Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák I.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

20. fejezet - Ioncsere és oxidáció

20. fejezet - Ioncsere és oxidáció

Bevezetés

Az ioncsere régóta alkalmazott eljárás a vízkezelésben. Azt gondolom, kevés olyan ember él hazánkban, aki nem hallott volna az ioncserélt vízről. A neve alapján is gondolhatjuk, hogy ioncsere eljárással készül.

A háztartásban a takarítás során is több olyan vegyületet használunk, ami az oxidáció elvét alkalmazza, amikor megtisztítunk vele valamit. Azt gondolom a hipo is ismert sok ember számára, ami egy régóta használt oxidálószer.

Ebben a tanulási egységben az ioncsere és az oxidáció elvét és gyakorlat megvalósítását mutatjuk be.

Követelmény

  • Ismerje az ioncsere elméletét, fizikai, kémiai alapjait!

  • Tudja alkalmazásának helyét, feltételeit!

  • Ismerje a típusokat, tudja a gyakorlatban alkalmazni azokat!

  • Tudja az oxidáció kémiai alapjait, az egyes oxidálószerek folyamatait!

  • Tudja gyakorlati kivitelezésüket!

Ioncsere

Az ioncsere eljárása a XX. század elejétől ismert, de a gyakorlatban az 1940-es évektől (a műgyanta ioncserélő töltetek megjelenésével) terjedt el, elsősorban az ipari vizek kezelésénél.

Az ioncserélődés a természetben is lejátszódó folyamat. Az ioncserének fontos szerepe van az élő szervezetben és a talajban is. Régebben több természetes anyagot is alkalmaztak az ioncserélő oszlopok tölteteként (pl. zeolit, cellulóz), ezt követően szulfonált természetes szeneket alkalmaztak, jelenleg az ioncserélők nagy része műgyanta alapú, vázuk sok esetben polisztirol és divinilbenzol kopolimer (pl. Varion gyanták). A kationcserélő gyanták általában szulfonsav-csoportokat, az anioncserélők rendszerint negyedrendű ammónium- vagy egyéb amin-csoportokat tartalmaznak.

Működési alapelv

Az ioncsere (ionkicserélődés, ioncsere adszorpció) a szilárd fázis (az ioncserélő műgyanta töltet) és a folyékony fázis (a tisztítandó víz) határfelületén lejátszódó reverzibilis (visszafordítható) kémiai folyamat. Az ioncserét az adszorpciós folyamatok közé soroljuk. Ez esetben azonban nemcsak fizikai kötésről van szó a szorbens felülete és a komponens közt (pl. Van-der Waals erők, hidrogén hidak létesülése), hanem kémiai kötésről is. Az ioncserélők ugyanis olyan szilárd anyagok, amelyek pozitív vagy negatív töltésű ionos csoportokat tartalmaznak és az azokhoz kapcsolódó, szabadon mozgó ionjaikat képesek más, azonos töltésű ellenionokkal kicserélni.

Az ioncsere egyenértékű mennyiségek reverzibilis reakciója:

Kationcsere esetén (pl.: Na+ ciklusú gyanta:

Anioncsere esetén legelterjedtebb a klorid- vagy hidroxid ciklusú ioncsere, pl.:

Az ioncserélők alkalmazásakor a víz sótartalma összességében nem, csak összetételében változik. Az ioncserélők alkalmazásának előnye a folyamat reverzibilitása, vagyis az ioncserélők a használatot követően regenerálhatóak és újra felhasználhatóak. Előnyük továbbá az, hogy alkalmazásuk során a víz egyéb komponenseinek a koncentrációját alig változtatják meg.

A kicserélődő ionok mennyisége függ:

Az ioncserélő gyanták híg vizes oldatokban a jelenlévő ionok közül nagyobb arányban cserélik le ionjaikra (szelektivitás):

  • az azonos vegyértékű ionok közül a nagyobb atomtömegűt,

  • az eltérő vegyértékűekből a nagyobb vegyértékűt,

  • a nagyobb aktivitási koefficiensűt.

  • vízben lévő anyag(ok) koncentrációjától,

  • az oldott ionok minőségétől,

  • az oldat pH-jától.

Ha az ioncserélő berendezésen olyan vizet vezetünk keresztül, amelyben az ioncserélő műgyanta töltetben lévő ionokkal megegyező töltésű ionok találhatók, akkor a vízben és az ioncserélő töltetben lévő ionok kicserélődnek.

Az ioncserélők csoportosítása

Az ioncserélő berendezéseket a műgyanta töltet ion-minősége szerint csoportosíthatjuk.

  • A kation cserélők pozitív töltésű ionokat (hidrogén- és más egy vegyértékű fém ionokat, pl. nátrium iont) tartalmazó műgyanta töltetanyaggal rendelkező berendezések, amelyek kationjai a vízben lévő más kationokkal képesek kicserélődni.

  • Az anion cserélők negatív töltésű ionokat (pl. hidroxil- vagy klór ionokat) tartalmazó műgyanta töltetanyaggal rendelkező berendezések, amelyek anionjai a vízben lévő más anionokkal képesek kicserélődni.

Az ioncserélők két fő csoportján belül (kation cserélők és anion cserélők) megkülönböztetünk még két csoportot.

A kation cserélők lehetnek:

  • erősen savas kation cserélők,

  • gyengén savas kation cserélők.

Az anion cserélők lehetnek:

  • erősen savas anion cserélők,

  • gyengén savas anion cserélők.

A szelektivitás (mely jellemző kation- és az anion cserélőkre is) az ioncserélő gyantának az a tulajdonsága, hogy a különböző ionokat különböző erősséggel köti meg (vagyis a vízben lévő ionok közül az egyik iont a másikkal szemben „előnyben részesítheti” a lecseréléskor).

A szelektivitás erőssége egy tizenötös skálán adható meg, vagyis igen nagy különbségek lehetnek az egyes ionok lecserélésének „hajlandóságában”.

A kationcserélő gyanták elsősorban az alkáliföldfém ionokra szelektívek, az anioncserélő gyanták a nitrát- és a szulfátionokra. Egyes egyvegyértékű kationok megkötésére ezért a víztisztításban az ioncserélő gyantáknál szelektívebb sajátságú zeolitokat használják fel. A zeolitok alumínium-szilikát ásványok, speciális Si-O gyűrűk övezte csatornás szerkezetűek, rácsüregük miatt molekulaszitáknak nevezik őket. Ammónium- és nehézfém-ionok eltávolítására egyaránt alkalmasak. Általában e célokra Na-ionállapotú (NaCl-dal előkezelt) zeolitszemcséket alkalmaznak.

A zeolittal történő ioneltávolításkor, ha a vízben együttesen vannak a nehézfém ionok és NH4+-ionok jelen, a szelektivitási sorrend az egyes kationokra pl. a következő:

A zeoliton megkötődő teljes NH4+ mennyiség - az alábbi reakcióegyenlet szerint - kétvegyértékű fémionokra cserélődik ki:

A vízben mikroszennyezőként előforduló fémionok közül a Cd2+ , Cu2+ , Zn2+ , Cr3+ , Co2+ és Ni2+ hatékony eltávolítására is alkalmas a zeolitok közül a Na-ionállapotú klonoptilolit (zeolitfajta, jellemző kémiai formulája Na6/AlO2)6 (SiO2)3 24 H2O).

Anionok kicserélésére továbbra is a műgyanták használatosak. Ezek abból a szempontból is előnyösek, hogy az ioncsere előtt a vízből csak a lebegőanyagokat kell eltávolítani azért, hogy ne rakódjanak le a gyanta felületén. Anioncsere esetén a szelektivitás sorrendje a gyantatípustól függ a következő módon:

  • erős bázisú gyantára a szelektivitási sorrend:

  • gyenge bázisú gyantára:

A fentiekből kitűnik, hogy a nitrát-ionokat gyakorlatilag csak a náluk kevésbé szelektíven, vagyis gyengébben kötődő klorid- vagy hidrogén - karbonát-ionokra lehet kicserélni.

Az ioncsere reakcióegyenlete: (R+ : gyanta)

Hátránya, hogy az ioncserélt víz kloridion tartalma a kloridciklusú csere során megnő. Környezetkímélő, de drágább megoldás a hidrogén-karbonát ciklusú anioncsere. Alapegyenlete:

Az ún. kloridciklusú anioncsere esetében az ioncserélőt kloridionokkal telítik, és regenerálásához nátrium-klorid-oldatot használnak. A hidrogén-karbonát ciklusú anioncsere alkalmazásakor a gyanta regenerálása nátrium-hidrogénkarbonáttal, vagy kalcium-karbonáttal és szén-dioxiddal történhet. A hidrogénkarbonát ciklusú ioncsere abból fakad, hogy a kicserélendő anion (a vízben levő szulfát, nitrát stb.) helyére a vizeinkben nagy mennyiségben előforduló, egészségügyileg valamint egyéb tulajdonságok szempontjából sem káros, hidrogénkarbonát-ion kerül. Mindkét ioncserélő alkalmazásakor a víz sótartalma összességében nem, csak összetételében változik, és regenerálásuk során tekintélyes mennyiségű sótartalmú oldat (regenerátum) termelődik.

Az ioncsere folyamatok sebességét különféle részfolyamatok szabják meg, pl. keveredés, anyagátmenet a folyadék-szilárd fázis között, pórusdiffúzió. Az ioncsere is, mint az adszorpciós eljárások általánosságban, kétféleképpen valósítható meg: szakaszos és folyamatos eljárással. A szakaszos eljárás során az ioncserélőt kevertetik a tisztítandó oldatban, majd attól elválasztják. A folyamatos eljárás kedvezőbb; az ioncserélő ionmegkötő-képességének jobb kihasználása mellett (nagyobb hatékonyság) a regenerálás is gazdaságosabb. Ez esetben oszlopba töltik az ioncserélő szemcséit, ezen bocsátják át a tisztítandó vizet.

A tisztítás hatékonyságáról az idő függvényében az átfolyó oldatban meghatározott komponens-koncentráció tájékoztat. A folyamatot az áttörési görbe jellemzi, amely hasonló a GAC eljárás bemutatásánál leírtakhoz.

Az ioncserélőt és az ioncsere folyamatot jellemző adatok közül lényeges az ioncserélő teljes (összes) kapacitásának ismerete. Ez az az egyenértékekben kifejezett ionmennyiség, amit az egységnyi térfogatú ioncserélő sztöchiometrikusan megkötni képes. Egysége: val ion/dm3 ioncserélő. Áttörési pontként definiáljuk azt az adott ionkoncentrációhoz tartozó időtartamot vagy folyadéktérfogatot, amelynél a kérdéses ion koncentrációja az ioncserélőről elfolyó oldatban egy megadott értéket elér.

Hasznos kapacitás az ioncserélő által az áttörési pontig megkötött összes ionmennyiség ion val/dm3 ioncserélő egységekben, ez jellemzi a folyamat egészét. Ugyanezt az adatot az eltávolítandó komponensre számítva a folyamatot jellemző gyakorlati kapacitásadatot nyerjük. Az oszlopkihasználás: a hasznos kapacitás és a teljes ioncsere kapacitás hányadosa, jól jellemzi az eljárás hatékonyságát. A gyakorlati kapacitás értéke, valamint az áttörési görbe alakja, az ioncserélő és az eltávolítandó komponens minőségétől és mennyiségétől, az oldat összetételétől, az alkalmazott áramlási sebességtől és az oszlop méreteitől egyaránt függ. Függ továbbá az üzemeltetési körülmények megszabta (illetve a megválasztott) áttörési koncentráció értékétől is. Megfelelően tervezett oszlopok esetében az összehasonlítás megkönnyítésére, az oszlopméretektől független adatként az áramlási sebességet illetve a tisztított víz mennyiségét az ioncserélő által betöltött oszloptérfogatra, mint egységre vonatkoztatva szokták megadni, oszloptérfogat/h illetve oszloptérfogat egységekben.

Technológiai szempontból akkor hasznos eljárás az ioncsere, amikor a vízben valamilyen káros hatást (pl. keménységet) okozó vegyületben cseréljük ki az iont egy olyan másik ionra, amely következtében megszűnik (vagy csökken) az eredeti káros hatás.

Esetünkben a kalcium-ion a keménységet okozó kalcium-hidrogénkarbonátban Ca(HCO3)2 cserélődik le a nátrium ionra. A vízben a létrejövő vegyület a nátrium-hidrogén-karbonát Na(HCO3) már nem okoz keménységet, így az ioncserével elvégeztük a víz lágyítását.

Működési jellemzők, üzemeltetési feladatok

Az ioncserélő töltete (a műgyanta) általában 1 mm-nél kisebb átmérőjű gömböcskékből áll, amelyet az ioncserélő oszlopban helyeznek el 0,6-1,0 méter rétegvastagságban. A száraz műgyantát az ioncserélő berendezésbe helyezése előtt be kell áztatni, mivel víz hatására erősen megduzzad.

A műgyantákkal szembeni követelmények:

  • nagy fajlagos felület (mivel az ioncsere a műgyanta szemcsék felületén történik),

  • nagy ioncserélő kapacitás (hogy hosszú ideig tudjon üzemelni egy-egy oszlop),

  • ellenálló legyen a fizikai- és a kémiai hatásoknak (a gyantaszemcsék ne töredezzenek szét),

  • gazdaságosság (olcsó legyen a gyanta is és a regeneráló vegyszer is).

Az ioncserélő oszlopok fém vagy műanyag tartályok, kisebb ioncserélőknél függőleges helyzetű csőszerű berendezések. Mivel a berendezés működése során erősen savas vagy erősen lúgos is lehet a víz pH értéke, ezért az ioncserélő oszlopok anyagának a vegyi hatásokkal szemben ellenállónak kell lenniük. Emiatt a fém anyagú tartályok belsejét vegyszerálló műanyag bevonattal szokták ellátni.

A fentiekből látható, hogy az ioncserélő berendezések kialakítása és működése a zárt gyorsszűrőkhöz hasonlítható. Például a töltetet a vizet áteresztő szűrőfenéken helyezik el, vagy a kezelendő vizet itt is felülről vezetik rá a berendezésre.

Nagyon fontos, hogy az ioncserélendő víz lebegő anyagot ne tartalmazzon, mert a műgyanta szemcsékre rakódó szennyeződés az ioncserélő teljesítményét a töredékére csökkenti.

Az ioncserélők teljesítményét a műgyanta töltet anyagán lejátszódó kémiai folyamatok sebessége határozza meg. Ha gyorsabban folyik át a kezelendő víz a berendezésen, mint ahogy a gyantában a kémiai folyamatok lejátszódnak, az átfolyt vízben még jelentős mennyiségű ki nem cserélt ion maradhat.

Az átfolyási sebesség az ioncserélő berendezésekben (az alkalmazott töltetanyag kémiai jellemzőitől függően) igen tág határok között mozoghat. 0,003 m/s és 0,022 m/s közötti intervallumba tartozó átfolyási sebességeket lehet mérni a jól üzemelő berendezéseknél.

A térfogati terhelés (az átfolyási sebességtől függően) 10-100 m3/m3 óránként közötti érték, amely azt jelenti, hogy az ioncserélő töltet 1 m3-e 1 óra alatt 10-100 m3 vizet képes megtisztítani.

A műgyanta kapacitása határozza meg, hogy az ioncserélő berendezés jó hatásfokkal mennyi ideig képes folyamatosan üzemelni.

Kimerül az ioncserélő töltete, amikor a műgyantában lévő ionok nagyobb hányada kicserélődik a kezelt víz megfelelő ionjaival. A kimerült ioncserélő töltetet nem szükséges eltávolítani, ugyanis megfelelő vegyszeres kezeléssel regenerálható, vagyis visszaállítható az eredeti kapacitása.

A regenerálás, vagyis az eredeti ioncserélési kapacitás visszaállítása mindig olyan koncentrált oldattal történik, amely olyan ionokat tartalmaz, mint amilyenek kicserélődtek (elfogytak) a műgyantából. Ily módon biztosítható az egyensúly eltolódása, az ioncserélő eredeti ionállapotának visszaállítása. A regenerálásnál kapott eluátum gyakorta környezetszennyező anyag. Ennek hasznosításáról vagy közömbösítéséről illetve megfelelő elhelyezéséről gondoskodni kell. A regenerálás során távoznak a kezelt vízből a gyantába került ionok is.

Egyenáramú regenerálás a leggyakoribb megoldási mód a töltet kapacitásának visszaállítására.

A végrehajtás lépései:

  • a töltet lazító mosatása, ellenáramú (alulról felfelé áramoltatott) vízzel. Célja: az összetömörödött műgyanta fellazítása és a szemcsék felületére tapadt szennyeződések lemosása,

  • a regeneráló vegyszer egyenáramú (felülről lefelé, vagyis megegyezően az ioncseréléskor történt átfolyásnak) átvezetése a kimerült töltet anyagán,

  • vegyszerkiszorítás lassú, egyenáramú vízvisszaöblítéssel. Célja: a regeneráló vegyszer eltávolítása (kiszorítása) a töltet szemcséi közül,

  • utómosás gyors, egyenáramú vízvisszaöblítéssel. Célja: a regeneráló vegyszermaradék ionjainak az eltávolítása. Azt a vizet használjuk, amelyet majd ioncserélni kell (a nyers vizet).

A regenerálásra használható vegyszerek:

  • hidrogén ciklusú, erősen savas kation cserélőnél és

  • hidrogén ciklusú, gyengén savas kation cserélőnél:

    sósav (HCl) vagy kénsav (H2SO4)

  • nátrium ciklusú, erősen savas kation cserélőnél:

    nátrium-klorid (NaCl)

  • nátrium ciklusú, gyengén savas kation cserélőnél:

    nátrium-hidroxid (NaOH)

  • hidroxid ciklusú, erősen lúgos anion cserélőnél és

  • hidroxid ciklusú, gyengén lúgos anion cserélőnél:

    nátrium-hidroxid (NaOH)

  • klorid ciklusú, erősen lúgos anion cserélőnél:

    nátrium-klorid (NaCl) vagy sósav (HCl)

  • klorid ciklusú, gyengén lúgos anion cserélőnél:

    nátirum-hidroxid (NaOH)

Az alkalmazás lehetőségei a víz- és szennyvíz-technológiában

Vízlágyításra:

  • erősen savas nátrium ciklusú ioncserélők;

  • részleges sómentesítésre: párhuzamosan kapcsolt (a nyers vizet két részáramra bontva), erősen savas hidrogén ciklusú és nátrium ciklusú kation cserélőkkel (majd az ioncserélt vizeket összekeverve és gáztalanítva);

  • teljes sómentesítésre: sorba kapcsolt (az egyik ioncserélő oszlopról a másik oszlopra vezetjük a vizet) erősen savas hidrogén ciklusú kation cserélővel és erősen lúgos hidroxil ciklusú anion cserélővel.

A fentieken túl az ioncsere több más módon való alkalmazásával is megoldhatók különösen a sómentesítési-, a lágyítási- és a karbonát-mentesítési feladatok.

Az alábbi 133. ábrán a vízlágyításra alkalmazott erősen savas nátrium ciklusban működő ioncserélőt látjuk mindhárom működési fázisban.

1. fázis: ioncsere (bal oldalon)

Az ioncserélő töltet nátrium ionokat tartalmaz (Na+). (A nátrium melletti R betű a műgyanta térhálós szerkezetére utal).

A kezelendő víz kalcium és magnézium ionokat tartalmaz, szulfátokhoz, kloridhoz és hidrogén-karbonáthoz kötődve. Ezek közül a magnézium-hidrogénkarbonát [Mg(HCO3)2] és a kalcium-hidrogénkarbonát [Ca(HCO3)2] okozza a keménységet.

Az ioncsere során a hidrogén-karbonátokban lévő magnézium- vagy kalcium ion kicserélődik a töltet nátrium ionjával. A vízben keletkező nátrium-hidrogénkarbonát NaHCO3 már nem okoz keménységet, így a víz lágyítása megtörtént.

2. fázis: öblítés (középen)

Az ioncserélő töltet kapacitása kimerült, mivel a műgyanta összes nátrium ionja kicserélődött a víz kalcium- és magnézium ionjaival. Az ioncserélő nem képes tovább működni, a műgyantát regenerálni kell.

A regenerálás előtt ellenáramú vízvisszaöblítéssel fel kell lazítani a töltetet és le kell mosatni a műgyanta szemcsék felületéről a szennyeződést.

3. fázis: regenerálás (jobb oldalon)

A regeneráló vegyszer (tömény konyhasó oldat, NaCl, nátrium-klorid) egyenáramú átvezetése a kimerült tölteten.

A töltetből távoznak a kalcium-, valamint a magnézium ionok és a regeneráló vegyszerből a műgyantába kerülnek a nátrium ionok.

Az ioncserélő regenerálása megtörtént, ismét üzemelésre képes.

133. ábra. Lágyítás nátrium ciklusú kation cserélővel (Üzemelés, öblítés, regenerálás) (Illés I. – Kelemen L. – Öllös G.: Ipari vízgazdékkodás

Oxidáció

Oxidáció és fertőtlenítés klórral

A fertőtlenítéskor lejátszódó kémiai folyamat az oxidáció. A víz- és szennyvíz-technológiában még napjainkban is a leggyakrabban alkalmazott fertőtlenítő- és oxidálószerek a klór különböző formái. A klórt a fertőtlenítésen kívül más technológiai céllal is alkalmazzák, mint oxidálószert (pl. vastalanításkor az oldatban lévő vas oxidálására, hogy szűrhető vasoxid csapadék keletkezzen).

Az ivóvíz előállítása során az egészségügyi szempontok fokozott előtérbe kerülése miatt napjainkban a klórfelhasználás csökkentése a cél. A klórozási mellékhatások megszüntetése, csökkentése miatt a víz szervesanyag-tartalmát el kell távolítani. Az egyéb technológiai célú klórozást ki kell váltani, pl. más oxidálószerek alkalmazásával. Mindezek ellenére napjainkban még nem rendelkezünk a klórhoz hasonló tartós fertőtlenítő hatása miatt a másodlagos szennyeződések ellen is védelmet nyújtó más fertőtlenítő szerrel.

A fertőtlenítés célja a víz- és szennyvíztisztításban a patogén (fertőző) mikroszervezetek elpusztítása a tisztított vízben.

A szennyvíztisztítás minden eljárásának van mikroorganizmus eltávolító hatása. Így például a rácsok 10-20%-át, az előülepítő 25-70%-át, a biológiai tisztítás 90-98%-át pusztítja el a patogén mikroorganizmusoknak. Ezért Magyarországon a szennyvíz fertőtlenítése nem kötelező, csak akkor kell fertőtleníteni, ha mikrobiológiai vizsgálatok ezt szükségessé teszik és az ÁNTSZ (Állami Népegészségügyi és Tisztiorvosi Szolgálat) ezt elrendeli. A szennyvíztisztító telepek úgy épülnek, hogy a fertőtlenítő műtárgy megkerülhető legyen, és csak a fertőtlenítés elrendelésekor helyezik üzembe azt.

Mivel a vízben lévő patogén mikroszervezetek kimutatása eléggé időigényes folyamat, ezért indikátorként (jelzőként) a coli-baktériumokat kutatják, mert ezek vizsgálata gyorsabb, egyszerűbb és jelenlétük patogén fertőzöttségre utal.

A szennyvíztisztításban szinte kizárólag klórt használnak fertőtlenítőszerként. Az ivóvíz technológiában napjainkban elterjedőben van az ózon a klór helyett, de inkább azzal együtt alkalmazva. A klór oxidációs potenciálja jelentékeny, ezért az oldott szerves anyagok zömének oxidálására alkalmas. A baktériumokat az enzimek kémiai roncsolása révén pusztítja el.

A klórral történő fertőtlenítés azért vezet eredményre már viszonylag kis koncentrációban, mert a patogén mikroszervezetek jóval érzékenyebbek a klórra, mint más mikroorganizmusok.

A klór hatása a mikroorganizmusokra függ:

  • a klórral szembeni érzékenységtől,

  • a beadagolt mennyiségtől (koncentrációtól g/m3),

  • a behatási időtől (kontaktidő),

  • a tisztított szennyvízben lévő egyéb, klórral oxidálható anyagok mennyiségétől.

Negatív hatása is lehet a klórnak, ha túladagoljuk és a megengedettnél magasabb koncentrációban kerül ki a szabad klór (az a klórmennyiség, amely nem lépett reakcióba) a tisztított vízben a telepről. Tisztított szennyvíznél a magas szabad klórtartalom esetleg károsíthatja a befogadót, ivóvíznél pedig fogyasztói panaszokra számíthatunk.

Deklórozás a fölös klór eltávolítását jelenti. Történhet kén-dioxid gáz vagy nátrium-szulfit adagolással és aktívszenes szűrőn történő szűréssel is.

A fertőtlenítésre alkalmas klór-hatóanyag különböző formákban kerül kereskedelmi forgalomba.

  • A klórmész szilárd halmazállapotú. Nehézkes adagolási lehetősége miatt inkább csak műtárgyak tisztításához, fertőtlenítéséhez használják.

  • A nátrium-hipoklorit (hipo) folyékony halmazállapotú. Amíg nem voltak megbízható klórgáz-adagolók, döntően ezt a klórformát használták.

  • A klórgáz hordóban vagy palackban kerül forgalomba. A hordó, illetve a palack alsó részében cseppfolyós a klór, a felső részben gáz halmazállapotú. Ahogy használódik a gáz, úgy válik ki a folyadékból és pótlódik. Ma a legelterjedtebb a klór gáz formájú felhasználása (mivel megbízható, üzembiztos klórgáz-adagolók vannak).

  • A klór-dioxid a klórnál két és félszer hatásosabb oxidálószer, a felszíni vizek íz- és szagrontó anyagainak csökkentésére, valamint a fenolszármazékok oxidálására is alkalmazható.

A vákuumos klórgáz adagoló (ADVANCE) (134. ábra) üzembiztos és főként biztonságos, mivel a rendszer vákuum hatására működik és nem nyomás alatt. Az adagoló leáll, ha például egy cső kilyukadása vagy egy csatlakozó tömítetlensége miatt megszűnik a vákuum, és így nem kerülhet ki a rendszerből klórgáz. A vákuumot injektor hozza létre. Az injektor egy csőszűkület, ahol a nagy folyadéksebesség miatt lecsökken a nyomás a légkörinél kisebb értékre (mint pl. az injektoros levegőztetőnél) és ennek a szívásnak a hatására kerül be a klórgáz az injektoron átáramló oldóvízbe. Rotaméter szolgál a gázmennyiség mérésére. Visszacsapó-szelep akadályozza meg üzemzavar esetén a víz injektorból történő kijutását, illetve a gázadagolóba jutását. Állítható adagoló szeleppel történik a klórgáz adag beállítása. Az adagoló rendszernek 2-10 g/m3 adagolási tartományban kell általában működni a víz- és a tisztított szennyvíz fertőtlenítésnél.

134. ábra. Vákuumos klórgáz adagoló (ADVANCE) (Költő G. – Pálhidi A.: Vízműkezelő technológiai 2.)

Behatási idő (kontaktidő) szükséges ahhoz, hogy a klór a fertőtlenítő hatását ki tudja fejteni. Az előírások szerint a tisztított víz fertőtlenítéséhez a minimális idő 15 perc. A gyakorlatban általában 30 perces behatási idővel dolgoznak.

A kontakt-medence az a műtárgy, ahol a klórbeadagolást követően a tisztított víznek annyi ideig kell tartózkodnia, mint amennyi a behatási (kontakt) idő. A leggyakoribb műtárgy, amit erre a célra alkalmaznak, a labirint-medence. A labirint-medence egy téglalap alaprajzú műtárgy, amelyben terelőfalak vannak. A terelőfalak megnövelik az átfolyási út hosszát, ezzel a tartózkodási időt is. Így biztosítható egyrészről az elkeveredés, másrészről a szükséges behatási idő.

A klórszükséglet az az adagolandó fajlagos klórmennyiség (g/m3), amellyel a kívánt technológiai célt (pl. a fertőtlenítést) el tudjuk érni. A klórszükséglet csak laboratóriumi méréssel határozható meg, ugyanis a vízbe adagolt klórnak csak egy része használódik el a fertőtlenítésre, más részét a tisztított szennyvízben lévő oxidálható szerves- és szervetlen anyagok „fogyasztják el”. A víz klórmegkötő képességét a törésponti görbe segítségével határozhatjuk meg.

A törésponti görbét (135. ábra) úgy szerkesztik meg a laboratóriumban, hogy a fertőtlenítendő vízminta sorozatba grammonként növekvő mennyiségű (1, 2, 3…6 g/m3) klórt adagolnak. Ez látható a vízszintes tengelyen, 30 perc behatási idő után mindegyik vízmintában megmérik a szabad klórtartalmat (azt a klórmennyiséget, ami megmaradt - felesleges volt - a beadagolt klórból az oxidáció elvégzése után). Ez látható a függőleges tengelyen.

135. ábra. A víz klórozásakor keletkező vegyületek és a törésponti görbe (Öllős G., Vízellátás)

A töréspont-görbe értelmezése. Az adott vízminta részleteihez növekvő mennyiségű klórt adva a következők tapasztalhatók.

  • Ha a víz nem tartalmaz semmilyen klórfogyasztó (klórral reagáló) komponenst, akkor a vízben mért maradék szabad klór koncentrációja megegyezik a beadagolt klórnak megfelelő kiindulási koncentrációval. Ezt a növekvő klóradag függvényében ábrázolva egyenest kapunk a koordináta rendszerben.

  • Ha a vízben pl. NH3 van jelen, a mért maradék szabad klór, vagyis a reakcióban el nem használódott klór mennyisége a növekvő klóradag függvényében változni fog. Kötött klórformák, klóraminok képződnek a klór és ammónia arányától függően. A maradék szabad klór mennyisége az előbbi egyenestől eltérő lesz és annál nagyobb eltérést mutat, minél több a vegyületképzésre felhasznált, kötött klór hányada.

  • A töréspont jelzi azt a klórkoncentrációt, amelynél a vízben a kötött klórmaradék mennyisége minimális, az ammónia kémiai oxidációja pedig egészen a nitrogéngázig lejátszódik:

  • Ha a töréspont utáni szakasznak megfelelően történik a klórozás, vagyis e feletti mennyiségű klórt adagolnak a vízbe, akkor az ammónium-ion koncentráció határérték alá csökkenthető, ezen kívül az ez esetben jelen levő szabad maradék klór miatt jobb fertőtlenítési hatásfok érhető el.

A klór hatásmechanizmusa

A klórgázt a fertőtlenítendő vízben eloszlatják, amelyben nemcsak oldódik, hanem hidrolizál is a következő reakcióegyenlet szerint:

A Cl2, a HOCl és a OCl- egymáshoz viszonyított mennyisége a víz pH-jától függ.

A klórozás klórgáz helyett nátriumhipoklorit (NaOCl, Hypo) oldattal is lehetséges.

A hipiklorit ion, de főleg a hipoklórossav nagyon erős baktericid hatású.

Ha a víz pH-ja 5-6 közötti érték, akkor a klór szinte teljes mennyiségéből hipoklóros sav keletkezik, ami aztán tovább bomlik, ezért ebben a tartományban a legjobb hatásfokú a fertőtlenítés.

Ha a fertőtlenített víz ammóniumiont tartalmaz, akkor a klór és az ammónia arányától függően háromféle klóramin keletkezhet, amelyekben a klór félig kötött állapotúnak nevezhető.

5:1 klór-ammónia arányig monoklór-amin (NH2Cl) keletkezik, amely lassan ható, 2 óra behatási idejű, gyenge fertőtlenítőszer, ezért alkalmas nagyobb kiterjedésű csőhálózatok esetén is az esetleges másodlagos szennyeződések oxidálására. Emiatt technológiai cél is lehet a monoklór-amin keletkezésének előidézése.

10:1 klór-ammónia arányál diklór-amin (NHCl2) keletkezik, amely kellemetlen klórszagot és ízt ad a víznek.

15:1 klór-ammónia arány felett triklór-amin (NCl3) keletkezik, amely erősen kellemetlen szagú, de levegőztetéssel könnyen eltávolítható.

A klóraminok - amellett, hogy kellemetlen ízt és szagot kölcsönöznek a víznek - a szabad klórnál sokkal gyengébb oxidálószerek.

A klórt gyakran helyettesítik klór-dioxiddal (ClO2). A koncentrált klórdioxid gáz robbanékony, ezért a felhasználás helyszínén kell előállítani. A klór-dioxid - a klórtól eltérően - vízben nem hidrolizál, csupán fizikailag oldódik, vizes oldata pH=2-10 között stabil.

Sokféle szerves és szervetlen anyaggal reakcióba lép, így még a komplex kötésben lévő Fe(II)- illetve Mn(II)-ionok oxidációjára is képes. Reakciói a szerves anyagokkal általában szintén klórozott termékek képződéséhez vezetnek. A klór-dioxidot sikeresen alkalmazzák a doh-, föld- és hal-ízek és szagok csökkentésére, hálózati fertőtlenítőszerként.

Klór-dioxidos fertőtlenítéskor kevéssé ismert hatású, nem illékony vegyületek keletkeznek, trihalometánok azonban nem.

Képződik viszont közvetlenül mérgező szervetlen klorit és klorát is, koncentrációjuk elsősorban a kezelt víz szervesanyag-tartalmától függ.

A klórdioxid oxidációs reakcióinak zömében klorittá alakul:

Előnye a klórral szemben, hogy az ammóniával és egyéb nitrogéntartalmú vegyülettel nem lép reakcióba, baktericid hatása pedig erőteljes. Hátránya, hogy alkalmazása költséges, néhány oxidált terméke (a klorát) egészségügyi kockázatot jelenthet.

Ózonos oxidáció

Az ózon az oxigén háromatomos módosulata (O3). Erős szagú, nagy sűrűségű (1040 g/m3), nagyobb tömegben normál hőmérsékleten világoskék színű, a vízben kis mértékben oldódó, nagy reakcióképességű gáz. A természetben is előfordul a felső légrétegekben (ózonpajzs).

Az ózon igen erőteljes oxidáló és fertőtlenítő szer, ezért a víz- és szennyvíz-technológiában többféle célra is felhasználható:

  • fertőtlenítésre (vírusokkal, baktériumokkal szemben),

  • oldott vas és mangán oxidálására,

  • íz-, szín- és szaghatások megszüntetésére, csökkentésére,

  • veszélyes antropogén eredetű szennyeződések eltávolítására, pl. peszticidek (növényi- és állati kártevőirtó szerek), detergensek (mosó- és tisztítószerek szerves, szintetikus hatóanyaga), fenolok stb.,

  • cianidok oxidálására,

  • mikroszennyezők eltávolítására,

  • bonyolult szerkezetű, nehezen lebontható szerves anyagok egyszerűbbé alakítására,

  • prekurzor anyagok (a kezelendő vízben jelenlévő olyan anyagok, pl.: a szerves hurmin-, lignin- és fulvin anyagok, melyek a vízkezelő anyagokkal, pl.: a klórral reakcióba lépve létrehoznak a vízben visszamaradó anyagokat pl: trihalometán vegyületeket (THM), melyek a víz tulajdonságát hátrányosan megváltoztatják) eltávolítása vagy a káros melléktermékek keletkezésének elkerülése,

  • szuszpendált anyagok eltávolítása,

  • előtisztítási célból (fázisközi ózonként), pl.: az aktív szén szűrés előkészítésére.

Magyarországon jelenleg is már több vízmű alkalmazza a technológiája részeként az ózont, különféle technológiai céllal, pl. a Fővárosi Vízművek a ráckevei és a csepeli vízkezelő műben felszín alatti víznél, a balmazújvárosi és a szolnoki vízműben felszíni víz kezelésénél.

Az ózont a felhasználás helyén kell előállítani, mert a szállítása, raktározása, bomlékonysága miatt nem megoldható.

Az ózontermelő- és előállító rendszer részei:

  • levegő előkészítő vagy oxigéntároló és elpárologtató,

  • ózonfejlesztő generátor,

  • ózonfejlesztő generátor,

Az ózon előállítható levegőből vagy oxigénből.

A levegőből történő ózon előállításnál a felhasznált levegőnek teljesen száraznak és minden szennyező anyagtól mentesnek kell lennie. A levegőt a környezetből kompresszor szívja be és sűríti a szükséges nyomásra.

A sűrített levegőből 5-10 °C-on egy vízleválasztóban kicsapódik a nedvesség egy része, majd -50, -60 °C-os harmatponti hőmérsékletig tovább szárítják két szárító oszlopon. (A harmatpont a levegő pillanatnyi páratartalmához tartozó azon hőmérséklet, melyen a levegő eléri a telítettségi páratartalmat. Ha a levegő hőmérséklete a harmatpont alá kerül, megkezdődik a párakicsapódás).

A szárító oszlopok nagy felületű adszorbens (felületi megkötő képességgel rendelkező) anyaggal vannak megtöltve (pl. alumínium-oxidból készült kis átmérőjű golyócskákkal), amelyek a szárító fázisban visszatartják a sűrített levegőben lévő párát, a regenerálási fázisban pedig azt leadják.

A két szárító oszlop váltakozva működik szárító és regeneráló fázisban. Az átváltás 10 percenként automatikusan történik. Az egyik oszlop regenerálását a másik oszlopban szárított sűrített levegő egy részének légköri nyomására való expanziójával biztosítják, ami 7 báros üzemi nyomásnál a levegőáram mintegy 15%-át érinti.

Szűrés után ellenőrzik a levegő nedvességtartalmát, majd az előkészített levegő 1,0-2,0 bar közötti nyomással kerül az ózonfejlesztő generátorba. (Ha az előkészített levegő nedvesebb a megengedettnél, a rendszer automatikusan leáll).

Az oxigénnel üzemelő ózonfejlesztésnél nincs szükség a bonyolult levegő-előkészítő egységre.

A folyékony oxigénnel üzemelő rendszer előnyei:

  • nincs szüksége a bonyolult és költséges levegő-előkészítő rendszerre;

  • az ózonfejlesztő generátor jobb teljesítménnyel üzemel;

  • magasabb az ózontartalom a generátorból távozó levegőben, ezért minden csatlakozó berendezés kisebb méretű;

  • az üzemeltetéshez szükséges energiaigény a felére csökken;

  • a magasabb ózonkoncentráció miatt nő az ózon vízbe juttatásának hatásfoka, csökken a maradék ózon, így kisebb kapacitású ózonromboló szükséges;

  • nitrogéndioxidok nem kerülnek a vízbe.

A folyékony oxigénnel üzemelő rendszer hátrányai:

  • a folyékony oxigént vagy vásárolni, vagy a helyszínen előállítani szükséges, aminek a költségei a levegő-előkészítés körüli értéket mutatnak;

  • az oxigén kezelése nagy gondosságot igényel (gyúlékony és robbanásveszélyes);

  • a magasabb ózonkoncentráció jobban igénybe veszi a bekeverőt, a tömítéseket, a szerelvényeket.

Az előnyöket és hátrányokat mérlegelve, a folyékony oxigénnel üzemelő ózonizáló rendszerek elterjedése várható. Magyarországon folyékony oxigént használnak az ózon előállítására a Fővárosi Vízművek csepeli vízkezelő telepén.

Az ózontermelő generátorok az ózont száraz levegőből vagy oxigénből állítják elő nagy feszültségű váltóárammal, csendes kisüléssel. Ez régebben lemezes, az utóbbi időszakban már szinte kizárólag csöves készülékekben történik. A 136. ábrán egy csöves ózontermelő berendezés kialakítását tanulmányozhatjuk.

136. ábra. Csöves ózonfejlesztő reaktor (Költő G. – Pálhidi A.: Vízműkezelő technológiai 2.)

Az ózontermelés a kisülési energiával és a reaktoron átvezetett levegő anyagáramával egyenesen arányos.

A reaktorból kikerülő gáz nem tiszta ózon, hanem ózonos levegő 20-50 g O3/Nm3 közötti ózonkoncentrációval.

Egy berendezés átlagos teljesítménye 5-15 kg ózon óránként. Az ózontermelést úgy kapjuk meg, hogy a reaktorból távozó levegő térfogatáramát megszorozzuk az ózonos levegő ózonkoncentrációjával.

Az ózontermelő generátor folyamatos hűtését a vízzel hűtő rendszer biztosítja.

Néhány tájékoztató jellegű műszaki adat:

  • üzemi feszültség: 10-20 kV,

  • ózontermelés: 1-20 kg/óra,

  • fajlagos energiaigény: 15-25 kWh/kg O3,

  • ózonkoncentráció: 20-50 g O3/Nm3.

Az ózon elnyeletése zárt ózon bekeverő medencékben (kontakt medencékben) történik.

Az ózon a vízben az oxigénnél jobban, de a klórnál rosszabbul oldódik, ezért fontos, hogy az ózontartalmú levegő jól elkeveredjen a vízben.

Az ózonbekeverő medencék 5-10 méter mélységűek, a víz tartózkodási ideje (a kontaktidő) 5-15 perc, az adagolt ózon 1-6 g O3/m3.

Az ózon elkeveredését többféle módon is biztosítani lehet. Ezeket a megoldási módokat tanulmányozhatjuk a 137. ábrán.

  • Buborékoltató ózonbekeverésnél a medence fenéken porlasztó tárcsákon vezetjük be az ózont, a légbefúvásos levegőztetési megoldáshoz hasonlóan (felső ábra);

  • turbinás bekeverésnél gépi elkeverést biztosítunk (bal oldali ábra);

  • injektoros bekeverésnél a vízbevezető csőre szerelt injektor szívja be az ózont, keveri el és viszi be a medencébe (jobb oldali ábra).

137. ábra. Különféle kialakítású ózonbekeverő medencék. 1) vízbevezetés 2) ózon bevezetés 3) ózonnal kevert víz elvezetése (Benedek P. – Valló S.: Víztisztítás - -szennyvíztisztítás zsebkönyv)

Különösen a buborékoltató rendszer hatásfoka növelhető mg több (3-4) részből álló oxigén bekeverő medence alkalmazásával, ahol mindegyik medencerészbe külön-külön, de egyre csökkenő mennyiségben adagoljuk az ózont (138. ábra).

138. ábra. Négy kamrából álló levegő bekeverő medence (Öllös G.: Vízellátás)

A maradék ózon megsemmisítő (ózonromboló) feladata, hogy a kezelendő vízből kivált és az ózonkezelő medence légterében összegyűlt levegőt elszívja, és lebontsa a maradék ózont.

A maradék ózon lebontására leggyakrabban termikus ózonrombolót használnak.

A termikus rombolók működési elve: az ózon instabil gáz, ami oxigénre bomlik. A bomlás környezeti hőfokon lassú, de 350 °C hőmérsékleten pillanatszerű.

A berendezés gyakorlatilag egy fűtött elektromos ellenállásból, egy hőcserélőkből és a két sebességfokozatban működő ventillátorból, valamint az elektromos vezérlő szekrényből áll. A berendezésbe belépő ózonos levegőben levő ózon a 350 °C hőmérsékleten lebomlik oxigénre, így hűtés után a légtérbe vezethető.

A biztonság miatt az ózonizálót igyekeznek elkülönítve elhelyezni, pl. egy külön ózonszinten. Normál üzemi körülmények között a légtér ózonkoncentrációja nem érheti el a 0,2 mg/m3 értéket.

Az ózon felhasználási lehetőségei a víz- és szennyvíz-technológia különböző területein.

Uszodáknál fertőtlenítésre, a víz visszaforgató berendezések technológiájának részeként. Megfelelő helyen adagolva az ózon segítheti a pelyhesítést vagy az ammónia eltávolítást is.

A kommunális szennyvíztisztításban a második és a harmadik tisztítási fokozatban, pl. szuszpendált anyagok, mikroorganizmusok, huminsavak bontására.

Az ipari szennyvíztisztításban az igen erős oxidációs képessége miatt az oldott szerves és szervetlen molekulák elbontásánál. Ciántalanításra, ólommentesítésre, a zárt szénláncú szénhidrogének (pl. benzpirén) elbontására.

Az ivóvíz-technológiában főként a víz színének, ízének, szagának javítására, a vas és mangán eltávolítására oxidációval, biológiailag nehezen lebontható anyag lebontására (19. táblázat).

Ha a víz fertőtlenítő hatását az ózonos kezelés után is tartósan biztosítani szükséges (pl. a hálózatban az esetleges szennyeződések miatt), úgy az ózonos kezelés után klórozást is kell végezni.

19. táblázat. Az ózon felhasználási lehetőségei az ivóvíz előállítás technológiában (Öllős G.: Víztisztítás - üzemeltetés)

Összefoglalás

Az ioncsere a szilárd fázis és a folyékony fázis határfelületén lejátszódó reverzibilis (visszafordítható) kémiai folyamat. Az ioncserét az adszorpciós folyamatok közé soroljuk. Ez esetben azonban nemcsak fizikai kötésről van szó a szorbens felülete és a komponens közt (pl. Van-der Waals erők, hidrogén hidak létesülése), hanem kémiai kötésről is.

Az ioncserélők csoportosítása

  • kation cserélők ,

  • anion cserélők .

A kation cserélők lehetnek:

  • erősen savas kation cserélők,

  • gyengén savas kation cserélők.

Az anion cserélők lehetnek:

  • erősen savas anion cserélők,

  • gyengén savas anion cserélők.

Oxidáció

A fertőtlenítéskor lejátszódó kémiai folyamat az oxidáció. A fertőtlenítés célja a víz- és szennyvíztisztításban a patogén (fertőző) mikroszervezetek elpusztítása a tisztított vízben.

A fertőtlenítésre alkalmas klór-hatóanyag különböző formákban kerül kereskedelmi forgalomba:

  • klórmész,

  • nátrium-hipoklorit (hipo),

  • klórgáz,

  • klór-dioxid .

Az ózon igen erőteljes oxidáló és fertőtlenítő szer, ezért a víz- és szennyvíz-technológiában többféle célra is felhasználható. Az ózont a felhasználás helyén kell előállítani, mert a szállítása, raktározása, bomlékonysága miatt nem megoldható.

Az ózon előállítható levegőből vagy oxigénből.

Ellenőrző kérdések

  1. Mi az ioncsere elvi alapja?

  2. Mitől függ az ioncsere szelektivitása?

  3. Mit nevezünk áttörési pontnak?

  4. Mi az előnye és hátránya klórral való oxidációnak?

  5. Hogyan végzik az ózonos oxidációt a gyakorlatban?