50
1 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda Univerzitet u Beogradu Hemijski fakultet PROCESI PRERADE I DORADE VODE B e o g r a d, 2010

PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

1 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Univerzitet u Beogradu Hemijski fakultet

PROCESI PRERADE I DORADE VODE

B e o g r a d, 2010

Page 2: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

2 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

SADRŽAJ: Univerzitet u Beogradu .................................................................................................................. 1 PROCESI OBRADE I PRERADE VODE .................................................................................... 1 1 OPŠTI DEO .......................................................................................................................... 4 2 PROCESI PREDHODNE OBRADE ................................................................................... 5

2.1 Flokulacija / koagulacija ....................................................................................... 5 2.2 Flotacija ................................................................................................................ 8 2.3 Taloženje .............................................................................................................. 9

2.3.1 Kosi pločasti separatori ............................................................................... 10 2.3.2 Centrifugalni separatori ............................................................................... 11 2.3.3 Hidrocikloni ................................................................................................ 12

2.4 Filtracija .............................................................................................................. 12 2.4.1 Jednoslojni ili višeslojni filteri, sa povremenim radom .............................. 13 2.4.2 Jednoslojni ili višeslojni filteri sa neprekidnim radom ............................... 15 2.4.3 Filteri sa kertridžem i vrećasti filteri .......................................................... 16

2.5 Aeracija ............................................................................................................... 17 3 OSNOVNI PROCESI OBRADE ........................................................................................ 19

3.1 Izmena jona ......................................................................................................... 19 3.2 Omekšavanje ...................................................................................................... 23 3.3 Uklanjanje bikarbonata ....................................................................................... 24 3.4 Potpuna dejonizacija ........................................................................................... 25 3.5 Hemijske metode ................................................................................................ 26

3.5.1 Taloženje ..................................................................................................... 26 3.5.2 Neutralizacija .............................................................................................. 28 3.5.3 Oksidacija .................................................................................................... 28

3.6 Membranska filtracija ......................................................................................... 28 3.6.1 Mikrofiltracija ............................................................................................. 28 3.6.2 Ultrafiltracija ............................................................................................... 28 3.6.3 Nanofiltracija ............................................................................................... 28 3.6.4 Reversna osmoza ......................................................................................... 29 3.6.5 Tehnički detalji membranske filtracije ........................................................ 29 3.6.6 Elektrodijaliza ............................................................................................. 31

3.7 Isparavanje .......................................................................................................... 33 4 NAKNADNI POSTUPCI PREČIŠĆAVANJA .................................................................. 35

4.1 Dezinfekcija – fizičke metode ............................................................................ 35 4.1.1 Dezinfekcija zagrevanjem ........................................................................... 35 4.1.2 Mikrofiltracija ............................................................................................. 36

Page 3: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

3 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

4.1.3 Zračenje ....................................................................................................... 36 4.2 Dezinfekcija - hemijske metode ......................................................................... 36

4.2.1 Hlor .............................................................................................................. 37 4.2.2 Hlordioksid .................................................................................................. 37 4.2.3 Ozon ............................................................................................................ 38 4.2.4 Vodonik peroksid ........................................................................................ 39 4.2.5 Tretman aktivnim ugljem ............................................................................ 40

4.3 Deaeracija ........................................................................................................... 41 5 PRAKTIČNA PRIMENA OBRADE VODE ..................................................................... 43

5.1 Uopšteno ............................................................................................................. 43 5.2 Obrada podzemne vode ...................................................................................... 43

5.2.1 Podzemna voda dobrog kvaliteta ................................................................ 43 5.2.2 Podzemna voda koja pored komponenata tvrdoće sadrži gvožđe i mangan 44 5.2.3 „Veštačke“ podzemne vode......................................................................... 44

5.3 Obrada površinske vode ..................................................................................... 45 5.3.1 Površinska voda dobrog kvaliteta ............................................................... 45 5.3.2 Površinske vode sa organskim zagađenjem ................................................ 45

5.4 Posebna obrada ................................................................................................... 46 5.4.1 Voda za laboratorijske svrhe ....................................................................... 48 Tabela 5.3 Specufikacija za laboratorijsku vodu prema ASTM standardu ............. 48 5.4.2 Čistoća vode izražena preko provodljivosti i otpornost .............................. 48 5.4.3 Kako da prečistiti vodu za laboratorijske svrhe .......................................... 49

Page 4: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

4 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici, prehrambenoj industeiji, za komunalne potrebe i drugo. Najviše zahteve za čistoću vode postavljaju prehrambena industriju (proizvodnja piva, sokova) kao i komunalni sistemi za snabdevanje građana pijaćom vodom. Zato su od velikog značaja svi procesi obrade sirove vode kojim se uklanjaju, čvrste suspendovane, organske i neorganske hemijske komponente, bakterije i hemikalije koje daju loš ukus i miris. Zbog visoke cene obrade sirove vode, pogodne tehnologije se moraju kombinovati na najbolji način kako bi se uspostavila ravnoteža između cene i dobijenog kvaliteta vode. U nastavku će biti opisane najbolje tehnologije (Best available techniques – BAT) za obradu i rekuperaciju sirove vode. Neki od ovih procesa nisu u opštoj upotrebi obrade vode ali ukazuju na neke mogućnosti u budućnosti. Slika 1.1 prikazuje prisustvo tipičnih nečistoća, od krupnih čestica, kakav je pesak do rastvorenih soli. Metode koje se koriste za uklanjanje su uslovljene fizičkim veličinama nečistoća.

Slika 1.1 Prikaz veličine čestica i metode obrade

Page 5: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

5 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

2 PROCESI PREDHODNE OBRADE

2.1 Flokulacija / koagulacija Sirova voda koja ulazi u postrojenje za preradu vode može sadržavati čvrsti materijal u koloidnom obliku. Koloidi su stabilne suspenzije veoma finih čestica u vodi, a njihova veličina je u opsegu 0,1 – 0,001 μm. Zbog tako male veličine poje dinačnih čestica koloidne suspenzije su praktično stabilne i pojavljuju se kao "oblak" ili "maglica" u vodi. Koloidne suspendovane materije nije moguće ukloniti upotrbom samo tehnika filtracije. Odvajanje se bazira na procesima koagulacije i flokulacije čestica odnosno taloženju. Dodatak hemijskih sredstava, "koagulanata", destabiliše koloide, odnosno dolazi do koagulacije. Ova sredstva smanjuju repulsivne sile između čestica koloida. U sledećoj fazi čestice se spajaju obrazujući veće flokule izazvano dodatkom hemijskih sredstava poznatih kao "flokulanti". Ova sredstva se vezuju ili se adsorbuju na koloidne čestice koje se međusobno privlače, stoga pospešuju stvaranje flokula. Flokule postaju mnogo veće od početnih koloidnih, tako da mogu biti uklonjene taloženjem (pogledati deo 2.2 i 2.3) i filtracijom (pogledati deo 2.4 i 3.3) Na slici 2.1 prikazan je primer procesa obrade sirove vode. Slika 2.2 prikazuje tipičan pogon kombinovanja procesa koagulacije i flokulacije.

Slika 2.1 Primer procesa obrade sirove vode

Page 6: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

6 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.2 Pogon za koagulaciju i flokulaciju Iz ekonomskih razloga najčešće korišćeni koagulant je Al2(SO4)3, koji se obično dodaje u količini od 10 do 150 g/m3, gvožđe - Fe3+- hlorid se obično dodaje u količini 5 – 150 g/m3 i gvožđe - Fe3+- sulfat se uobičajeno dodaje u količini 10 – 250 g/m3. Ostale hemikalije su AlCl3 i različiti polimeri aluminijuma. Izbor koagulanta zavisi od sastava koloida. U fazi koagulacije, koagulanti jonizuju, sa katjonima, primer su joni aluminijuma i gvožđa koji se adsorbuju na površini koloida. Ovo je veoma brza reakcija koja zahteva veliku energiju a odvija se za manje od 0,1 sekunde. Zato se koagulanti dodaju tokom brzog mešanja. Ovaj proces se odvija u tanku sa kratkim vremenom zadržavanja. Nakon adsorbcije katjona koloidi više nisu stabilni ali privlače jedni druge OH - vezama koje se formiraju među njima, pogledati sliku 2.3.

Page 7: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

7 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.3 Vezivanje koloidnih čestica OH - vezama Da bi se povećao broj koagulisanih koloida često je potrebno dodati flokulante. Kao flokulanti se koriste aktivisani silika - gel ili polielektroliti. Polielektroliti su dugački lančasti ugljovodonici sa nekoliko katjonskih i anjonskih grupa. Ove grupe destabilišu koloide, koje su adsorbovani od dva ili više polielektrolita. Njihova uloga je predstavljena slikom 2.4. Adsorpcija polielektrolita koloidima zahteva znatnu energiju. Zato se flokulanti dodaju vodi uz energično mešanje, mada se formirane flokule i uništavaju prekomernom brzinom. Stoga se za fazu rasta koristi tank u kome je sporije mešanje a tome sledi odvajanje sedimentacijom.

Page 8: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

8 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.4 Adsorpcija polielektrolita koloidima

2.2 Flotacija Flotacija kao i sedimentacija se zasniva na razlici u specifičnoj masi čvrstih komponenti i vode. Flotacija se može podeliti na "spontanu" i "izazvanu". Kod "spontane" flotacije specifična masa čestica je manja od specifične mase vode pa se čestice bez pomoći podižu prema površini odakle mogu biti uklonjene. Kod "izazvane" ili "podstaknute" flotacije, vazduh koji se dodaje u vodu prijanja na čestice i stvara gasne tvorevine, koje imaju manju gustinu nego voda pa se podižu na površinu, odakle ih je moguće ukloniti. Najčešće korišćena tehnika proizvodnje zahtevane veličine mehurića vazduha je tehnika "rastvorenog vazduha". Obično se zahteva prečnik mehurića odnosno "mikromehurića" između 40 - 70 μm. Vazduh se rastvara u vodi pod pritiskom. Kada se u vodi ubačenoj pod pritiskom, smanji pritisak prouzrokuje se da vazduh u obliku mehurića napušta rastvor. Ti mehurići i čvrste materije formiraju gasne tvorevine koje se podižu prema površini vode odakle se mogu uklonjati. Slika 2.5 prikazuje porast rastvorljivosti vazduha u vodi sa pritiskom na temperaturi 20°C. Druga tehnika za proizvodnju mehurića je elektro - flotacija. Tehnika je zasnovana na proizvodnji gasova H2 i O2 elektrolizom vode. Aktuelna gustina je 80 do 90 Ǻ/m 2 (po jedinici površine u oblasti primenjene flotacije). Na ovaj načine se proizvodi 50 l gasa /h. Veličina mehurića je istog reda veličine kao kod gore navedene tehnike.

Page 9: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

9 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Flotacija se najčešće primenjuje u kombinaciji sa flokulacijom. Flokule imaju veliku površinu što poboljšava prijanjanje mehurića i njihovo kretanje prema gore.

Slika 2.5 Rastvorljivost vazduha u vodi u ovisnosti od prititiska na 20 °C

2.3 Taloženje Taloženje je razdvajanje dve faze zbog njihove razlike u gustini. Na brzinu taloženja utiču sledeći faktori: • razlika u gustini između dve faze, • viskozitet okolne tečnosti, • prečnika čestica koje se odvajaju.

Brzina taloženja može se računati primenom Stokes - ove jednačine: d2 · g · (r1-r2) v = --------------------- 18 · h v = brina taloženja čestica, m/s d = prečnik čestice, m g = ubrzanje usled gravitacije, m/s2

Page 10: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

10 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

r1 = gustina čestice, kg/m3

r2 = gustina tečnosti, kg/m3

h = viskozitet tečnosti, Pas Najčešće podešena brzina u taložniku je 0,5 - 1 m/h.

Slika 2.6 Prikaz putanje čestice u taložniku u kome se dešava sedimentacija Da bi došlo do taloženja čestica neophodno je da se voda u taložniku zadržava dovoljno dugo. Brže i efikasnije taloženje može se postići poboljšanjem svojstava odvajanja gravitacijom. Primeri za to su: • pločasti separatori, • centrifugalni separatori, • hidrocikloni.

2.3.1 Kosi pločasti separatori Kod kosih pločastih separatora, fluid prolazi između niza kosih ploča (lamela), uzak prostor između ovih ploča skraćuje put česticama. Pločasti separatori mogu biti korišćeni za odvajanje lakših kontaminirajućih materija kao što su ulje iz vode. Vreme odvajanja kod pločastih separatora je mnogo kraće nego kod konvencionalnih tankova. Princip rada je prikazan na slici 2.7. Izdvojene flokule i čestice se sakupljaju u odvojene sudove. Odvajanje u pločastim separatorima je pomognuto meračima protoka tečnosti u pravcu odvajanja faza. Odvajanju čestica pomaže protok nagore kroz separator.

Page 11: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

11 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.7 Princip rada pločastog separatora

2.3.2 Centrifugalni separatori U centrifugalnim separatorima procesi odvajanja se poboljšavaju sa porastom sile gravitacije, a to se dešava usled rotacije velikom brzinom. Povećanje gravitacione sile uobičajeno je za faktor 5000 odnosno "5000 g". Centrifuge za izbistravanje se sastoje od skupa konusa i rotirajuće kugle. Efekat konusa, sa razmakom oko 6 mm, sastoji se u tome da smanjuje rastojanje koje čvrste čestice moraju prevaliti pre nego što se uhvate na čvrstu površinu unutar pločastog separatora. Čvrste komponente se kreće prema rubu kugle odakle je moguće automatski uklanjati. Izbistrena voda zadržava se u centru kugle odakle se neprekidno uklanja. Slika 2.8 prikazuje presek centrifuge za izbistravanje. Centrifugalni separatori pokazuju relativno nizak stepen odvajanja što se kompenzuje visokim kapacitetom obrade.

Page 12: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

12 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.8 Deo centrifuge za izbistravanje Da bi se sprečilo oštećenje centrifuge relatvno krupnim česticama, potrebna je predfiltracija.

2.3.3 Hidrocikloni Hidrocikloni se mogu upoterbljavati za poboljšanje odvajanja čestica. Centrifugalna sila, kao i kod centrifuga, se koristi za poboljšanje gravitacionog polja čime se daje doprinos procesu odvajanja. Mada u hidrociklonima nema pokretnih delova, rotirajući put fluida se stvara usled protoka fluida kroz opremu. Kako fluid prati rotirajući put kroz ciklon, čestice veće gustine nego što je voda se kreću pod uticajem gravitacione sile prema spoljnim zidovima ciklona odakle ih je moguće izdvojiti. Voda se zadržava u centranlom delu.

2.4 Filtracija Filtracija se uglavnom koristi kao završni korak posle flotacije i sedimentacije (pogledati deo 2.2 i 2.3). Filteri se projektuju za jednostepene postupke u proizvodnji ili u kombinaciji sa procesima koagulacije i flokulacije. U ovom delu se opisuju jedno i višeslojni filteri sa ulošcima (kertridžima) kao i vrećasti filteri. U delu 3.3 o mikrofiltraciji, se opisuje tehnika odstranjivanja suspendovanih čestica i koloidnih tvari.

Page 13: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

13 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

2.4.1 Jednoslojni ili višeslojni filteri, sa povremenim radom Najčešći filteri su oni silaznog toka a imaju jedan, dva ili tri sloja, pogledati sliku 2.9. U poređenju sa jednoslojnim, dvo ili troslojni filteri dozvoljavaju suspendovanim česticama prolazak kroz filtracioni sloj. Iz tog razloga je kapacitet za suspendovane čvrste tvari veći kod višeslojnih filtera. U jednoslojnom filteru, filtracija se odvija uglavnom u sloju dubine oko 20 mm.

Slika 2.9 Osnovni model troslojnog filtera Tokom rada, čestice se hvataju u filterskom sloju. Pokazano je da u momentu dostizanja kapaciteta filtera suspendovane čestice prodiru i dolazi do smanjenja pritiska. Tada je neophodno čišćenje filtera. Filter se čisti protokom vode u suprotnom pravcu, "povratnim pranjem", brzinom koja je uslovljena parcijalnom fluidizacijom slojeva. Tako potrošeni filterski sloj otpušta nahvatane čestice koje se spiraju sa filtera u sistem za efluent. Da bi se regeneracija izvodila metodom uklanjanja čvrstih čestica povratnim pranjem, podrazumeva se da pojedinačni slojevi višesloja budu različite gustine. Obično se koriste: pesak, antracit i plastika u granulama. Veličina zrna peska treba da bude u opsegu između 0.5 - 1.5 mm, za antracit 2 - 3 mm i 3 - 5 mm za plastiku.

Page 14: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

14 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.10 Gubitak površinskog sloja u odnosu na odstranjene suspendovane čestice za različite forme peska i antracita Brzina vode prlikom filtracije obično je 10 – 15 m/h, ili 10 – 15 m3/m2 filtarskog sloja po satu. Smanjenje pritiska na kraju filtracionog ciklusa je uobičajeno oko 1 bar. Tokom povratnog pranja, brzina treba biti između 20 i 70 m/h. Za povratno pranje se mora koristiti filtrirana voda. Vazduh se ubacuje u vodu za povratno pranje kako bi se pospešilo uklanjanje nakupljenih čvrstih nečistoća u filtracionom sloju, smanjila potrošnja vode za povratno pranje i skratilo vreme procesa pranja. Kombinovanom upotrebom vode i vazduha moguće je smanjiti potrošnju vode za 20 – 30%. Filteri sa protokom nagore se manje upotrebljavaju. Oni su projektovani za direktno filtriranje vode bez prethodne obrade. Na ulazu u filter flokulanti se mešaju sa vodom koja sadrži suspendovane čvrste nečistoće. Za razliku od filtera sa povratnim pranjem u ovom postupku je omogućeno česticama da prodiru dublje u filtarski sloj. Slika 2.11 prikazuje filter sa protokom na gore uz dodavanje flokulanta u vodu pre ulaska u filter.

Page 15: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

15 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.11 Princip rada jednoslojnog filtera sa protokom na gore uz dodatak flokulacionog sredstva.

2.4.2 Jednoslojni ili višeslojni filteri sa neprekidnim radom Kod konvencionalnih filtera protok je naizmeničan jer se povremeno mora izvršiti pranje. Često je neophodno postojanje više filtera da bi se obezbedio kontinuiran proces. Nedostaci takvih filtera su: • povećan sadržaj čvrstih suspendovanih nečistoća u obrađenoj vodi na kraju filtracije, • znatno smanjenje pritiska tokom procesa. Usavršavanje filtera sa neprekidnim protokom na gore rešava ove probleme. Takav primer je "Dynasand" filter (pogledati sliku 2.12). Mada su skuplji filteri sa neprekidnim protokom postaju sve popularniji. Napomena: Naziv "Dynasand" je patentirani zaštitni znak „Nordic Water Products AB“

Page 16: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

16 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.12 "Dynasald" filter sa neprekidnim radom

2.4.3 Filteri sa kertridžem i vrećasti filteri Filteri pod pritiskom projektovani kao vrećasti filteri ili sa kertridžem mogu se koristiti za uklanjanje čestica iz vode. Filterski sloj, u obliku zamenjivog kertridža ili filterske vreće koju je moguće prati, smešten je unutar kućišta filtera, (pogledati sliku 2.13). Interval zamene se prati putem merenje pada pritiska kroz filter. Veliko opterećenje česticama, znači brzo stvaranje nečistoća a to zahteva čestu zamenu.

Page 17: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

17 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.13 Princip rada filtera sa kertridžem i vrećastog filtera Višeslojni filteri su uobičajeno pararelelno povezani, u slučaju prekida rada usled servisiranja ili zamene filtera. Filteri, takođe, mogu biti povezani i serijski sa relativno krupnim porama u prvom filteru iza koga slede filteri sa finijom veličinom pora. Najčešća veličina pora je između 50 i 150 μm.

2.5 Aeracija Aeracija se primenjuje u sirovoj vodi koja sadrži gasove kao što je vodonik - sulfid koji može izazvati neprijatan ukus i miris, CO2 se formira kao posledica kiselog tretmana nekih baznih voda i može biti izazivač korozije a takođe se može uklanjati putem aeracije. Slika 2.14 prikazuje sistem za aeraciju u kome voda struji nadole preko punjenja a vazduh se uduvava nagore kroz punjenje i ispušta u atmosferu.

Page 18: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

18 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.14 Aeraciona kolona Ako u vodi nedostaje kiseonika, Fe2+ će se procesom aeracije oksidovati do Fe3+ koga je moguće uklanjati u obliku taloga, čak se i mangan može uklanjati na ovaj način, a pod određenim uslovima moguće je nitrifikovanje amonijaka. Ovaj proces je moguće poboljšati uz upotrebu ozona (pogledati sliku 4.2). Najčešće se koristi ubacivanje vazduha pod pritiskom u vodeni tok preko difuzera koji rasipa vazduh u obliku finih mehurića. Mešanje je moguće poboljšati uz upotrebom "Baffle" ili "Statik" mešalica. Kod “aeratora pod pritiskom” voda se od "Statik" mešalice uvodi na dnu posude pod pritiskom, koja je ispunjenim poroznim medijem, kako bi se povećala dodirna površina između vazduha i vode. Višak vazduha se izdvaja iz vode na vrhu posude i ispušta. Voda zatim prolazi kroz peščani filter kako bi se istaložile komponente poput gvožđa (pogledati sliku 2.15). Peščani filter se čisti protokom vode nagore što izaziva širenje ovog sloja, efekat je izraženiji uz upotrebu vazduha "čistača".

Page 19: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

19 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 2.15 Odstranjivanje gvožđa aeracijom pod pritiskom uz peščani filter

3 OSNOVNI PROCESI OBRADE

3.1 Izmena jona Kao što i sam naziv ukazuje, izmena jona je proces kojim se neželjeni prisutni joni u vodi izmenjuju jonima koji su prihvatljivi u vodi a takvi su joni vodonika i hidroksilni joni. Većina izmenjivača se sastoji od kolone koja je ispunjena poroznim zrncima smole prečnika 0.3 do 1.2 mm. Najčešće korišćen materijal je polimer polistirena koji se povezuju sa divinil - benzenom. Smole sadrže aktivne anjonske ili katjonske grupe koji se mogu zamenjivati kao što su jon vodonika i hidroksilni jon. Prilikom obrade, voda potiče kroz kolonu dolazeći u kontakt sa zrncima smole. Uobičajena brzina protoka je 10 do 30 m/h. Zapremina smole kod jonske izmene je od svega nekoliko litara za laboratorijsku upotrbu ili u domaćinstvu pa do nekoliko kubnih metara za potrebe velikih industrijskih postrojenja. Da bi se izbegla oštećenja smole i gubitak pritiska, voda koja dolazi u kolonu treba da je prethodno filtrirana kako bi iz nje bile odstranjene pojedine materije.

Page 20: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

20 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 3.1 Kapacitet izmene jona u odnosu na koncentraciju u rastvoru Aktivni centri u koloni sadrže elektrostatičke aktivne grupe jona koji obrazuju veze sa jonima iz vode. Elektrostatičke grupe mogu se izabrati tako da pokazuju različite kisele i bazne karakteristike. Postoji razlika između slabo i jako kiselih katjonskih izmenjivača kao i između slabo i jako baznih anjonskih izmenjivača. Sposobnost izmenjivača jona da preuzmu jone uvek zavisi od ravnoteže koja je uslovljena koncentracijom jona u smoli kao i koncentracijom u okolnoj tečnosti (pogledati sliku 3.1). Ravnoteža takođe zavisi od sposobnosti izmenjivača da lakše oduzima i bolje veže neke jone na sebe. Ovo se zove jonska selektivnost izmenjivača. Najčešće se primenjuju izmenjivači za omekšavanje i demineralizaciju vode, imaju sposobnost apsorbovanja dvovalentnih jona pre nego jednovalentnih. Na primer: katjonski izmenjivači će imati K+, Na+ i H+ dok će anjonski imati Cl- ili OH-. Tokom katjonske izmene jednovalentni joni K+, Na+ i H+ će se u smoli zameniti dvovalentnim jonima Ca2+ ili Mg2+ prisutnim u vodi. Tokom anjonske izmene, jednovalentni Cl- ili OH- će se zameniti dvovalentnim jonima prisutnim u vodi kao što je sulfat. Ako se vrši zamena jona jonima istog elektronskog naboja, jonski izmenjivač je više selektivan za veće jone. Kod procesa desalinizacije kombinacija katjonske i anjonske izmene izvodi se tako da se H+ i OH- zamenjuju katjonima i anjonima prisutnim u vodi a rezultat je voda bez jona "dejonizovana voda". Selektivna sposobnost izmenjivača jona je uslovljena grupama kompleksa na matriksu. Neki metalni joni mogu se vezati sa jonima matriksa u komplekse dok su ostali joni zanemareni. Ovi jonski izmenjivači se nazivaju helatnim i selektivni su u uklanjanju određenih metalnih jona. Smole se mogu opisati kao "makroporozne" ili "gel". Makroporozne smole jonske izmene sadrže veće pore sa smanjenim kapacitetom za aktivne grupe pa stoga imaju manji kapacitet nego jonski izmenjivači sa “gel” smolom. S druge strane velike organske molekule se lakše

Page 21: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

21 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

transportuju kroz makroporozne jonske izmenjivače. Makroporozni jonski izmenjivači su takođe više otporni na mehanički zamor i veoma su otporni prema oksidaciji. Jon - izmenjivačke smole se moraju regenerisati pre nego što sloj postane potpuno zasićen neželjenim jonima u vodi, u suprotnom može doći do prolaska istih u obrađenu vodu što predstavlja “proboj“. Regeneracija se postiže prolaskom rastvora koji sadrži zahtevane jone kroz smolu. Sadržaj jona rastvora za regeneraciju zavisiće od aktivnog oblika smole pa se tako rastvor NaCl koristi za regeneraciju Na+ - katjonskih smola ali može biti korišćen i za regeneraciju Cl- - anjonskih smola. Alternativno, kiseli rastvori se mogu koristiti za regeneraciju smola koje imaju H+ a za regeneraciju anjonskih smola sa OH- koristi se rastvor NaOH. Koncentracija rastvora za regeneraciju je između 1 – 10 %. Visoke koncentracije ukazuju na promenu ravnoteže, kako su procesi zamene povratni, neželjeni joni se uklanjaju sa vodom koja se odbacuje posle prolaska kroz smolu u efluent. Tokom regeneracije protok je mnogo slabiji nego u procesu rada, mada je komplikovanije, postupak regeneracije uz merenje protoka podrazumeva manju količinu rastvora za regeneraciju. Posle regenerecije izmenjivač jona retko zadržava početni kapacitet. Stepen gubitka kapaciteta je teško ili čak nemoguće predvideti. Uobičajeno za proces regeneracije potrebno je 3 – 8% od ukupno primljene vode. Ovo znači da je efikasnost procesa 92 - 97 %, izražena preko WCF (Water Conversion f Factor) - "faktor konverzije vode". Apsorpcija neželjenih jona se dešava u zoni apsorpcije. S obzirom da se pomera u pravcu protoka što je obično prema dnu, joni sa slabijim afinitetom za smolu biće otpušteni a apsorbovaće se oni koji imaju izraženiji afinitet za smolu. Kada zona apsorpcije prođe kroz pakovanje dolazi do zasićenja i ravnoteže sa vodom koja ulazi (pogledati sliku 3.2). Ako se grafikonom predstavi koncentracija onih jona koji se apsorbuju odnosno uklanjaju iz obrađivane vode u ovisnosti od zapremine vode koja prolazi kroz pakovanja dobija se grafikon "proboja" (pogledati sliku 3.3). Grafikon predstavlja kapacitet pakovanja koji se određuje površinom iznad krive i može se izračunati.

Page 22: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

22 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 3.2 Pomeranje zone apsorpcije kroz pakovanje izmenjivača jona.

Slika: 3.3 Primer grafičkog predstavljanja "proboja"

Page 23: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

23 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Kao što je grafički prikazano "proboj" je uslovljen sa tri parametra: • ravnoteža, koja određuje maksimalnu količinu koja se može apsorbovati, • brzina koja određuje proces apsorpcije i otpor prenosa, • koncepcija postupka, koja određuje maseni bilans u postupku.

Ravnoteža se može izmeniti sa promenom temperature i pH. Otpor masenom prenosu kontroliše nekoliko faktora. Difuzija u pore apsorbenta se obično menja sa promenom temperature. Sa brzinom protoka i temperature menja se difuzija na granici između tečnosti i smole. Izmena jona se najčešće primenjuje kod:

• omekšavanja, • uklanjanja bikarbonata, • potpune dejonizacije.

3.2 Omekšavanje Za omekšavanje vode se koriste katjonski izmenjivači u obliku Na - R a za njihovu regeneraciju NaCl. Sve soli kalcijuma i magnezijuma prisutne u vodi prevode se u Na – soli a Ca - R i Mg - R se uklanjaju kao nosioci tvrdoće. Ca(HCO3)2 NaHCO3 MgSO4 + Na - R → Na2SO4 + Mg - R CaCl2 NaCl Ca - R "R" je oznaka za smolu.

Page 24: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

24 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 3.4 Omekšavanje vode postupkom jonske izmene

3.3 Uklanjanje bikarbonata Birkabonati se odstranjuju primenom slabo kiselih izmenjivača jona u obliku H - R, a za njihovu regeneraciju se koristi kiselina, uklanjaju se metalni katjoni vezani sa anjonima slabih kiselina. Metalni katjoni vezani sa anjonima jakih kiselina će prolaziti kroz kolonu. Ca(HCO3)2 CO2 (rastvoren) + Ca - R MgSO4 + H - R → MgSO4 CaCl2 CaCl2 NaHCO3 CO2 (rastvoren) + Na - R Na2SO4 Na2SO4 Preporučljivo je da se aeracijom uklanja rastvoreni CO2 nastao tokom ovog procesa, kako bi se sprečili problemi vezano za koroziju. Slikom 3.5 je prikazana primena izmene jona kod uklanjanja bikarbonata sa aeracionim tornjem za odstranjivanje CO2.

Page 25: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

25 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 3.5 Primena jonske izmene za uklanjanje bikarbonata

3.4 Potpuna dejonizacija Ako se zahteva potpuna dejonizacija, jako kiseli katjonski izmenjivači u H-R obliku su praćeni jako baznim izmenjivačima jona u OH-R obliku. Za uklanjanje CO2 između jonskih izmenjivača je potrebna aeracija (ili vakum). Katjonska izmena: Ca(HCO3)2 CO2 (rastvoren) + Ca-R MgSO4 H2SO4 + Mg-R CaCl2 + H-R → HCl + Ca-R NaHCO3 CO2 (rastvoren) + Na-R Na2SO4 H2SO4 + Na-R Anjonska izmena: H2SO4 R-SO4 HCl + R-OH → H2O + R-Cl SiO2 R-HSiO3

Kako bi se smanjio utrošak NaOH za regeneraciju anjonskog izmenjivača, pre jako baznog anjonskog izmenjivača može se upotrebiti slabo bazni anjonski izmenjivač. Slabo bazni anjonski izmenjivač ima veći kapacitet i lakše se regeneriše nego jako bazni anjonski izmenjivači. Slika 3.6 šematski prikazuje sistem demineralizacije.

Page 26: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

26 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 3.6 Šematski prikaz pogona za demineralizaciju vode

3.5 Hemijske metode Pored tehnologija opisanih u delu 2.1 flokulacije i koagulacije hemijske metode su: taloženje, neutralizacija, oksidacija i redukcija. Dodatkom rastvorljivog reagensa vodi obrazovaće se nerastvorljiva nepoželjna jedinjenja. Uobičajeno, dodatkom kreča (Ca(OH)2), postiže se efekat omekšavanja vode, rezultat toga je taloženje kalcijumovih, moguće i magnezijumovih jona sa nosiocima tvrdoće. Istaloženi materijal se uklanja koagulacijom, flokulacijom, sedimentacijom i/ili filtracijom.

3.5.1 Taloženje Uklanjanje prolazne tvrdoće: Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2 CaCO3 (čvrsti) + 2 H2O Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 → CaCO3 (čvrsti) + MgCO3 + 2H2O Kreč u višku: Ca(OH)2 + MgCO3 → CaCO3(čvrsti) + Mg(OH)2(čvrsti)

Na primer, ako je koncentracija reaktanata tačno podešena moguće je da će konačna tvrdoću biti između 1 - 1.5 °dH. Slika 3.7 prikazuje proces poznat kao "brza dekarbonizacija". Ovo je neprekidan proces omekšavanja vode krečom, gde voda u fluidiziranom sloju dolazi u kontakt sa krečom. Neprekidnim ubacivanjem kreča i obezbeđivanjem inicijalnih čestica (kristalnih klica) pospešuje se formiranje granula nerasvornog kalcijumkarbonata veličine oko 2.5 mm.

Page 27: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

27 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 3.7 Neprekidni proces omekšavanja dodavanjem kreča Prolazna tvrdoća se takođe uklanja dodavanjem NaOH kao što sledi: 2NaOH + Ca(HCO)3 → CaCO3(čvrsti) + Na2CO3 + 2H2O Dalje smanjenje tvrdoće postiže se odklanjanjem stalne tvrdoće sa NaCO3 kao što je prikazano. Slično, dodatak jona kalcijuma će taložiti fluoride kao što sledi: Ca2+ + 2F- → CaF2 (čvrsti)

Fosfati se mogu taložiti uz dodatak soli gvožđa ili aluminijuma: Fe3+ + PO4

3- → FePO4 (čvrsti)

Stalna tvrdoća u obliku jona kalcijuma i magnezijuma vezanih sa hloridima i sulfatima može se odstraniti uz dodatak natrijumkarbonata kao što sledi: Na2CO3 + CaSO4 → Na2SO4 + CaCO3(čvrsti) Na2CO3 + CaCl2

→ 2NaCl + CaCO3(čvrsti) Uklanjanjem stalne tvrdoće konačna tvrdoća je između 1.5 i 3.0 °dH.

Page 28: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

28 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

3.5.2 Neutralizacija Mogu se koristiti sledeće metode za neutraloizaciju srednje kiselih ili baznih voda do neutralnog pH: Karbonatna kiselost: CO2 + NaOH → NaHCO3 CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2 CO2 + CaCO3 → Ca(HCO3)2 CO2 + Na2CO3 → NaHCO3

Alkalna voda (manjak CO2): Ca(OH)2 + CO2 → Ca(HCO3)2

3.5.3 Oksidacija Pri obradi vode za piće, uglavnom se oksidacija koristi za dezinfekciju, pogledajte deo 4.2.

3.6 Membranska filtracija Pod membranskom filtracijom se podrazumeva potiskivanje rastvora kroz poluprop. membranu pod pritiskom. Tokom ovog procesa niskomolekulske frakcije prolaze kroz membranu dok se visokomolekulska jedinjenja zadržavaju i koncentrišu. Parametar koji se odnosi na svojstva odvajanja membrane je "granica propustljivosti". Pojam "granica propustljivosti" se odnosi na molekulsku masu najmanjih molekula koji se zadržava na poleđini membrane. U praksi se često pojavljuju razlike za "granica propustljivosti" a to se objašnjava idealnim uslovima pod kojima je ona određivana. Membranska filtracija je podeljena na različite tipove filtracije u ovisnosti od nepropustljivosti membrane kao i da li se proces pokreće pritiskom ili električnim pogonom. Procesi koji se pokreću pritiskom su mikrofiltracija, ulztafiltracija i nanofiltracija i reversna osmoza.

3.6.1 Mikrofiltracija Za mikrofiltraciju "granica propustljivosti" je između 300000 i 1000000. Ovim procesom se odvajaju jedinjenja sa veličinom čestica manjom od 0.2 μm. Pritisak koji se obično primenjuje je u opsegu 0.1 – 0.5 MPa;

3.6.2 Ultrafiltracija Za ovu metodu se koriste membrane sa “granicom propustljivosti" između 500 i 300 000. Ovim procesom se odvajaju jedinjenja u opsegu 0.001 – 0.1 μm. To zahteva radni pritisak od 0.2 do 1.5 MPa;

3.6.3 Nanofiltracija Ova metoda predstavlja odvajanje pomoću membrana koje su po karakeristikama između ultrafiltracije i reversne osmoze. Zahtevani radni pritisak za ove membrane je između 2 i 4 MPa i daju viši protok nego membrane kod reversne osmoze, ali s druge strane nanomembrane imaju manju sposobnost odvajanja nego membrane reversne osmoze;

Page 29: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

29 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

3.6.4 Reversna osmoza Reversna osmoza koristi membrane sa najmanjom propustljivosti. Membrane ovog tipa imaju "granicu propustljivosti" manju od 500, što znači da zahtevaju veći pritisak, obično između 2 i 8 MPa. Membrane kod reversne osmoze imaju sposobnost razdvajanja jona i molekula manjih od 0.001 μm. Koriste se za desalinizaciju morske vode i rekuperaciju metalnih jona. Poslednjih godina su razvijene metode reversne osmoze pod visokim pritiskom od 20 do 25 MPa, koje se koriste kod izlučivanja iz zemljista.

Slika 3.8 Opsezi razdvajanja za različite tipove membranske filtracije Preduslov za reversnu osmozu je da primenjeni radni pritisak prevazilazi osmotski pritisak vodenog rastvora. Kada se koristi filtracija reversnom osmozom, osmotski pritisak, vode koja je u procesu, povećava se shodno koncentraciji. Filltracija se može primenjivati samo dok primenjeni pritisak prevazilazi osmotski koji zavisi od koncentracije rastvorenih materija u dolazećoj vodi.

3.6.5 Tehnički detalji membranske filtracije Tehnički problemi membranske filtracije uglavnom se odnose na oštećenja membrane i poteškoće oko dostizanja nivoa koncentracije kod filtracije reversnom osmozom. Jedan od problema je visok osmotski pritisak tretirane vode. Kada se membrane zaprljaju proces filtracije se mora zaustaviti da bi se membrane očistile. To se obično izvodi automatski na određeni interval ili kontrolom protoka filtrata. Membrane za mikrofiltraciju sa relativno velikim otvorima pora su više osetljive, više se zapušavaju nego membrane koje se koriste kod ultrafiltracije mada se može obezbediti povratno ispiranje membrana. Povratno ispiranje iziskuje povratni protok kroz membran - filter u određenim intervalima kako bi se pore membrane očistile, povratno ispiranje ne zamenjuje pranje membrana. Kapacitet filtera se efektivno smanjuje jer se određeni deo vode ili permeata koristi za povratno ispiranje.

Page 30: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

30 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Membrane se smeštaju u module i mogu biti konstruisane na različite načine, najčešće su cevaste, spiralne, pločaste, ramske i “šuplje vlaknaste” membrane. Poslednje se sastoje od brojnih tankih cevi smeštenih u modulu. Generalno, veća površina koja se može dobiti po modulu smanjuje cenu membrana, u isto vreme podložnost oštećenjima od strane čestica se povećava.

Slika 3.9 Šematski prikaz cevastog membranskog modula Određeni tip membrana može biti osetljiv na ekstremne uslove pH, a posebno u kombinaciji sa visokom tempeaturom. U poslednje vreme se sve više koriste keramičke membrane zbog njihove otpornosti prema visokoj temperaturi u kombinaciji sa visokim / niskim pH kod mikrofiltracije i ultrafiltracije. Membrane sa visokom hemijskom otpornošću su aktuelne kod nanofiltracije i reversne osmoze. Ulja i relativno krupnije čestice moraju prethodno biti uklonjene da bi se smanjio rizik od oštećenja i uništavanja membrana. Slika 3.11 prikazuje princip rada koji se zahteva za pogon obrade uz upotrebu membrana.

Page 31: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

31 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 3.10 Šematski prikaz modula sa spiralnim namotajima

Slika 3.11 Princip pogona obrade uz primenu membrana

3.6.6 Elektrodijaliza Elektrodijaliza je primer vođenja membranskog procesa uz električnu energiju u kome se dešava selektivni transport anjona i katjona kroz membranu. Membrane, koje dozvoljavaju prolazak pozitivno nabijenih katjona su negativnog naboja. Membrane koje dozvoljavaju

Page 32: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

32 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

prolazak negativno naelektrisanih anjona su pozitivnog naboja. Obradom vode elektrodijalizom podrazumeva se smanjenje koncentracije jona jednog parcijalnog naboja i povećanje koncentracije jona drugog parcijalnog naboja. Naboji se odvajaju jedan od drugog selektivnom membranom. Gubitak jona fluida nazvan je “širenje” dok se primanje jona naziva “koncentrisanje”. Struktura ćelija za elektrodijalizu je prikazano na slici 3.12.

Slika 3.12 Elektrodijaliza slane vode Osim jona, kroz membrane prolazi i voda. Transport vode se razlikuje od drugih fluida i ponekad se mogu javiti problemi oko dostizanja koncentrisanosti. Kod koncetrisanja kiselina anjon - selektivne membrane moraju biti prilagođene za to. Propuštanje nešto vodonikovih jona se dešava kroz anjon - selektivnu membranu dok se koncentracija kiseline povećava na mestu koncentrisanja. Na tržištu postoje membrane sa slabim transportom vodonikovih jona. Kompletno instalisanje često podrazumeva jednu ili par stotina ćelija sa efektivnim prostorom od 0.2 do 0.5 m² za svaku membranu. Membrane se odvajaju ramom kroz koji se fluid transportuje u ćeliju. Razmak između membrana obično je između 0.5 i 1.5 mm. Da bi se izbeglo zapušavanje, bitno je da voda pre ulaska u ćeliju za elelktrodijalizu ide na predfiltraciju. Postoji aktuelna granica gustine toka svakog fluida.

Page 33: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

33 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

3.7 Isparavanje Isparavanje se primenjuje za odvajanje isparljivih rastvarača od rastvorenog materijala, koristi se isparljiva faza kako bi se postiglo razdvajanje. Za obradu vode primenjuje se postupak zagrevanja sirove vode do pare koja se potom kondenzuje. Rastvorene soli se zadržavaju u rastvoru, koji postaje još koncentrovaniji i izbacuju se u struji efluenta. Pogonska sila za proces je toplotna energija koja je potrebna za grejanje vode do tačke ključanja i za dostizanje promene iz tečne faze u parnu. U većini slučajeva za dobijanje energije je potrebna promena faze. Zahtevana energija može biti računata kao što sledi: • specifični toplotni kapacitet vode je 4.19 KJ/kg /°C pa je potrebna energija od 335 MJ za

podizanje temperature 1 m³ vode sa 20° do 100°C, • latentna toplota isparavanja vode je 2.26 MJ/kg, zato se za promenu 1m³ vode od tečne do

gasovite faze zahteva 2260 MJ, • ukupna toplotna energija za isparavanje 1 m³ vode je 2595 MJ.

Upotrebom velikog broja tehnika regeneracije, aktuelni zahtevi za energijom su znatno manje ovisni o dizajnu opreme, dok se stepen regeneracije toplote postiže kada se vodena para kondenzuje. Slika 3.13 prikazuje metodu isparavanja uz upotrebu kompresora na elelktrični pogon kako bi se postigla regeneracija toplote koristeći se tehnikom koja se tiče mehaničke rekompresije pare. Takvi sistemi mogu funkcionisati uz potrošnju energije od 54 MJ/m³. Različiti tipovi metoda isparavanja su: • isparavanje u tankom sloju, toplota se prenosi na tanak sloj tečnosti nanesene preko

zagrevane površine, • komora za isparavanje, toplota se prenosi na ukupnu zapreminu tečnosti koja isparava, • trenutno isparavanje, toplota se prenosi na vodu pod pritiskom koja “trenutno ključa” a to

se dešava kad se pritisak smanji.

Posledica uklanjanja vode isparavanjem je povećanje koncentracije rastvorene čvrste komponente u tečnoj fazi. Potrošnja goriva i vode je od ekonomskog interesa, pa većina sistema zadržava vodu u odeljenju zagrevanja koja može poslužiti za recirkulaciju kroz grejač, sve dok rastvorene čvrste komponente ne dostignu proopisani nivo. Treba se odlučiti između male zapremine, visokog sadržaja rastvorene čvrste komponente sa prisutnim rizikom od kamenca i korozije, i velike zapremine a niskog sadržaja čvrste komponente ali visoke cene koštanja vode, energije i efluenta. Izbor materijala zavisi od tečnosti koja će isparavati i određuje se s naročitom pažnjom zbog potencijalne korozije koja bi se mogla desiti naročito kod viših koncentracija. Posebno treba obratiti pažnju u slučaju prisustva hlorida, kada se zahteva upotreba specijalnih materijala.

Page 34: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

34 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 3.13 Metoda prečišćavanja vode isparavanjem uz primenu mehaničke regeneracije pare U toku procesa isparavanja mogu se javiti sledeći problemi: • Trenutno ključanje se dešava kada je površinski napon koncentrovane tečnosti visok, tako

se ograničava formiranje mehurića. Konačno, pritisak pare prevazilazi površinski napon i dešava se trenutno ključanje, tokom koga kapljice prelaze iz tečne faze u parnu fazu. Konačan kondezat postaje kontaminiran, ako se kapljice koje sadrže rastvorene čvrste materije prenesu u kondenzator.

• U isparivaču se stvara pena, naročito ako voda potiče od regeneracije ili ako sadrži površinski aktivne materije. Pena može ispuniti isparivač i prouzrokovati kontaminaciju pare kapljicama sirove vode a konačno i kondenzata. Upotreba antipenušavca ovaj rizik svodi na najmanju moguću meru.

• Kamenac se formira taloženjem sloja čvrste faze na zagrevanim površinama. Time je smanjena efikasnost zagrevanja, samim tim i pogona. Kamenac se svodi na najmanju moguću meru ograničavanjem koncentracije čvrste komponente u isparivaču uz upotrebu hemijski modifikovanih sredstava.

Procesom isparavanja, sve prisutne isparljive komponente iz sirove vode pojaviće se u kondenzovanoj vodi. Ukoliko je prisutna takva kontaminacija biće neophodan predtretman vode uz aktivni ugalj ili reversnu osmozu.

Page 35: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

35 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

4 NAKNADNI POSTUPCI PREČIŠĆAVANJA

4.1 Dezinfekcija – fizičke metode Dezinfekcijom se obezbeđuje da voda za potrebe proizvodnje ne sadrži štetne mikroorganizme. Za razliku od sterilizacije, čiji je cilj da se unište svi mikroorganizmi, dezinfekcija se koristi za uništavanje patogenih mikroorganizama. Različite metode dezinfekcije mogu biti podeljene u dve grupe: fizičke i hemijske. Koriste se tri različita fizička principa za dezinfekciju ulazne vode: • zagrevanje, • mikrofiltracija, • radijacija.

4.1.1 Dezinfekcija zagrevanjem Voda se zagreva kao bi se uništili mikroorganizmi (na 100°C većina će biti uništena). Mada se veći deo energije može rekuperisati upotrebom izmenjivača toplote, potrošnja energije je velika u poređenju sa drugim procesima. Dodatni problem se može javiti zbog prisustva drugih kontaminirajućih materija koje pokazuju neželjene promene pri zagrevanju. Spore neće biti uništene zagrevanjem. Ako se zahteva sterilizacija mora se izvoditi na 120 °C.

Slika 4.1 Princip postupka membranske filtracije u svrhu dezinfekcije

Page 36: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

36 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

4.1.2 Mikrofiltracija Mikrofiltracija se koristi za odvajanje mikroorganizama od ulazne vode. Voda prolazi kroz membranu dok se na njoj mikroorganizmi zadržava. Slika 4.1 Spore mogu proći kroz membrane veličine pora 0.45 µm, ali će i one biti zadržane na membrani sa porama od 0.2 µm.

4.1.3 Zračenje Zračenje se može primeniti za dezinfekciju vode. Pored radioaktivnog zračenja, UV svetlo sadrži dovoljno energije za dezinfekciju. Pokazalo se da UV zračenje na 254 nm daje najbolji efekat protiv mikroorganizama. U principu uništava DNA molekule i tako daje odlične rezultate protiv bakterija i gljivica. Oprema se sastoji od cevi za pražnjenje živinih para, uz napajanje strujom visokog napona, postavljene u plašt od nerđajućeg čelika u kome se vrši obrada vode dok struji. UV senzor je lociran na zidu plašta detektujući UV zračenje i u najudaljenijem mestu u cevi, čime se omogućava registrovanje bilo kakvog narušavanja radnih karakteristika. Primer za to bi bila razgradnja nečistoća sa cevi. Pojedinačni uređaji vrše obradu vode protoka do 450 m³/h u zavisnosti od zagađenja. Veći kapacitet zahteva ugradnju višecevnog sisitema. Zbog ograničenog radnog kapaciteta i karakteristika emisije, konstrukcijom opreme mora se osigurati dobro mešanje vode i izbeći svaki zaklon od zračenja - “senke”. Doza UV zračenja koju organizam prima, meri se kombinacijom inteziteta radijacije merenog u mJ /cm² i vremena. Efekat zračenja na individualni organizam se meri kao energija u mJ/cm², potrebna da se broj organizama prisutnih u vodi smanji za deset puta, a izražava se kao vrednost D10. E. coli se često koristi kao indikator bakterija, pokazalo se da će se energijom zračenja od 5.4 mJ/cm² njeno prisustvo smanjiti za 99%. Treba napomenuti da je vrednost D10 specifična za svaki pojedini organizam. Za specifikaciju UV sterilizatora su relevantni sledeći faktori: • obrada pri maksimalnom protoku, • prenosivost kroz fluid koji se obrađuje, ako je u pitanju voda uticaće mutnoća, rastvoreni joni, naročito mangan i gvožđe kao i prisustvo organskih materija, • nivo i priroda zagađenja kako bi se sa sigurnošću odredio učinak UV izvora i uskladila D10 vrednost za najotpornije organizme. S vremenom oprema se degradira. Vremenom izlazni signal UV lampe slabi, i uobičajeno je zameniti na svakih 4000 do 8000 h u ovisnosti od primenjenog tipa. Moderne konstrukcije uključuju mehaničke brisače kako bi se prevazišao i problem zaprljanosti površina cevi. Metode fizičke dezinfekcije nemaju trajni uticaj, zato je važno da oprema koja dolazi u kontakt sa prečišćenom vodom ne bude kontaminirana.

4.2 Dezinfekcija - hemijske metode Voda se dezinfikuje uz dodatak odgovarajućih hemikalija, koje deluju kao oksidujuća sredstva. Neka od hemijskih sredstava, koja mogu biti upotrebljena su: hlor, natrijumhipohlorit, hlordioksid, vodonikperoksid i ozon. Hemikalije, nasuprot fizičkim metodama i nakon obrade imaju uticaj jer se zadržavaju u vodi. Pošto mogu davati nepoželjan

Page 37: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

37 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

priukus vodi i pivu, pre upotrebe bi ih trebalo uklanjati a za tu svrhu se može koristiti filter sa aktivnim ugljem (pogledati sliku 4.4).

4.2.1 Hlor Hlor se obično koristi za dezinfekciju vode za piće. U vodi reaguje formirajući hipohloritne jone. Negativan uticaj hlora je formiranje zagađujućih hlorovanih organskih jedinjenja u vodi, primer su huminske kiseline. Zakonsko ograničenje se zasniva na postavljanju maksimalne granice za jedinjenja kakva su trihlormetani i hlorfenoli. Za otkrivanje ovakvih nepoželjnih produkata hlorisanja koristi se aktivni ugalj. Da bi se izbegla ponovna kontaminacija u aktivnom uglju ne sme biti mikroorganizama, to zahteva periodično pranje na oko 24h propuštanjem pare ili tople vode.

4.2.2 Hlordioksid Odmah na početku trea naglasiti da je hlordioksid eksplozivan gas kad se nalazi pod pritiskom zato se uglavnom nikad ne transportuje, već se proizvodi na licu mesta. Kao proizvod može da se dobije u vodenom rastvoru ili kao gas. Proizvodi se iz kiselog rastvora natrijum hlorita (NaClO2) ili natrijum hlorata (NaClO3). Za proizvodnju ClO2 postoji nekoliko reakcija:

1) 2NaClO2 + Cl2 → 2ClO2 + 2NaCl (reakcija hlorita sa hlorom)

2) 5NaClO2 + 4HCl → 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O (reakcija hlorita sa hlorovodoničnom kiselinom – prilično opasna reakcija)

3) 2NaClO2 + Na2S2O8 → 2ClO2 + 2Na2SO4 (reakcija hlorita sa natrijumpersufatom)

4) 2NaClO2 + HCl + NaOCl → 2ClO2 + 2NaCl + NaOH (reakcija +hlorita sa hlrovodoničnom kiselinom i natrijum hipohloritiom)

Hlordioksid je jako oksidaciono sredstvo i dezinficijent. Prednost je u tome što je smanjeno stvaranje organskih jedinjenja. Pošto se radi o nestabilnom gasu, stvara se na mestu upotrebe mešanjem rastvora natrijumhlorita i hlorovodonične kiseline (reakcija 2) ubrizgavanjem u struju vode (pogledati sliku 4.2 i 4.3) konačne koncentracije između 0.1 i 0.4 mg/l. Da bi se smanjile potencijalne opasnosti u procesu bi trebalo koristiti relativno razređeni rastvore kao 9 % rastvor HCl i 7.5 % rastvor natrijumhlorita. Mada se koriste koncentrovani rastvori kako bi se smanjila cena koštanja i to 30% HCl i 25% natrijumhlorit. Reakciju 2 bi trebalo sprovoditi u kiselim uslovima, da bi se izbeglo formiranje NaCl. Kao jako oksidujuće sredstvo, hlordioksid će uticati na taloženje gvožđa i mangana. Pored njegovog delovanja kao oksidujućeg sredstva, hlordioksid služi i za otklanjanje neprijatnog mirisa. Hlordioksid deluje mnogo brže i ima trajnije dejstvo nego sam hlor. Takođe, hlordioksid je otrovan, obično se razlaže do natrijumhlorida i ne stvara neželjena jedinjenja u vodi.

Page 38: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

38 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 4.2 Hlordioksid Slika 4.3 prikazuje postupak proizvodnje ClO2 kao i sistem njegovog ubacivanja pri obradi vode. Treba napomenuti da bi optimalno vreme zadržavanja vode u tanku posle ubacivanja sredstva bilo oko 15 minuta.

Slika 4.3 Tok dijagram procesa stvaranja ClO2 i sistem ubacivanja

4.2.3 Ozon Ozon je troatomna molekula kiseonika koji se uobičajeno proizvodi prolaskom suvog vazduha ili čistog kiseonika kroz električno polje visokog napona opsega od 6 do 18 kV. Uobičajena oprema podrazumeva: • kompresor za vazduh i sušnicu, • izvor kiseonika iz rezervoara ili iz generatora, • ozon reactor, • rastvaranje ozona uključujući reakcioni tank,

Page 39: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

39 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

• jedinica za razgradnju ozona kako bi se sprečilo njegovo ispuštanje u atmosferu. Koncentracija ozona u gasu iz reaktora je od 2 do 12% u ovisnosti da li se koristi vazduh ili čisti kiseonik. Iz ove smeše 80 do 90 % ozona može biti rastvoreno u vodi, ostatak se mora razgraditi pre ispuštanja u atmosferu. Ozon je jak oksidans i reaguje sa nekoliko organskih i neorganskih supstanci. Ozon takođe deluje kao jako dezinfekciono sredstvo. Uobičajeno je da se ozon koristi za eliminaciju stranog ukusa, odnosno mirisa iz vode i smanjenje boje, naročito u UV oblasti. Ovo je zasnovano na sposobnosti ozona da reaguje selektivno sa onim supstancama, koje prouzrokuju miris i nečistoće u vodi. Ozon takođe oksiduje gvožđe i mangan, i omogućava njihovo uklanjanje filtracijom ili sedimentacijom. Koncentracija ozona na izlazu iz reaktora obično se kontroliše i održava na vrednosti oko 0.4 mg/l. U ovisnosti od kvaliteta obrađivane vode, ozon se dodaje u koncentraciji od oko1 g/m³ vode. Ukoliko se ozon dodaje iz drugih razloga, kao što je odklanjanje gvožđa i mangana, dodaje se nešto više i to znači od 1–3 g/m³, dok vreme odigravanja reakcije mora biti produženo od četiri do oko petnaest minuta. Potrošnja će biti mnogo veća od uobičajene potrošnje od 1-2 g/m³, ako se voda tretira ozonom pre bilo kakve druge obrade. Primenom gore navedenih količina, dolazi do razgradnje dela organskog materijala i smanjenja broja molekula. Ovo znači da će organske materije u vodi biti upotrebljivije za mikroorganizme i povećavnje ukupnog organskog ugljenika, postoji opasnost od porasta mikroorganzama na mestu delovanja. Uobičajeno je da postupak ozonizacije sledi filtracija preko aktivnog uglja, kako bi se smanjio organski ugljenik i uklonio preostali ozon iz vode pre upotrebe. Veoma je važno da se osigura razgradnja ozona u izduvnom gasu pre ispuštanja u atmosferu. Razgradnja se postiže na temperaturi od 350°C. Kod većih pogona ozona, kapaciteta većeg od 200 m³/h zahtevi za energijom se minimiziraju podešavanjem regeneracije toplote. U ispuštenom gasu ne sme biti više od 0.1 mg/l ozona. Energija potrebna za proizvodnju ozona će zavisiti od toga da li se koristi vazduh ili kiseonik za napajanje na određenoj frekvanciji električnog polja. Rad pogona na visokim frekvancijama primera radi 600 Hz, pokazuje porast u proizvodnji ozona i smanjenju potrošnje snage poredeći to sa radom pri standardnoj frekvenciji od 50 Hz. Slede podaci za uobičajenu utroške u pogonu proizvodnje ozona:

• 18 kWh /kg za proizvodnu jedinicu na 50 Hz koristeći vazduh kao sirovina za napajanje,

• 13 kWh/kg za proizvodnu jedinicu na 600 Hz koristeći vazduh kao sirovina za napajanje,

• 6 kWh/kg za proizvodnu jedinicu na 600 Hz koristeći kiseonik kao sirovina za napajanje.

Dodatna snaga će biti zahtevana za dodatne delove opreme na primer kao što su uređaji za sušenje vazduha i kompresori.

4.2.4 Vodonik peroksid Vodnik peroksid je manje reaktivan od ozona. Sastoji se od dva vodonikova i dva kiseonikova atoma. Vodonik peroksid se nakon određenog vremena razlaže u vodi u ovisnosti od uslova, temperature, prisustva aktivnih materija. Dejstvo se može aktivirati UV -svetlom.

Page 40: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

40 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

4.2.5 Tretman aktivnim ugljem Aktivni ugalj je nepolarno apsorpciono sredstvo koje ima sposobnost da “hvata” nepolarne molekule. Specifična površina aktivnog uglja varira između 200 i 3000 m²/g u ovisnosti od sirovine i metode proizvodnje. Najčešće korišćeni aktivni ugalj ima specifičnu površinu između 1000 m²/g i veličinu pora između 30 i 150 Å. Teorijski, cela površina aktivnog uglja bi trebala biti nepolarna, ali usled autooksidacije na površini se formira sloj oksida. Kiseonik koji se vezuje na površini u obliku različitih kompleksa ugljenikovih oksida, čini površinu blago polarnom. Ovo nije nedostatak jer su mnoga organska jedinjenja slabo polarna. Druge promene polarnosti površine mogu se desiti u proizvodnom procesu ili posle tretmana sa ugljem, kiselog pranja ili impregnacije. Ovim metodama apsorpciona sposobnost može biti usmerena prema specifičnom opsegu, gde će ugalj više ili manje apsorbovati određeni tip jedinjenja. Kod tehnologije prečišćavanja vode, aktivni ugalj se uglavnom koristi za prečišćavanje vode sa niskim sadržajem supstanci koje će se apsorbovati, primer za to su organska jedinjenja. Ova tehnika se može koristiti u kombinaciji sa drugim tehnologijama, kao što je otklanjanje nečistoća poput jedinjenja hlora koja su rezultat hemijske dezinfekcije. Tabela 4.1 daje prikaz jedinjenja koja aktivni ugalj bolje ili slabije apsorbuje. Tabela 4.1 Apsorpcione karakteristike pri filtraciji aktivnim ugljem

Supstance koje se dobro apsorbuju Aromatski rastvarači Benzen, toluen, nitrobenzen itd. Hlorovana aromatska jedinjenja Polihlorovani bifenoli, hlorobenzen,

hloronaftalin Fenoli i hlorofenoli Polinuklearna aromatska jedinjenja Acetonaftalin, benzopiren itd. Pesticidi i herbicidi DDT, aldrin, hlordan, BHC – bihlorovani

ugljovodonici, heptahlor itd Hlorovana nearomatska jedinjenja Ugljen tetrahlorid, hloralkil-etri,

heksahlorbutadien, itd Ugljovodonici visoke molekulske mase Boje, benzin, amini, huminske kiseline Supstance koje se slabo apsorbuju Alkoholi Ketoni niske molekulske mase, kiseline i aldehidi

Jedinjenja veoma velike molekulske mase ili koloidna organska jedinjenja

Alifatična jedinjenja male molekulske mase

Page 41: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

41 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Vremenom, ugalj će se zasititi apsorbovanim materijalom. Apsorpciona moć može se povratiti regeneracijom uglja pogodnim medijumom kao što je para pod niskim pritiskom. Takođe upotrebom pare ubijaju se bakterije koje imaju sklonost nagomilavanja na ulazu u filter. Nakon dužeg vremena, neophodno je odstraniti ugalj zbog reaktivacije i sortiranja od strane ovlašćenog dobavljača ili kompanije specijalizovane za taj posao. Slika 4.4 daje prikaz tipičnog filtera sa aktivnim ugljem.

Slika 4.4 Tipičan filtar sa aktivnim ugljem

4.3 Deaeracija Deaeracija se koristi za otklanjanje neželjenih gasova iz vode, na primer, u procesu proizvodnje piva. U procesima proizvodnje piva najčešće se primenjuje otklanjanje kiseonika iz vode pri fermentaciji donjeg vrenja. Deaeracija se obično izvodi prolaskom inertnog gasa ili pare kroz vodu. Uobičajenim metodama deaeracije je moguće smanjiti sadržaj kiseonika ispod 0.05 mg/l. Uređaj za izdvajanje gasa, obično sadrži pakovanu kolonu kroz koju se voda cedi nadole i sreće sa inertnim gasom koji struji nagore. Da bi se postigla ravnoteža, kiseonik prelazi iz vodene faze u gasnu (pogledati sliku 4.5) Posredstvom pakovanja kolone prenošenje gasa se poboljšava zbog velike kontaktne površine tečnosti i gasa. Osim inertnog gasa, para se može iskoristiti za podizanja temperature a tada je rastvorljivost kiseonika u vodi veoma niska i proces uklanjanja kiseonika veoma brz. Potrošnja energije je takođe velika, primena visoke temperature znači da je voda toplotno obrađena kao i deaerisana.

Page 42: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

42 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 4.5 Uređaj na principu prolaska gasa za deaeraciju vode Druga mogućnost je upotreba deaeracionih grejača, koji rade pri višoj temperaturi i pritisku zasićene pare što dozvoljava prenos neželjenih gasova u parnu fazu. Alternativno, može se koristiti smanjen pritisak tamo gde se pritisak vode na određenoj temperaturi smanjuje blizu pritisku zasićene pare. Pod ovim uslovima, neželjeni gasovi zajedno sa malom količinom vode isparavaju i mogu se odstraniti vakum pumpom. Druga tehnološka metoda koja dobija na značaju je odvajanje membranom. Membrane sa velikom propustljivošću za neželjene gasove dovode se u kontakt sa vodom. Gas se propušta iz tečnosti direktno kroz poroznu membranu u gasnu fazu (pogledati sliku 4.6) Odvajanje je veoma selektivno zbog visoke propustljivosti membrane za ove gasove.

Slika 4.6 Deaeracija pomoću membrane

Page 43: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

43 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

5 PRAKTIČNA PRIMENA OBRADE VODE

5.1 Uopšteno Neke industrije koriste sopstvene podzemne izvore, vode iz bunara, površinske vode reka ili jezera, kao i obrađenu vodu obično iz gradskih pogona za obradu vode. Podzemne vode obično nisu zagađene i mogu se koristiti uz jednostavnu obradu. Slede primeri posebnih metoda obrade koji se koriste u proizvodnji vode iz različitih izvora. Voda za piće iz gradskih pogona za obradu vode često se direktno koristi u prehrambenoj industriji. Obrada vode vrši se prema standardima za proizvodnju vode za piće koji su obično prilagođeni određenim proizvodnim procesima. Izvori pitke vode mogu biti površinski ili podzemni. Problemi nastaju ako je sirova voda lošeg kvaliteta. Voda iz gradskih pogona za obradu vode obično je dezinfikovana hlorisanjem, što može proizvesti miris i ukus koji se prenosi i u gotov prehrambeni proizvod, pa se stoga moraju odstranjivati iz vode. Ovo je naročito važno u proizvodnji piva i bezalkoholnih pića. Problemi se javljaju kao rezultat delovanja hlora na huminske kiseline kojih ima u tragovima u obrađenoj vodi, a koje su inače uvek prisutne u kiselim površinskim vodama.

5.2 Obrada podzemne vode

5.2.1 Podzemna voda dobrog kvaliteta Podzemna voda dobrog kvaliteta obično zahteva samo aeraciju po principu kaskada ili u tornju za aerisanje, kako bi se povećao sadržaj kiseonika u vodi i uklonilo svo gvođže. Aerisana voda se sakuplja u tank i dezinfikuje pre upotrebe oksidantom kakav je ozon. Ukoliko je gvožđe prisutno u količini od 1-2 mg/l, sirova voda se filtrira kroz peščane filtre.

Slika 5.1 Obrada podzemne vode dobrog kvaliteta

Page 44: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

44 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

5.2.2 Podzemna voda koja pored komponenata tvrdoće sadrži gvožđe i mangan

Ako podzemna voda sadrži gvožđe i mangan u visokoj koncentraciji i/ili prolaznu tvrdoću potrebno je i više procesa obrade. Voda se prvo aeriše u kaskadama ili u aeracionom tornju. Da bi se odstranio mangan u vodu se uvode kalijum - permanganat, ozon i hlor. Kreč se obično koristi za otklanjanje prolazne tvrdoće. Hladni kreč - soda postupak može se primeniti za uklanjanje stalne tvrdoće. Iako su razvijene i membranske metode češća je upotreba izmenjivača jona uz katjonsku smolu regenerisanu u Na – oblik. Izvodi se flokulacija vode, a talog se odstranjuje bistrenjem ili putem peščanih filtara, kontroliše se pH a za dezinfekciju dodaje ozon. Slika 5.2 prikazuje metodu obrade podzemne vode koja sadrži gvožđe, mangan i komponente tvrdoće.

Slika 5.2 Obrada podzemne vode koja sadrži komponente tvrdoće, gvožđe i mangan

5.2.3 „Veštačke“ podzemne vode Površinska voda iz jezera ili reka može prolaziti kroz zemlju, posebno gde dominiraju prirodni slojevi peska i šljunka kuda voda polako prolazi u zemlju formirajući izvore veštačke podzemne vode. Tlo će imati ulogu peščanog filtera a mikrobiološkom aktivnošću tla odstraniće se gvožđe, mangan i nitrati. Mada se može desiti da se neki od ovih elemenata reasorbuje ukoliko su prisutni u dubljim slojevima šljunka ili stena.

Page 45: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

45 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

5.3 Obrada površinske vode

5.3.1 Površinska voda dobrog kvaliteta Površinska voda dobrog kvaliteta može da sadrži suspendovane čestice i takođe nešto organskih materija, koje mogu biti odstranjene hemijskim tretmanom. Sezonsko opterećenje čvrstim suspendovanim materijama u obliku čestica finog mulja je uobičajeno, prvo se odstranjuje u pogonu za odmuljivanje ili u taložniku, posle čega se vodi dodaju hemijski flokulanti kakvi su soli aluminijuma ili gvožđa. Tako se u tanku za flokulaciju od čestica mulja stvaraju flokule. Veće flokule se mogu odvajati u uređaju za bistrenje dok se finije odstranjuju na peščanom filtru.Voda se dezinfikuje oksidirajućim sredstvima kao što je ozon. Slika 5.3 daje prikaz metode obrade površinske vode dobrog kvaliteta.

Slika 5.3 Obrada površinske vode dobrog kvaliteta

5.3.2 Površinske vode sa organskim zagađenjem Površinske vode mogu sadržavati komponente organskog zagađenja u količini da je potrebna filtracija preko aktivnog uglja. Veliko sezonsko opterećenje čvrstim suspendovanim materijama se odstranjuje u posebnoj jedinici ili taložniku, hemijske supstance se uz brzo mešanje dodaju u tank a hemijski talog se sakuplja u tanku za flokulaciju. Polielektrolit se dodaje da pospeši taloženje pre nego voda uđe u uređaj za bisternje, posle toga se voda filtrira kroz peščane filtere. Ozon se dodaje kako bi se razložila organska jedinjenja pre filtera sa aktivnim ugljem. Posle filtera sa aktivnim ugljem, vrši se dezinfekcija vode ozonom. Slika 5.4 daje prikaz metode obrade površinske vode uz prisustvo organskih zagađivača.

Page 46: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

46 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Slika 5.4 Obrada površinske vode koja sadrži organsko zagađenje

5.4 Posebna obrada

Sirova voda sadrži hloride, nitrate, fluoride a ta jedinjenja nije lako odstraniti, kao i druga jedinjenja koja nije moguće odstraniti uobičajenim procesima obrade pa se primenjuju jonski izmenjivači, elektrodijaliza, reversna osmoza, ultrafiltracija i isparavanje. Jonski izmenjivači, elektrodijaliza, reverzna osmoza i isparavanje su alternativni procesi i izbor zavisi od specifičnosti uslova. Elektrodijaliza se obično koristiti kada je velika koncentracija rastvorenih čvrstih komponenti. Nitrati, fluoridi i hloridi mogu se odstraniti reversnom osmozom i jonskim izmenjivačima. Natrijum se takođe može odstraniti reversnom osmozom, jonskim izmenjivačima i isparavanjem. Huminske kiseline se mogu odstraniti preko aktivnog uglja posle tretmana ozonom. Fenoli se mogu odstraniti pomoću filtera sa aktivnim ugljem. Teški metali kao što su kadmijum i hrom mogu se odstraniti taloženjem pomoću kreča, kao i uz pomoć filtera sa ugljem a u krajnjem slučaju jonskim izmenjivačima. Olovo se takođe može odstraniti taloženjem pomoću kreča i upotrebom jonskih izmenjivača. Tabela 5.2 daje sumiran prikaz obrade vode koji se zahteva za odstranjivanje glavnih kontaminirajućih materija prisutnih u vodi.

Page 47: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

47 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Tabela 5.2 Tabela prikazuje metode odstranjivanja najčešće prisutnih kontaminirajućih materija u vodi

Page 48: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

48 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

5.4.1 Voda za laboratorijske svrhe Voda za laboratorijske svrhe može da se dobije na nekoliko načina, a li se obično počinje od česmenske vode. Kvalitet česmenske vode je vrlo promenjliv i kada treba da se upotrebljava za laboratorijske svrhe mora prethodno da se prečisti.

Česmenska voda obično sadrži suspendovane čestice (organske i/ili neorganske prirode) i rastvorne soli i jedinjenja organskog i/ili neorganskog porekla koje mogu značajno da utiču na hemiski eksperiment, analitički postupak ili sintetički poduhvat. Na primer, samo neorganske soli, kojih u vodi ima od 300 ppm pa naviše, u vodi generišu provodljivost od oko 600 μS/cm (mikroSimensa po santimetru). Propisani i opšte prihvaćen standard o kvalitetu laboratorijske vode je dalo Američko društvo za testiranje i materijale (American Society for Testing and Materials - ASTM) koje laboratorijsku vodu deli u tri tipa:

• Tip III: voda koja je dobra za pranje laboratorijskog posuđa, s tim što poslednje ispiranje sudova mora biti sa vodom s kojom će se raditi određeni eksperiment ili postupak.

• Tip II: voda koja se koristi za eksperimente u biomedicini (histohemija, imunohemija)

• Tip I: voda koja se koristi za analitičke svrhe, kliničku hemiju, elektzroforezu i slično.

Pored ovih tipova vode koristi se i čistija voda za specijalne svrhe, pre svega za naučno-istraživački rad i za nju nema standardnih propisa.

Tabela 5.3 Specufikacija za laboratorijsku vodu prema ASTM standardu

ASTM Tip vode I II III

Provodljivost na 25°C (μS/cm) 0,056 1,0 0.25 Otpornost na 25°C (MΩxcm.) 18,2 1,0 4,0 Ukupni SiO2 (μg/L) 3 3 500 Ukupni organski ugljenik, TOC (μg/L) 50 50 200 Cloridi (μg/L) 1 5 10 Natrijum (μg/L) 1 5 10

5.4.2 Čistoća vode izražena preko provodljivosti i otpornost U osnovi provodljivost je mera elektroprovodljivosti vode na 25°C izražena u Simensima ili mikroSimensima na santimetar (μS/cm). Što je manje rastvorernih neorganskih soli u void to je provodljivost (konduktanca) manja, odnosno voda je čistija. Najčistija voda prema ASTM standard je voda tipa I koja ima provodljivost 0,056 μS/cm.

Otpornost vode je mera električne otpornosti vode izražena u Omima ili mikroOmima na santimetar (MΩ*cm). Što je manje rastvoerenih neorganskih soli u void to je otpornost vode

Page 49: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

49 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

veća, pa samim tim je veća i njena čistoća. Najčistija voda prema ASTM standard je voda tipa I koja ima otpornost 18,2 MΩ*cm.

Provodljivost i otpornost vode se nalaze u obrnutoj srazmeri, recipročna vrednost provodljivosti je otpornost:

Provodljivost = 1/Otpornost (0,055 = 1/18,2).

5.4.3 Kako da prečistiti vodu za laboratorijske svrhe Ni jedna metoda za prečišćavanje vode ne može da proizvede laboratorijsku vodu očišćenu od svih kontaminanata. Samo kombinacija efektivnih i ekonomičnih metoda može da proizvede laboratorijsku vodu zadovoljavajućeg kvaliteta. Za proečišćavanje vode korisiti se nekoliko metoda (metode su poređane od jeftinijih ka skupljim): (1) primarni tretman – filtracija, (2) UV foto-oksidacija, (3) tretman na jonoizmenjivačkim smolama, (4) membranska filtracija, (5) ultrafiltracija (6) reversna osmoza, (7) destilacija i (8) redestilacija. U tabeli 5.4 dat je opis efikasnosti pojedinih metoda.

Tabela 5.4 Kontaminanti i efikasnost metode prečišavanja

Šta se odstranjuje

Primarni tretman – filtracija na aktivnom uglju

Reversna osmoza

Jono izmenji vački tretman

Ultra- filtracija

UV foto- oksidacija

Membranska filtracija

Destilacija

Hlor Odlično Odlično

Ca / Mg Dobro Odlično Odlično

Krupne čestice

Odlično Odlično Odlično

Fine čestice Odlično ¹ Odlično ¹ Odlično Odlično

Bakterije Odlično Odlično Odlično Odlično Odlično

Virusi Odlično Odlično Dobro Odlično

Nukleaze ² Dobro ² Odlično ² Odlično ² Odlično

Pirogeni Odlično Odlično Odlično

Rastvorne neorganske soli

Odlično Odlično Dobro do Odlično

Rastvorne organske supstance

Dobro Dobro Dobro Dobro Dobro do Odlično

Rastvoreni gasovi

Odlično Dobro Dobro

¹ Mogu da zaguše uređaj za prečišćavanje ² Za ovaj slučaj kombinacija označenih metoda je naefikasnija, pojedinačno nisu najbolje

Page 50: PROCESI PRERADE I DORADE VODE - chem.bg.ac.rsgrzetic/predavanja/Hemija voda i otpadnih voda... · 1 OPŠTI DEO Voda je neophodna sirovina u industrijskoj proizvodnji, energetici,

50 Ivan Gržetić, beleške za predavanja - Predmet: Hemija voda i otpadnih voda

Primarni tretman ili pred tretman – najčešće se primenjuje kod jako tvrdih voda ili tehničke vode primenom jonoizmenjivačkih kolona i korišćenjem aktivnog uglja radi uklanjanja hlora, neorganskih soli i nečistoća organskog porekla. Destilacija – najstariji poznat metod za pripremu laboratorijske vode, ali i vrlo skup. Troši mnogo toplotne energije i troši mnogo vode za kondenzaciju vodene pare. Ovakva voda se koristi u laboratorijama manjih kapaciteta i za uobičajene analitičke postupke, ali ako su zahtevi analitike visoki i koriste se hemikalije visoke čistoće (chromatografic grade) obična destilovana voda nije pogodna jer je „prljava“. Redestilacija - poznat metod za pripremu laboratorijske vode visoke čistoće, ali i najskuplji. Kao i destilacija troši mnogo toplotne energije i troši mnogo vode za kondenzaciju vodene pare. Ovakva voda se koristi u laboratoriskim postupcima gde su zahtevi za čistoću vode i hemikalija vrlo visoki kao u analitičkim laboratorijama, molekularnoj biologiji ili mikrobiologiji. Reversna osmoza (RO) – je postala nezaobilazna metoda za prirpemu laboratorijske vode. Iako ova metoda nije efikasna kao jonoizmenjivačka priprema vode ona se koristi jer je jeftina i jer se uređaj za RO lako čisti i ponovo koristi. Ova metoda se često nadopunjuje tretmanom vode sa UV zračenjem (254nm) koje vrlo efikasno eliminiše sve žive mikroorganizme. Često se RO i UV tretman koriste kao predtretman za pripremu ultračiste vode. Dejonizacija – je vrlo efikasan metod za uklanjanje svih vrsta soli iz vode. U slučaju pripreme ultračiste vode koristi se upravo ova metoda, a kao ulazna voda koristi se prethodno pripremljena voda metodom RO i UV ili destilovana voda. Primenom jonoizmenjivačkih smola koje su pripremljene baš u svrhu pripreme ultračiste vode postiže se elektroprovodljivost od svega 0.055 μS/cm. Ultračista voda se nakon toga prečišćava sa aktivnim ugljem da bi se odstranile organske suspstance čija koncentracina ne sme da pređe 10 ppb organskog ugljenika mereno TOC-em (TOC – uređaj za merenje ukupnog organskog ugljenika – Total Organic Carbon). Ovako pripremljena voda koristi se za finalno ispiranje staklarije i za analitičke potrebe, na primer, za AA, HPLC, ICP, GC, TOC i slično. Ultrafiltracija – je poseban tretman vode značajan za biomedicinske laboratoriske svrhe jer uklanja bakteriske toksine, makromolekule, viruse, bakterije ili koloidne čestice. Ovakva voda se često koristi za elektroforezu ili za uzgajanje laboratoriskih kultura. UV foto-oksidaciaja – poseban postupak sa UV lampom (185/254nm) koji je vrlo efikasan kod uništavanja (oksidacije) malih organskih molekula bakterija i virusa. Posledica ovakvog tretmana vode je da se dobija voda sa mane od 5 ppb organskog ugljenika mereno TOC-em. Sterilizaciona filtracija – poseban vid ultrafiltracije koji otklanja sve čestice, viruse i bakterije koje su veći od 0.2μm. Za ovaj postupak se koristi dejonizovana voda tip I (18.2 MΩcm). Kod donošenja odluke koji tip vode vam treba uvek vodite računa, na prvom mestu, za šta vam laboratoriska voda treba, na drugom mestu, koliko vam takve dode treba, a tek na trećem mestu koliko sve to košta.