Filtracja kontaktowa wodorowęglanu żelaza – proces uzdatniania wody
- Szczegóły
Filtracja jest jednym z najważniejszych procesów uzdatniania wody, który pozwala na usunięcie zanieczyszczeń mechanicznych o rozmiarze 0,0001 cm. Ma zastosowanie zarówno do oczyszczania wód surowych, jak i wstępnie uzdatnionych. Jakość filtratu zależy od rodzaju zanieczyszczeń, konstrukcji urządzeń filtrujących, rodzaju materiału filtracyjnego, liniowej prędkości przepływu wody oraz wysokości złoża.
Procesy zachodzące podczas filtrowania mają złożony charakter. Proces mechaniczny polega na zatrzymywaniu makro-zawiesin, gdzie średnica porów złoża powinna być mniejsza od wymiarów zawiesin. Działanie adsorpcyjne i kontaktowe wiąże się z uaktywnieniem powierzchni ziaren złoża. Procesom adsorpcji sprzyjają silnie porowata powierzchnia materiału filtrującego, mała średnica zatrzymywanych cząstek, obniżona temperatura wody, zwiększone ciśnienie i optymalna prędkość przepływu wody. Podczas filtracji na niektórych filtrach zachodzą również procesy biochemiczne dzięki obecności w złożu mikroorganizmów i bakterii.
Elementy składowe filtrów
Podstawowe elementy każdego filtru stanowią: sieć drenażowa, warstwa podtrzymująca złoże, złoże filtracyjne właściwe oraz obudowa filtru.
- Sieć drenażowa stanowi dolną część filtru i ma za zadanie równomierne odprowadzenie filtratu. Służy również do okresowego płukania filtrów pospiesznych, gdzie do rur rozdzielczych wprowadza się wodę płuczącą, która jest kierowana na filtr od dołu.
- Warstwa podtrzymująca złoże składa się z podkładu żwirowego o grubości warstwy od 0,2 do 0,6 m i zróżnicowanym uziarnieniu. Dolną część ułożoną na drenażu stanowi ziarno największe o średnicy ok.
- Złoże właściwe składa się z materiału filtracyjnego o zróżnicowanym uziarnieniu, odpornego na czynniki chemiczne i mechaniczne (piasek kwarcowy, rozdrobniony marmur, antracyt, koks, piasek rzeczny). Najczęściej stosuje się piasek o wymiarze czynnym d10 = 0,7 - 0,8 mm.
Rodzaje filtrów
Wyróżnia się różne rodzaje filtrów, w zależności od ich konstrukcji i przeznaczenia:
- Prefiltry wypełnione są piaskiem gruboziarnistym lub żwirem.
- Filtry powolne to wielkie prostokątne komory betonowe otwarte lub kryte, wypełnione od dołu masą filtracyjną (żwirem) o wysokości 0,3 do 0,5 m i piaskiem o wysokości 0,3 m. Na tej warstwie znajduje się złoże właściwe składające się z piasku o wymiarze czynnym od 0,25 do 0,45 mm i współczynniku nierównomierności mniejszym od 3, wysokość złoża wynosi od 1 do 1,2 m, wysokość wody nad złożem 1,2 m, szybkość filtracji od 0,1 do 0,3 m/h.
- Filtry pospieszne stosuje się do ostatecznego filtrowania mętnych wód po koagulacji, w procesie odżelaziania i odmanganiania wody, jako I stopień oczyszczania wody surowej przy filtracji dwustopniowej, do filtrowania wody dla celów przemysłowych po zabiegach chemicznego uzdatniania. Ich wydajność filtrowania jest nieporównywalnie wyższa niż filtrów powolnych, choć osiągany stopień oczyszczania jest niższy.
Filtry pospieszne dzielą się pod względem konstrukcji na otwarte (grawitacyjne) i zamknięte (ciśnieniowe), przy czym te ostatnie mogą być pionowe lub poziome. Filtry pospieszne zamknięte mają kształt cylindryczny i są wykonane z grubej blachy stalowej. Warstwa filtracyjna składa się z piasku i żwirku o różnej granulacji (0,5-0,8mm, 3-5 mm, 5-25 mm). Złoże filtracyjne ma wysokość 0,8 - 2,0 m. Pracują one pod ciśnieniem 4 - 6 ata. Szybkość filtracji wynosi 10 - 16 m/h.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
- Filtry wielostrumieniowe charakteryzują się większą szybkością filtracji.
- Filtry super-pospieszne mają dużą prędkość filtrowania (do 100 m/h).
- Filtry kontaktowe łączą filtrację z koagulacją.
- Filtry namywane posiadają cienką warstwę masy filtracyjnej złożonej z substancji powierzchniowo-czynnej naniesioną na konwencjonalny materiał.
- Filtry suche to specjalny przypadek filtrów pospiesznych, w których woda przesącza się przez suche złoże filtracyjne.
Koagulacja
Najdrobniejsze zanieczyszczenia (cząstki gliny, bakterie, glony, koloidowe substancje humusowe) można usunąć w procesie koagulacji, który polega na dodaniu do wody określonych substancji chemicznych, wytrącających się w postaci kłaczkowatych, łatwo opadających zawiesin. Koagulacja polega na przejściu pseudo-roztworu koloidowego zwanego zolem w żel.
Odżelazianie wody
Związki żelaza w wodzie mogą pochodzić z różnych źródeł, takich jak grunt, zanieczyszczenia ściekami, korozja żelaznych zbiorników i przewodów. Wody żelaziste mają szereg ujemnych cech, w tym nieprzyjemny zapach i smak, skłonność do osadzania szlamów w rurociągach, pozostawianie plam na tkaninach i porcelanie, oraz ujemny wpływ na jakość produktów spożywczych. Woda do picia nie powinna zawierać więcej niż około 0,3 mg/l żelaza.
Odżelazianie wody można realizować na drodze napowietrzania i filtrowania, napowietrzania, nawapniania i filtrowania, lub koagulacji. O wyborze metody decydują pochodzenie wody, skład fizyczno-chemiczny wód naturalnych, ilość i rodzaj występujących związków Fe.
- Napowietrzanie i filtrowanie: Metodę stosuje się do wód wgłębnych, nie zawierających tlenu. Odżelaziacze ciśnieniowe mogą być jednostopniowe (dla zawartości Fe poniżej 2mg/l) lub dwustopniowe (gdy żelaza jest powyżej 2mg/l), ich budowa przypomina filtry ciśnieniowe.
- Nawapnianie pozwala zmniejszyć ilość Fe do 0,1 - 0,2 mg/l. Stosuje się do tych wód, gdzie są obecne związki koloidowe lub drobne zawiesiny Fe(OH)3, Fe(OH)2, FeS, koloidowe związki organiczne np. związki humusowe. pH powinno być utrzymywane w zakresie 5,7 - 7,5.
Odmanganianie wody
Mangan może występować w postaci wodorowęglanu lub siarczanu, a także w postaci związków organicznych. Występuje on zawsze obok żelaza. Podczas gotowania na powierzchni tworzy się kożuszek. Według higienistów zawartość związków manganu w większych ilościach jest szkodliwa dla zdrowia człowieka.
Twardość wody i kamień kotłowy
Woda do celów przemysłowych musi być zmiękczana, tj. pozbawiona częściowo lub całkowicie składników powodujących twardość. Z chemicznego punktu widzenia kamień kotłowy to węglan wapnia (CaCO3). Jest to biała substancja krystaliczna, trudno rozpuszczalna w wodzie.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Osadzanie się kamienia jest niekorzystne, ponieważ stwarza warunki korozyjne, a co za tym idzie wpływa więc na szybsze niszczenie rur i urządzeń. Kamień, osadzając się na rurach, zmniejsza ich przekrój, co jednocześnie powoduje zwiększenie prędkości wody - oba te czynniki wpływają na większe opory przepływu. Większe opory przepływu oznaczają większe spadki ciśnienia. Może się więc okazać, że woda nie dopływa w wystarczającym stopniu do wszystkich odbiorców.
Woda wodociągowa, z założenia, jest wodą spełniającą normy wody przeznaczonej do picia. Jest już wodą uzdatnioną. W Polsce najwyższa dopuszczalna twardość ogólna w wodzie do picia wynosi 28°dH (stopni niemieckich). Średnia twardość wody wodociągowej w Polsce wynosi 18°dH.
Fizyczne oczyszczanie wody
W wodzie poddanej fizycznemu oczyszczaniu wody zahamowana zostaje krystalizacja węglanów (głównie kalcytu) w wyniku zainicjowania konkurencyjnego procesu, aktywacji koloidalnego roztworu krzemionki, która następnie absorbuje jony wapnia, magnezu i innych metali i wytrąca się jako bezpostaciowy skoagulowany aglomerat (aragonit).
Ważnym aspektem staje się rozpuszczony w wodzie kamień kotłowy. Rozpuszczony kamień - wodorowęglan wapnia - dysocjuje do jednego, dodatnio naładowanego jonu Ca2+ i dwóch jonów wodorowęglanowych HCO3-. Każdy z jonów otoczony jest „klatką” cząsteczek wody: cząsteczki wody otaczają jon wapniowy w ten sposób, że atomy tlenu są skierowane w stronę jonu wapniowego, natomiast wodoru skierowane są na zewnątrz. Jon wodorowęglanowy jest otoczony cząsteczkami wody w ten sam sposób, z tym, że atomy tlenu są skierowane na zewnątrz.
Wyindukowane zmienne pole elektryczne oddziałuje na jony i na grupy zawarte w wodzie powodując poruszanie się ich w rurze we wszystkich kierunkach. Oscylacje pola elektrycznego powodują oscylacje materii, które rozprzestrzeniają się osiowo (wzdłuż rury). Z fizycznego punktu widzenia jest to podłużna fala mechaniczna. Obszary zwiększonego ciśnienia i ciśnienia ujemnego przeplatają się, co powoduje lokalną adsorpcję CO2.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
tags: #filtracja #kontaktowa #wodorowęglanu #żelaza #proces
