)2 + 1/2 O2 + H2O 2Fe(OH)3 ndeprtarea precipitatului se face prin decantare i filtrare.

Oxidarea cu reactivi chimici Oxidarea cu reactivi chimici se aplic n cazul apelor care conin concentrai mari de FeSO4 sau compui ai fierului i manganului. Sulfatul feros se transform cu lapte de var , n hidroxid feros, care apoi se oxideaz la hidroxid feric: FeSO4 + Ca(OH)2 Fe(OH)2 + CaSO4 2Fe(OH)2 + 1/2 O2 + H2O 2Fe(OH)3 Oxidarea compuilor organici ai fierului i manganului se realizeaz cu ageni oxidani puternici ca : permanganat de potasiu , clor , ozon. Permanganatul de potasiu nu este utilizat dect pentru proprietile sale auxiliare n procesul decolorrii, al demanganizrii i, uneori, se folosete drept coagulant. Clorul este utilizat pentru potabilizarea apelor i pentru tratarea apelor uzate. n cazul apelor uzate clorul e folosit pentru oxidarea cianurilor, hidrogenului sulfurat, amioniacului i unele substane organice. Clorul are dezavantajul c prin reacia cu unele substane organice din ap formeaz compui halogenai a cror nocivitate este recunoscut. Ozonul are avantajul de a aciona complementar pentru eliminarea multor micropoluani, pentru ameliorarea gustului, mirosului i culorii.

Deferizarea total se obine la trecerea apei peste schimbtori de cationi rezultnd cationii , de forma R Na: R Na2 + Fe2+ R Fe + 2Na+ Procedee de demanganizare

34

Eliminarea manganului se realizeaz mai greu, deoarece srurile solubile ale manganului sunt mult mai stabile dect cele de fier i oxigenul atmosferic nu le poate oxida, dect la un pH mai mare de 9 , cnd manganul precipit sub form de hidroxid. Este greu de tratat datorit condiiilor care trebuie a fi indeplinite (PH, raportul bicarbonai/carbonai, i de prezenta altor minerale n special Fe). Precipitarea manganului sub form de hidroxid filtrabil se poate realiza cu oxidani energici ca: ozon , dioxid de clor : R Na2 + Mn2+ R Mn + 2Na+ Dioxidul de clor reactioneza cu apa cu formare de acid cloros si cloric : 2ClO2 + H2O = HClO2 + HClO3

Eliminarea prin schimb ionic cu cationit Demanganizarea cu cationii Se utilizeaz cationiti de sodiu care se trateaz cu clorur de mangan , trecnd n forma de R Mn: R Na2 + MnCl2 R2 Mn + 2NaCl Cationiii R2 Mn se activeaz prin tratare cu permanganat de potasiu sau calciu , KMnO4 sau Ca(MnO4)2 , astfel ca manganul din cationit s fie adus la un grad de oxidare avansat , care s asigure oxidarea fierului i manganului sub form de oxihidrai uor separabili. R Ca + MnCl2 R Mn + CaCl2 , regenerare R Mn + Ca(MnO4)2 R Ca + oxizi superiori de Mn insolubili Oxizii superiori de mangan se descompun n masa coloanei cu schimbtor de ioni , adernd la suprafaa granulelor de schimbtor de ioni. Exist procedee de deferizare i demanganizare n care se utilizeaz alge care oxideaz manganul la compui insolubili, sau plante acvatice care folosesc fierul i manganul n metabolismul lor. 3.3.3. Sterilizarea sau dezinfecia apei Sterilizarea apei are ca scop eliminarea microorganismelor i a germenilor patogeni din ap. Operaia de sterilizare se aplic dup filtrare. Dezinfecia este procesul de ndeprtare din apele uzate a microorganismelor patogene. Aplicarea procesului este oportun n cazul apelor uzate industriale care conin astfel de microorganisme (tbcrii, abatoare, uniti de cretere a animalelor, fabrici de conserve, industrie fermentativ, etc.). Trebuie s se fac distincie ntre dezinfecie i sterilizare. Sterilizarea presupune distrugerea tuturor microorganismelor (bacterii, alge, spori, virusuri etc.), n timp ce dezinfecia nu distruge toate microorganismele. Mecanismul dezinfeciei cuprinde dou faze: ptrunderea dezinfectantului prin peretele celular pe de o parte i denaturarea materiilor proteice din protoplasm, inclusiv a enzimelor, pe de alt parte. Agenii chimici (ozon, clor, bioxid de clor, brom, iod, etc.) pot degrada materia celular reacionnd direct cu aceasta, n timp ce metodele fizice induc modificri chimice ale acestui material. Sterilizarea apei se poate realiza prin:

1. Procedee fizice

35

Procedeele fizice folosesc aciunea unor ageni fizici care distrug microorganismele din ap: cldura , radiaiile UV , radiaiile ionizante a. procedeul termic fierberea apei se aplic pentru cantiti mici de ap b. dezinfectarea apei cu raze ultraviolete se bazeaz pe proprietile bactericide

puternice ale acestora. Radiaiile UV se obin cu ajutorul lmpilor n care se realizeaz descrcri electrice n vapori de mercur.Lmpile sunt montate n conducte prin care curge apa.Efectul bactericid se manifest pe o raz de 25 cm de la lamp, dac apa este limpede.

2. Procedee chimice Procedeele chimice de sterilizare a apei folosesc aciunea antiseptic a diferiilor reactivi chimici: clorul , substane clorigene , ozonul , permanganatul de potasiu.

Sterilizarea apei cu clor i compui clorigeni Sterilizarea apei cu clor este metoda cea mai rspndit , deoarece se utilizeaz aparatur relativ simpl; se poate aplica att pentru debite mici ct i pentru debite mari de ap; iar preul de cost este redus. Efectul bactericid al clorului este cunoscut de mult timp, clorul fiind folosit pentru dezinfecia apei nc din 1896. Clorul activ este un dezinfectant obinuit pentru ape , care acioneaz sub form de ion de hipoclorit; efectele sunt mai pronunate la valori mici ale pH, cnd hipocloritul acioneaz sub forma de acid hipocloros slab disociat. Amoniacul prezent n ap reacioneaz cu clorul activ dnd natere (n funcie de raportul clor activ-amoniac) la monodi- i tricloramin, care la rndul su poate fi oxidat de un exces de clor la azot molecular. Aciunea bactericid a clorului se bazeaz pe proprietile oxidante ale clorului , care n contact cu apa , reacioneaz cu aceasta formnd acidul hipocloros, care n funcie de pH-ul apei se descompune n oxigen atomic sau ion hipoclorit : Cl2 + H2O HClO + HCl HClO O + HCl ,sau HClO ClO- + H+ pH optim 7 7,5 la pH acid , 4 5,6 exist HOCl nedisociat, la pH alcalin, >10 Oxigenul atomic (oxigenul n stare nscnd) oxideaz substanele organice din ap , inclusiv bacteriile i germenii. Necesarul de clor pentru dezinfectarea apei se determin experimental n laborator i reprezint clorul consumat de substanele organice i reductoare din ap, precum i clorul rezidual. Clorul rezidual , care trebuie s fie de 0,05 0,5 mg /, evit reinfectarea apei. n prezena amoniacului are loc formarea cloraminelor. Aceast reacie depinde de pH: HOCl + NH3 NH2Cl + H2O , pH > 8,5 HOCl + NH2Cl NHCl2 + H2O ,pH = 4,4 5 HOCl + NHCl2 NCl3 + H2O ,pH < 4,4 Cloraminele au de asemenea efect bactericid, dar mai sczut dect al clorului. n schimb ele prezint ale avantaje, adic:

36

- nu reacioneaz cu compuii organici aromatici (clorul reacioneaz cu compuii organici aromatici );

- se menin timp mai ndelungat n ap , asigurnd o protecie mpotriva reinfectrii La doze sporite de clor, cloraminele sunt oxidate la azot molecular. Cloraminele exercit efecte dezinfectante datorit clorului activ pe care l conin. La doze sporite de clor, acestea sunt oxidate la azot molecular, ceea ce determin scderea clorului activ remanent n soluie. Dup oxidarea lor total (punctul de "rupere") concentraia clorului ncepe s creasc din nou.

Sterilizarea cu ozon Ozonul este un oxidant energic care se utilizeaz n sterilizarea apei , deoarece distruge enzimele , distruge sporii , viruii , bacteriile i este mai eficient dect clorul n ndeprtarea microplantelor acvatice i a protozoarelor. Ozonul reprezinta o melucula cu trei atomi de oxigen, n comparaie cu oxigenul din atmosfer care are doar doi atomi; proprietile celor dou tipuri de molecule sunt foarte diferite: ozonul este un oxidant foarte puternic astfel c are un rol decisiv n distrugerea patogenilor,ca urmare acesta se descompune n molecule de O2. Astfel dizolvat, oxigenul asigur un gust deosebit apei poatabile.

O3 = O2 + O , reacia decurge uor deoarece O3 este instabil la temperatura ambiant . Ozonul se obine din aer sau din oxigen sub aciunea descrcrilor electrice de nalt tensiune. Aerul purificat i uscat este trecut printr-o camer (baterie ) de ionizare , n care sub aciunea unui cmp de descrcri electrice de nalt tensiune se formeaz ozonul.

O2 2O 2O + 2O2 2O3 3O2 2O3 Aerul ozonizat este introdus n contracurent cu apa de dezinfectat ntr-un turn de absorbie. Pentru dezinfectarea unui litru de ap se consum 0,5 2 mg O3 , n funcie de coninutul de impuriti al apei.

Ozonul este puin solubil n ap, de aceea este necesar s se asigure un contact intim cu apa.

Prin tratarea apei cu ozon se realizeaz concomitent eliminarea (oxidarea ) fenolului , decolorarea apei, mbuntirea gustului i a mirosului apei. Ozonul oxideaz H2S , nitrilii i ali derivai organici. n epurarea apelor uzate, ozonul este folosit pentru decolorare, dezinfecie, oxidarea parial a unor substane nocive (fenoli, detergeni, cianuri etc.). Este de subliniat c ozonul are o toxicitate ridicat, pentru expunere continu concentraia n aer fiind limitat 1a circa 0,1 mg/m3). Printre cei mai importani patogeni distrui de ozon se numr: E-Coli, Coliform, Holera. Pentru cele mai comune aplicaii, un coninut optim rezidual este de 0.4 sau 0.5 ppm (pri per milion) ozon . Acesta este suficient pentru a distruge patogenii care pot coabita n

37

interiorul recipienilor de ap. Tratarea apei cu radiatii UV nu asigur ns i sterilizarea recipientilor pentru depozitarea apei, asta nsemnnd c orice urm de spori sau bacterii care se afl n aceti recipieni se pot multiplica dup umplere.

3.4. Ape industriale 3.4.1.Corectarea calitii apelor

Apele naturale trebuie supuse unor procedee adaptate scopului pentru care urmeaz s fie folosit apa respectiv. Aceste tratamente sunt cu att mai necesare, cu ct se face apel din ce n ce mai mult la apele de suprafa, de obicei puternic impurificate. Alimentrile cu ap constituie pentru centrele populate i pentru industrie dotri indispensabile. Corectarea calitii apelor se aplic n special pentru apele industriale. Apa necesar n diferite procese tehnologice trebuie s ndeplineasc anumite condiii de calitate caracteristice fiecrui domeniu de utilizare. Operaiile de corectare a calitii apelor cuprind:

- decantarea, tratarea cu coagulani, filtrarea - deferizarea ,demanganizarea - degazarea (eliminarea gazelor dizolvate) - desilicierea ( eliminarea SiO2 ) - dedurizarea (eliminarea srurilor Ca2+ , Mg2+ ) - demineralizarea (eliminarea tuturor componenilor minerali )

3.4.2. Dedurizarea apei Eliminarea duritii apei se poate realiza prin:

metode termice metode chimice cu schimbtori de ioni

Procedeul de dedurizare cu schimbtori de ioni Acest procedeu se bazeaz pe capacitatea unor substane solide , greu solubile , de a absorbi din soluie anioni sau cationi i de a ceda n schimb alii. Materialele schimbtoare de ioni sunt subsante insolubile coninnd ioni cu putere slab care sunt capabili s fie schimbati cu ali ioni din soluiile cu care vin n contact. Aceste schimbri au loc fr alte modificri fizice n materialul schimbtor de ioni. Ionii schimbtori sunt acizi sau baze insolubile, care formeaz la rndul lor sruri insolubile, i aceasta i face capabili s schimbe ioni incarcti pozitivi (schimbtori de cationi) sau ncrcai negativ (schimbtori de anioni). Multe substante naturale ca proteinele, celuloza, elementele galvanice, i particulele de impuriti demonstreaz proprietile ionilor schimbtori care joac un rol important n funcia lor n natur. Materialele schimbatoare de ioni sintetice bazate pe crbune i rini fenolice au fost primele utilizate la nivel industrial n 1930. Civa ani mai trziu au fost dezvoltate rsinile constnd din polistiren cu grupe sulfonat pentru a forma schimbtori cationici sau grupe aminice pentru a forma schimbtori anionici. Clasificarea schimbtorilor de ioni

38

n funcie de sarcina ionului absorbit , schimbtorii de ioni se numesc cationii , care sunt schimbtori de cationic i anionii , care sunt schimbtori de anioni Schimbtorii de ioni se clasific dup mai multe criterii:

1) dup originea lor: - naturali (zeolii) - de sintez:

-permutii -rini schimbtoare de ioni

2) dup natura lor: - anorganici ( zeolii, permutii ) - organici rini schimbtoare de ioni

3) dup structura reticular a compuilor organici de sintez: - rini microporoase - rini macroporoase

4) dup tipul ionului schimbat: - cationii - anionii - amfoteri ( pot schimba att anioni ct i cationi )

Zeoliii Zeoliii se noteaz Z-Na, unde Z este un rest macromolecular; ei sunt silicai hidratai care conin ioni de aluminiu i ioni ai metalelor alcaline. Zeoliii sunt schimbtori de ioni naturali ; din punct de vedere chimic fac parte din categoria alumino-silicailor naturali ai metalelor alcaline i alcalino-pmntoase. Structura cristalin a zeoliilor este de tip reea tridimensional care conine cationi angajai n legturi la nivelul reelei i cationi mobili care pot fi angajai n procesul de schimb ionic. Permutiii Permutiii, se noteaz P-Na unde P este un rest macromolecular; ei sunt silicai dubli de aluminiu i sodiu, obinui prin topirea cuarului cu caolin, cu carbonat de sodiu sau cu sulfur de sodiu i crbune Cationii Rinile acide i srurile lor cu metale alcaline (uzual cu sodiu) au proprietatea de a schimba cationii pe care i conin, inclusiv H+ cu cationi din soluiile cu care vin n contact. Aceste rini se numesc cationii. n reaciile de schimb ele se simbolizeaz R-H respectiv R-Na , (Cat) Na. Cationiii conin n molecula lor grupri acide de tipul:

- COOH sau - COONa - SO3H sau - SO3Na

capabile s fixeze cationi minerali i organici i s schimbe cu ionul de hidrogen sau de sodiu.

Anioniii

39

Rinile cu caracter bazic se numesc anionii i au proprietatea de a reine anionii din soluiile cu care vin n contact. n reaciile de schimb ionic se simbolizeaz R-OH sau R-Cl funcie de anionul ce poate fi schimbat (hidroxid, respectiv clorur). Anioniii au n molecul grupri funcionale bazice

- NH2 capabile s fixeze anionii minerali sau organici i s i schimbe cu ionul HO- ,R OH sau (An) OH. Dup caracterul bazic , anioniii pot fi :

anionii slab bazici; - au n molecul gruparea aminic - NH2 ; RN+ H2 , HO- , - sunt un amestec de amine cu schelet molecular alifatic sau aromatic, - nu schimb ionii acizilor foarte slabi, - sunt regenerai mai uor

anionii puternic bazici - conin gruparea de amoniu cuaternar (sunt sruri cuaternare de amoniu )

R N+R3 HO- - aceste rini pot schimba ionii acizilor foarte slabi - n funcie de matricea polimerului pot fi:

-rini polistirenice -rini poliacrilice

Rinile sintetice, conin un rest organic, R, care este un produs reticulat de copolimerizare, de tip stiren-divinilbenzen. Pe acesta se afl grefate grupe active acide (carboxil, -COOH, sulfonice, -SO3H sau fenolice -OH) sau bazice (amine, -NH2, sau amine N-substituite). n Romnia, rinile schimbtoare de ioni se fabric la VIROLITE Oraul Victoria. Alte sortimente de rini schimbtoare de ioni, fabricate n lume sunt de tip Amberlite, Wolfatite, Dowex, Sephadex, Duolite etc. Cationiii sunt utilizai pentru reducerea duritii apei , reinnd ioni de calciu , Ca2+ i magneziu Mg2+ , din soluie i cednd n schimb ioni de Na+ sau K+ . Regenerarea cationiilor se realizeaz prin tratarea acestora cu soluia de clorur de sodiu sau carbonat de sodiu, refcndu-se capacitatea de schimb ionic.

DEDURIZAREA APEI -se realizeaz cu un schimbtor cationic puternic acid de forma R Na. Prin reinerea ionilor de Ca2+ i Mg2+ , se obine un efluent care conine numai sruri de sodiu: 2R Na + ( Ca ,Mg ) (HCO3)2 R2 ( Ca ,Mg ) + 2NaHCO3 2R Na + ( Ca ,Mg )Cl2 R2( Ca ,Mg ) + 2NaCl 2R Na + ( Ca ,Mg )SO4 R2( Ca ,Mg ) + Na2SO4

La regenerare are loc reacia:

R2( Ca ,Mg ) + 2NaCl 2R Na + ( Ca ,Mg ) Cl2

40

Apa dedurizat va avea aceeai mineralizare ( coninut de sruri ) , dar duritatea scade pn la o valoare rezidual de 0 -0,1 mval/ .

3.4.3. Demineralizarea apei Reaciile care au loc la trecerea peste un cationit sintetic conduc la obinerea de ap dedurizat, cu caracter acid. Prin trecerea apei rezultate peste un anionit se obine ap n care nu se mai gsesc nici un fel de ioni strini, numit ap demineraliazat: Dac se utilizeaz rini schimbtoare de ioni, apa dur este trecut nti peste un cationit apoi peste un anionit. Demineralizarea apei se obine prin tratarea apei succesiv cu:

a. un schimbtor de cationi ,de tip R H , n care ionii metalici sunt nlocuii cu ioni de hidrogen iar srurile neutre din ap sunt transformate n acizi liberi;

b. un schimbtor de anioni (anionit ) , de forma R OH , n care se rein anionii acizilor , eliberndu-se ioni hidroxil , care cu protonii ( H3O ) formeaz apa

Instalaiile de demineralizare sunt alctuite din mai multe coloane legate n serie . n acest fel se consum mai puini reactivi de regenerare. Regenerarea anioniilor se realizeaz prin tratarea cu soluii diluate de hidroxid de sodiu (NaOH 4% ).

41

ap HCl 7% NaOH 4% brut

cation de degazare

R -COOH ap deionizat demineralizat R SO3H

Figura nr.11. Schema unei instalaii de demineralizare total a apei

unde:

1. coloan cu cationit - cationit slab acid slab acid, elimin dt 2. coloan cu cationit puternic acid cationit puternic acid 3. coloan cu anionit slab bazic anionit slab bazic - elimin acizi tari ( HCl , H2SO4 ) 4. coloan de degazare cationit de degazare se elimin CO2 prin insuflare de aer 5. coloan cu anionit puternic bazic anionit puternic bazic elimin acidul silicic i CO2

1. n coloana 1: 2R H + ( Ca ,Mg ) (HCO3)2 R2( Ca ,Mg ) + 2H2CO3 H2CO3 H2O + CO2 2. Coloana 2 conine cationit puternic acid , care elimin cationii legai de anionii clorhidric , sulfuric , silicic: 2R H + ( Ca ,Mg )SO4 R2 ( Ca ,Mg ) + H2SO4 2R H + ( Ca ,Mg ) Cl2 R2 ( Ca ,Mg ) + 2HCl 2R H + MgSiO3 R2Mg + H2SiO3 3. Coloana 3 conine un anionit slab bazic , care elimin acidul sulfuric i clorhidric format: 2R OH + H2 SO4 R2SO4 + 2H2O R OH + HCl RCl + H2O

1

2

3

4

5

42

4. Apa trece apoi n coloana 4 de degazare unde are loc eliminarea CO2 , prin insuflarea de aer , pn la un coninut residual de cca 10 mg CO2/ dm3 . 5. Coloana 5 conine anionit puternic bazic , care elimin acidul silicic i restul de CO2 : 2R OH + H2SiO3 R2 SiO3 + 2H2O 2R OH + H2CO3 R2 CO3 + 2H2O Prin alegerea optim a treptelor de demineralizare i a nivelului de regenerare , se poate obine o ap cu duritatea rezidual 0 0d , i mineralizare m = 0 , sruri reziduale 0,005 5 mg /dm3 . Instalaia de demineralizare pote fi prin schimb ionic n suspensie , n care regenerarea se face n contracurent.

3.5. APE REZIDUALE

Este greu de crezut c pe planeta noastr, acoperit n proporie de 70% de ap, numai 1% din totalul resurselor de ap este disponibil pentru folosin oamenilor. Din toat apa care acoper globul, 97,5% este ap srat , rmnnd ap dulce numai 2,5% , iar din acestea peste jumtate sunt gheari i calot glaciar. Iat de ce apa este o continu preocupare pe planeta noastr att pentru cercettori, dar mai cu seam pentru cei ce sufer din cauza lipsei de ap. Dei trim n secolul 21, n lume, 1.1 miliarde de oameni (reprezentnd 18% din populaia globului) duc lips de ap potabil.

Poluarea apelor reprezint procesul de alterare a calitilor fizice , chimice i biologice ale acestora produs direct sau indirect de activiti umane care fac ca apele s devin improprii pentru folosirea normal care era posibil nainte de alterare

Apele rezultate din activitile industriale , agricole sau menajere rmn dup utilizare cu o ncrctur din substanele prelucrate. Ele sunt cunoscute sub denumirea de ape reziduale sau ape uzate. Apele reziduale sunt apele crora prin utilizare li s-au modificat calitile chimice , biologice sau fizice ; apele din precipitaii sau alte surse , care fr s fi fcut obiectul unei folosiri, s-au ncrcat cu substane strine , provenite din activitile sociale i economice. Prevenirea i combaterea fenomenului de poluare presupune cumoaterea naturii poluanilor i a surselor care i genereaz . Substanele poluante ajunse n emisar ,sufer :

- procese fizice ( sedimentare , evaporare etc. ) - procese chimice (hidroliz i oxidare ) - procese biologice care au loc n mod natural ,n timp , printr-un proces complex

numit autoepurare. Depirea capacitii de autoepurare a emisarului pune n pericol flora , fauna i posibilitile de folosint ulterioar a apei.

43

Substanele poluante , odat ajunse n reeaua hidrologic , pnza freatic , lacuri , ruri , mri , oceane , sunt practic imposibil de eliminat , datorit dilurii lor ntr-un volum mare de ap , greu de prelucrat. De aceea tratarea apelor reziduale n scopul eliminrii poluanilor trebuie s se fac la sursa de poluare. Poluanii din ap rezult din numeroase activiti antropice: industrie, orae, agricultur. Poluanii care provin di