Studii Privind Potentialul Geotermal In Bihor – Satu Mare

CUPRINS

INTRODUCERE

CAPITOLUL I. ENERGII NECONVENȚIONALE

1.1. Energia apei

1.2. Energia solară

1.3. Energia eoliană

1.4. Energia biomasei

1.5. Energia mecanică a mărilor și oceanelor

1.6. Energia geotermală

CAPITOLUL II. RESURSE DE APE GEOTERMALE

2.1. Prezentarea apelor geotermale din Vestul României

2.2. Proprietățile chimice ale apelor geotermale

2.3. Descrierea sondelor în studiu

2.3.1. Forajul geotermal 4699 Cighid

2.3.2. Forajul geotermal 50 7 Livada

2.3.4. Forajul geotermal 4777 Mădăras

2.3.3. Forajul geotermal 4175 Tășnad

2.4.Tratarea apelor geotermale cu temperaturi ridicate(T = 80-120oC)și medii (T= 50-80oC)

2.4.1. Dedurizarea chimică a apelor geotermale cu temperaturi ridicate și medii

2.4.1.1. Dedurizarea cu hidroxid de calciu

2.4.1.2. Dedurizarea cu hidroxid de sodiu

2.4.1.3. Procedeul termic de dedurizare

2.5. Decarbonatarea

2.6. Deferizarea și demanganizarea apelor geotermale cu temperaturi ridicate și medii

2.6.1. Proprietăți fizico-chimice ale apei cu conținut de fier și mangan

2.6.2. Procesele fizico-chimice care au loc în cadrul deferizării și demanganizării apei geotermale

2.6.3. Deferizarea și demanganizarea apelor geotermale prin oxidare și filtrare

2.6.4. Procedeul de deferizare-demanganizare a apelor geotermale prin dublă filtrare

2.6.5. Deferizarea și demanganizarea apei direct în stratul acvifer

CAPITOLUI III. DETERMINAREA COMPOZIȚIA APELOR GEOTERMALE

3.1. Metode de analiză

3.1.1. Analiza sodiului și potasiului

3.1.2. Analiza calciului și magneziului

3.1.3. Analiza fierului

3.1.4. Analiza amoniacului din sărurile de amoniu

3.1.5. Analiza silicei

3.1.6. Analiza dioxidului de carbon

3.1.7. Analiza clorurilor

3.1.8. Analiza sulfaților

3.1.7. Analiza clorurilor

3.1.8. Analiza hidrogenului sulfurat

3.1.9. Analiza fosfaților

3.1.10. Analiza compușilor fenolici din apele geotermale

3.1.11. Analiza azotaților și azotiților

3.1.13. Analiza conținutului total de solide dizolvate

3.2. Compoziția chimică a apelor geotermale

CAPITOLUI IV. VALORIFICAREA ENERGIEI GEOTERMALE

4.1. Încălzirea încăperilor și prepararea apei calde menajere

4.2. Încălzirea serelor

4.3. Piscicultura și acvacultura

4.4. Balneologia

4.5. Utilizarea energiei geotermale în industrie

4.6. Conversia în energie electrică

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

INTRODUCERE

“Apele reprezintă o sursă naturală regenerabilă, vulnerabilă și limitată, element indispensabil pentru viață și pentru societate, materie primă pentru activități productive, sursă de energie și cale de transport, factor determinant în menținerea echilibrului ecologic.”

Legea apelor nr.107/.1996

Oferită gratuit de natură, apa constituie un bun de mare preț al omenirii. După cum se știe, aceasta reprezintă un element esențial pentru obținerea cantității de hrană necesară oamenilor și viețuitoarelor, pentru menținerea unui curs viabil al ecosistemelor naturale, pentru existența și dezvoltarea biosferei în general.

Cantitatea de apă este unul din factorii limitatori ai vieții. Pe Pământ, existența vieții este indisolubil legată de apă care, datorită însușirilor sale fizice și chimice, reprezintă un factor de prim ordin în desfășurarea multor procese biochimice, fiziologice și ecologice esențiale.

Asigurarea hranei populației globului în continuă creștere, depinde tot mai mult de resursele de apă. Aici se are în vedere și sursa clasică de hrană pe care o oferă apele, dar și forma devenită clasică, a hidroameliorării suprafețelor agricole. Astfel, se poate spune că a fost creată o adevărată industrie a apei, cu nimic mai simplă decât celelalte industrii existente.

Agricultura irigată reprezintă un sistem de organizare cu apă. Ea reclamă mari cantități de apă. Pe ansamblul economiei, agricultura reprezintă cel mai mare consumator de apă.

O altă formă de utilizare a apei este aceea de sursă potențială de energie, într-o lume înfometată de resurse energetice. Pentru a acoperi necesarul de apă în zilele noastre, omul caută noi resurse acvatice, fie în adâncurile uscatului (straturi freatice de mare adâncime), fie prin desalinizarea apei de mare.

capitoluli

Energii neconvenționale

Odată cu micșorarea cantității surselor convenționale de energie, precum și datorită impactului avut de către acestea asupra mediului înconjurător, s-a încercat înlocuirea lor cu alte surse de energie (neconvenționale), cum ar fi: energia solară, eoliană, geotermală, energia apei, energia biomasei, energia mareelor.

Energiile regenerabile nu produc emisii poluante și prezintă avantaje pentru mediul mondial și pentru combaterea poluării locale. Obiectivul principal al folosirii energiilor regenerabile îl reprezintă reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Dezvoltarea surselor regenerabile de energie ca o resursă energetică semnificativă și nepoluantă este unul din principalele obiective ale politicilor energetice mondiale care, în contextul dezvoltării durabile, au ca scop creșterea siguranței în alimentarea cu energie, protejarea mediului înconjurător și dezvoltarea la scară comercială a tehnologiilor energetice viabile.

De la adoptarea in 1997 a Protocolului de la Kyoto asupra Convenției Cadru a Națiunilor Unite despre schimbările climatice (1992), industria surselor regenerabile de energie a fost împinsă către capitalizare pe o piață globală a energiei regenerabile, țintă ce poate fi atinsă numai prin coagularea într-un plan comun a imperativelor de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră. Prin acest protocol, țările dezvoltate au stabilit drept țintă reducerea până în 2012 a gazelor cu efect de seră cu 5,2 % față de nivelul din 1990. Protocolul de la Kyoto a fost semnat în Decembrie 1997 la Conferința din Japonia de către 84 de națiuni, însă ratificat doar de către 37, majoritatea din acestea fiind țări în curs de dezvoltare. Acestui protocol i-au urmat multe astfel de înțelegeri și angajamente la nivel mondial și european în dorința unei dezvoltări durabile a lumii, cum ar fi Agrementul de la Haga (noiembrie 2000) sau Bonn (iulie 2001).

Studiile oamenilor de știință au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia că o creștere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încălzire globală a atmosferei terestre de 2 – 6 oC, până la sfârșitul acestui secol, cu efecte dezastroase asupra mediului înconjurător.

Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă și oceane pot fi absorbite circa 11 miliarde de tone de CO2 din atmosferă (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon), ceea ce reprezintă circa jumătate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o creștere permanentă a concentrației de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm înainte de dezvoltarea industrială la 360 ppm în prezent.

Estimând că la sfârșitul acestui secol populația globului va atinge circa 10 miliarde de locuitori, în condițiile unor drepturi de emisie uniforme pentru întreaga populație, pentru a nu depăși concentrația de CO2 de 450 ppm în atmosferă, ar fi necesar ca emisiile pe cap de locuitor să se limiteze la 0,3 tone C/locuitor, ceea ce pentru țările dezvoltate reprezintă o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze cu efect de seră.

Ținând seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii și de înlocuire a instalațiilor existente, este necesar să se accelereze ritmul de dezvoltare a noilor tehnologii curate și a celor care presupun consumuri energetice reduse. În același timp este necesară o profundă evoluție a stilului de viață și o orientare către o dezvoltare durabilă.

În condițiile aderării țării noastre la Uniunea Europeana la începutul anului 2007, va trebui să ne asumăm obiectivelor strategice ale acesteia în domeniul resurselor regenerabile.

Dintre energiile neconvenționale, cea mai frecventă, în țara noastră este energia geotermală utilizată în special în partea de vest a țării.

1.1. Energia apei

Turbinele centralelor electrice și morile de apă sunt puse în mișcare de energia apelor curgătoare.

Potențialul hidroenergetic al râurilor principale este valorificat, în cadrul unor amenajări de mare și mică putere, astfel:

amenajări de mare putere (34 000 GWh/an)

amenajări de mică putere (6000 GWh/an)

Centralele și microcentralele hidroelectrice sunt instalații care asigură transformarea energiei hidraulice a apelor curgătoare în energie electrică.

1.2. Energia solară

A fost prima sursă de energie folosită din punct de vedere istoric, energie care prin fotosinteză produce hidrocarburile necesare hranei.

Soarele este principala sursă de energie a Pământului, cantitatea de energie primită de la soare fiind situată în jur de 1,5 miliarde de milioane de MWh.

Producerea de căldură cu ajutorul energiei solare se realizează prin metode de conversie pasivă sau activă, iar furnizarea de energie electrică prin sisteme fotovoltaice.

Captarea energiei solare se realizează în trei moduri:

prin efectul de seră cu ajutorul captatoarelor sau a captatoarelor cu concentrații de radiații

prin efectul fotovoltaic(celule fotovoltaice)

prin fotosinteză

Pentru captatoarele solare este nevoie să fie îndeplinite două condiții esențiale:

să asigure o absorbție cât mai mare a radiației solare în captator

să reducă pe cât posibil energia radiată de captator prin încălzire

Există mai multe tipuri de captatoare solare, clasificate după forma geometrică, construcție, agentul purtător de căldură, temperatura de lucru, unele dintre ele fiind prevăzute cu sisteme de concentrare a radiației solare.

Cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața atmosferei este de aprox. 1367 W/m2. Într-o zi senină, cantitatea de energie solară disponibilă pe suprafața pământului, după direcția soarelui este de 1000 W/m2, fiind dependentă de poziția soarelui față de Pământ și de condițiile atmosferice.

Conversia energiei din radiație solară se face sub diferite forme de energie: termică, electrică, mecanică, biologică și chimică.

Avantajele energiei solare:

este o sursă, care nu necesită alte cheltuieli decât cele de investiție

amortizarea investiției se face destul de rapid, iar fluctuațiile prețurilor nu o vor afecta

eficiența captatoarelor solare în regim hibrid este mult mai ridicat, comparativ cu celelalte sisteme convenționale sau neconvenționale de energie

constituie o sursă nelimitată de energie

este o sursă nepoluantă de energie.

1.3. Energia eoliană

Energia eoliană este rezultatul curenților atmosferici, mărimea acesteia fiind determinată de viteza, durata, structura și direcția vântului.

Vântul reprezintă mișcarea orizontală a aerului, un curent instabil a cărui viteză poate varia de la o rafală până la o acalmie sau alternativ.

După mărimea vitezei și caracterul mișcării aerului, vântul poate avea o structură laminară, turbulentă sau în rafale. Viteza și durata vântului sunt elemente de interes energetic, iar structura vântului influențează rezistența organelor principale din componența turbinelor eoliene.

La fel ca și energia solară, energia eoliană este o energie gratuită, odată ce au fost recuperate costurile de investiție, cu un grad minim de poluare.

1.4. Energia biomasei

O tendință de mare actualitate este cea a implicării științelor biologice în ansamblul de acțiuni care să ducă la rezolvarea actualei crize energetice.

Una dintre formele cheie de energie regenerabilă a viitorului este biomasa datorită atât marelui său potențial, viabilității sale economice cât și datorită diferitelor beneficii pe plan social și al protecției mediului. Constituie a patra sursă de energie, ca mărime pe glob, suplinind (în 1985) aproximativ 15% din folosirea energiei primare.

Sursele de biomasă sunt deșeurile rezultate de la creșterea animalelor, deșeurile celulozice, deșeuri din industria alimentară

Printr-o valorificare corectă a aa de lucru, unele dintre ele fiind prevăzute cu sisteme de concentrare a radiației solare.

Cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața atmosferei este de aprox. 1367 W/m2. Într-o zi senină, cantitatea de energie solară disponibilă pe suprafața pământului, după direcția soarelui este de 1000 W/m2, fiind dependentă de poziția soarelui față de Pământ și de condițiile atmosferice.

Conversia energiei din radiație solară se face sub diferite forme de energie: termică, electrică, mecanică, biologică și chimică.

Avantajele energiei solare:

este o sursă, care nu necesită alte cheltuieli decât cele de investiție

amortizarea investiției se face destul de rapid, iar fluctuațiile prețurilor nu o vor afecta

eficiența captatoarelor solare în regim hibrid este mult mai ridicat, comparativ cu celelalte sisteme convenționale sau neconvenționale de energie

constituie o sursă nelimitată de energie

este o sursă nepoluantă de energie.

1.3. Energia eoliană

Energia eoliană este rezultatul curenților atmosferici, mărimea acesteia fiind determinată de viteza, durata, structura și direcția vântului.

Vântul reprezintă mișcarea orizontală a aerului, un curent instabil a cărui viteză poate varia de la o rafală până la o acalmie sau alternativ.

După mărimea vitezei și caracterul mișcării aerului, vântul poate avea o structură laminară, turbulentă sau în rafale. Viteza și durata vântului sunt elemente de interes energetic, iar structura vântului influențează rezistența organelor principale din componența turbinelor eoliene.

La fel ca și energia solară, energia eoliană este o energie gratuită, odată ce au fost recuperate costurile de investiție, cu un grad minim de poluare.

1.4. Energia biomasei

O tendință de mare actualitate este cea a implicării științelor biologice în ansamblul de acțiuni care să ducă la rezolvarea actualei crize energetice.

Una dintre formele cheie de energie regenerabilă a viitorului este biomasa datorită atât marelui său potențial, viabilității sale economice cât și datorită diferitelor beneficii pe plan social și al protecției mediului. Constituie a patra sursă de energie, ca mărime pe glob, suplinind (în 1985) aproximativ 15% din folosirea energiei primare.

Sursele de biomasă sunt deșeurile rezultate de la creșterea animalelor, deșeurile celulozice, deșeuri din industria alimentară

Printr-o valorificare corectă a acestora se obține biogaz, care este o sursă eficientă de energie și nămol cu proprietăți fertilizante.

A. Biomasa solidă

Biomasa solidă este formată din plante uscate, frunze, crengi de copaci, deșeuri solide urbane. Prin prelucrarea acesteia, de fapt, se realizează conversia compușilor organici biodegradabili. Aceștia pot fi:

compuși organici cu descompunere rapidă(3 luni –1 an)

compuși organici cu descompunere lentă(> 50 ani)

Biodegradabilitatea acestor compuși este determinată de umiditatea acestora, aceasta având valori optime la 50-60%.

B. Biomasa lichidă

Biomasa lichidă este constituită din dejecții umane sau animaliere, din nămolurile provenite de la epurarea apelor uzate orășenești sau apele uzate din industrii.

Prin fermentare anaerobă, sub influența bacteriilor facultativ anaerobe sau obligat anaerobe, biomasa lichidă se descompune în gaze formate din CH4, CO2, H2S și apă. La un conținut de 65 – 70% CH4 și 25-30% CO2, biogazul arde.

C. Lichide biocombustibile

Principalele lichide biocombustibile sunt: bioetanolul și biodizelul.

Biodizelul este produs din rapiță în Europa, soia în S.U.A., ulei de canola în Canada și este format din esteri de metil și etil. Poate fi folosit atât în stare pură cât și amestecat cu minerale în motoarele existente.

Bioetanolul este, preponderent produs din trestie de zahăr, având puteri de combustie favorabile, ardere nepoluantă și performanță octanică ridicată.

D. Biohidrogenul

Hidrogenul constituie o sursă deosebit de importantă de energie. În faza acidă a fermentării anaerobe apare și-I crește concentrația hidrogenului. Dacă se urmărește producția de hidrogen, procesul de frementare acidă nu se stopează prin adăugare de neutralizanți(lapte de var), însă dacă scopul este obținerea biogazului, concentrația hidrogenului poate fi controlată.

În cazul obținerii hidrogenului din procesul de fermentare anaerobă, problema se pune în a determina modul de separare a acestuia în procesul de acidogeneză.

1.5. Energia mecanică a mărilor și oceanelor

Energia valurilor preocupă tot mai mult țările cu suprafețe întinse de litoral. O serie de dispozitive permit captarea energiei valurilor și transformarea lor în energie mecanică, respectiv, electrică, ca de exemplu: vane așezate lateral față de valuri, plute dispuse perpendicular pe val, coloane de apă în oscilație.

O altă formă de energie pe care o dețin apele mărilor este cea a mareelor. Deplasarea maselor de apă, datorată atracției lunii, constituie un potențial energetic uriaș(pentru valorificarea practică este nevoie de maree foarte puternice, de cel puțin 10 m)

Altă alternativă de utilizare a energiei mărilor constă în transformarea energetică a diferenței de temperatură dintre apa de la suprafața mărilor calde și cea de adâcime. În zona tropicelor, temperatura apei mărilor atinge la suprafață valori de 25 – 30oC, iar la adâncimi de 800 –1000 m, are sub 4oC. Diferența de temperatură este suficientă pentru a putea asigura condițiilor de funcționare a unui motor termic.

1.6. Energia geotermală

Constituie energia termică provenită din apele de adâncime ale pământului. Se folosește căldura Pământului, iar energia geotermală este folosită pentru pompele de cădură sau pentru producerea de energie.

În țara noastră cele mai importante rezerve de ape geotermale se găsesc în Câmpia de Vest, apele geotermale având temperaturi cuprinse între 40 – 130oC.

Calitatea apelor geotermale(acestea conțin gaze, dioxid de carbon, metan, diferite substanțe chimice) este necesar a fi privită sub aspectul stabilității și al compatibilității cu elementele componente ale instalațiilor de valorificare a acestora.

Apele geotermale pot avea aplicații directe, indirecte și mixte, cel mai des utilizându-se la încălzirea spațiilor de locuit sau ca apă caldă menajeră.

Din punct de vedere al efectului asupra mediului, este nevoie să se urmărească efectul apei calde cu conținut variat asupra emisarului, în cazul evacuării în emisar.

România cercetarea zăcămintelor hidrogeotermale a început în anii 1962-1965 prin săparea primelor sonde în Câmpia de Vest: Oradea, Felix, Călacea și Timișoara. Punerea în producție și exploatarea experimentală a peste 100 de sonde geotermale în ultimii 15 ani, a permis evaluarea resurselor și a rezervelor exploatabile de căldură a sistemelor hidrogeotermale din România.

Puterea totală instalată – prin actualul parc de sonde și doar pentru utilizări energetice – este de peste 450 MWt, din care – în prezent – se utilizează efectiv 130 MWt prin exploatarea a cca. 65 de sonde care produc apă cu temperaturi cuprinse între 55 și 115°C.

Utilizarea energiei din surse geotermale, elimină unele efecte nedorite ce apar în cazul folosirii energiei din surse clasice, de exemplu scăderea cantității de CO2 din atmosferă înlătură producerea "efectului de seră" , în timp ce oxizii de sulf generează "ploile acide", care au efecte negative asupra solului și asupra vegetației.

Proprietățile chimice ale apelor geotermale determină în mare măsură utilizarea acestora. Problema principală care trebuie să fie rezolvată în cazul zăcămintelor de ape termale este determinarea cât mai exactă a debitelor ce se pot exploata în condițiile stabilității în timp a caracteristicilor cantitative și calitative ale zăcământului.

CAPITOLUL II

RESURSE DE APE GEOTERMALE

Datorită faptului că resursele geotermale ale României sunt situate în marea lor majoritate în partea de vest a țării, au permis ca la începutul anilor '80 să se dezvolte o mini industrie care valorifică această energie, economia de combustibil depășind 2093500 GJ pe an.

Acviferul geotermal multistratificat cantonat în nisipurile grezoase din baza Panonianului Superior se întinde pe cca. 2500 km2 de-a lungul frontierei de vest (de la Satu Mare în nord, la Timișoara și Jimbolia în sud), la adâncimi cuprinse între 800 și 2100 m; gradientul geotermic este cuprins între 45 și 55°C pe km. Temperatura apei la suprafață variază între 50-85°C, apele având tendința de a depune cruste carbonatice. In plus, din apele geotermale se separă gaze combustibile care pot fi utilizate (prin ardere în cazane), crescând producția de energie a respectivei sonde cu 15-20%.

În partea de sud a României au fost cercetate și sunt în exploatare două sisteme geotermale importante reprezentând 18% din rezervele exploatabile ale țării; în prezent asigură o economie anuală de 188415 GJ.

2.1. Prezentarea apelor geotermale din Vestul României

Regiunea studiată face parte, din punct de vedere geologic din unitatea tectonică a Depresiunii Pannonice, constituind extremitatea sa sud-estică. Ea s-a format probabil în timpul neozoicului prin scufundarea unei întinse suprafețe din regiunea carpatică.

În această zonă apele geotermale sunt cantonate și în formațiuni antepannonice. Din punct de vedere hidrochimic, apele în general sunt clorosodice, bicarbonat-alcaline, cu o salinitate destul de ridicată .

Aceste ape se pare că provin din ape de infiltrație din rama vestică a Munților Apuseni, străbătând cea de a doua etapă a mecanismului clasic de încărcare minerală.

Toate aceste ape inițial au fost clorosodice (etapă finală a evoluției chimismului apelor). Acest chimism „final" s-a modificat însă pe parcurs sub influența rezervelor importante de CO2 ce există în zonă și a sedimentelor argiloase care sunt capabile să joace rol de schimbători de ioni sau de site moleculare. Pentru a confirma sau infirma această ipoteză, pe viitor este necesar să se efectueze analize ale compoziției chimice din straturile argiloase locale comparativ cu argilele similare și de aceeași vârstă din alte zone ce nu au fost în contact cu ape clorosodice și CO2.

În ce privește caracteristicile geotermice ale regiunii, interesant este modul deosebit prezentat de anomalia geotermică subcontinentală de pe teritoriul interarcului alpino-carpatic al Depresiunii Pannonice. Se știe astăzi că pe fondul anomaliei geotermice subcontinentale se suprapun mai multe anomalii regionale, dintre care cea mai importantă se află axată în lungul văii Tisei. Această anomalie acoperă cu flancul său estic întregul teritoriu al Câmpiei de Vest a României. Aceste valori se traduc cu gradientul de temperatură realizat cuprinse în general între 50-70° C/km .

Ca o trăsătură generală a acestor ape este mineralizația destul de ridicată între 3-10 g/l fiind în cea mai mare parte ape salmastre bicarbonice. De asemenea, pe toată regiunea studiată apele geotermale sunt însoțite de o cantitate destul de însemnată de gaze, hidrocarburi, fenoli.

Apele geotermale din nordul Câmpiei de Vest a României cuprind regiunea dintre Valea Someșului și la sud Valea Crișului Repede.

Ionii majori a căror proporție depășește 90% din catitatea totală de ioni, ioni minori și microelemente sunt:

constituienți majori >5mg/l HCO3-, Ca2+, CI- ,Mg2+, SiO2, SO42- și H2CO3;

constitui enți minori 0,01-10 mg/l BO2-, CO32-, F-, Fe2+, NO3-, K+, Sr2+, NO2-;

microelemente < 0,1mg/l Al, Sb , As , Ba, Bi, Br, Cd, Cs, Cr, Co, C, Ga, Ge, Au, I, La, Pb, Li, Mo, PO43-, Pb, Ra, Ru, Sc, Se, Ag, Tl, Th, Ti, W, U, Y, V, Zn,Zr, etc.

Atât constituienții majori, cât și cei minori, și microelementele din apele geotermale sunt rezultate a trecerii acestora peste diferite roci în urma fenomenului de constrângere geochimică, care se manifestă prin procese reversibile de dizolvare și adsorbție guvernate de legi cinetice.

Compușii organici pot de asemenea deveni elemente constituiente ale apelor geotermale având ca atom cheie carbonul.Toți compușii carbonului cu excepția speciilor HCO3-, CO32-, H2CO3 și CO2 sunt considerați ca și substanțe organice. Materialele organice dizolvate în apă ating uneori valoarea constituienților anorganici.

Gazele posibile de a fi dizolvate în apă sunt H2, O2, CO2, CH4, sau H2S. Primele trei pot proveni din atmosferă, probabil oxigenul dispare din cauza reactivității sale excesiv de mari. Metanul și hidrogenul sulfurat, de asemenea și oxidul de carbon și azotul, pot proveni din adâncime în urma unor procese nu destul de bine cunoscute. Pe lângă aceste gaze, apele geotermale pot fi asociate si cu gazele nobile: argon, heliu, cripton, neon și xenon. În unele zone poate să apară și radonul, izotopul 222, în urma dezintegrării radiului (222Ra).

Atunci când apa vine în contact cu substanțele minerale începe procesul de dizolvare a acestora, proces care continuă până la atingerea echilibrului sau până ce întregul mineral a fost dizolvat.

Chimismul apei din zona de sol se presupune a fi controlat în întregime de către bioxidul de carbon. Oricare dintre minerale se consideră a fi aici nesemnifictive. În timpul infiltrării prin calcar, dizolvarea în sistem deschis a calcitei, la saturație, duce la creșterea pH-ului la 7,3. În această zonă apa achiziționează Ca(HCO3)2. Când apa intră în stratul de gips, dizolvarea gipsului la saturație provoacă schimbarea structurii și anume Ca2+ și SO42- devin ioni dominanți. În această fază, presupunerea că apa se suprasaturează în raport cu calcita, precipitarea calcitei neavând loc cu o viteză semnificativă. Efectul de suprasaturare cu calcită se datorește efectului ionului comun. Se face presupunerea că apoi apa trece prin nisip, unde precipitarea gradată a calcitei cauzează restabilirea echilibrului calcitei.

Gresia este compusă din cuarț și feldspat, acest mineral nu are un efect semnificativ asupra compoziției apei.

Concentrațiile de Ca2+ și HCO3- scad și din totalul de solide dizolvate rămân predominant ionii de Ca2+ și SO42-. Cum apa curge din gresie în argilă montmorilomitică, schimbul cationic cauzează descreșterea concentrației Ca2+ la o valoare arbitrară de 20 mg/l, aceasta cauzează o creștere ușoară a mineralizației, dar nu schimbă pH-ul și concentrația ionului HCO3.

2.2. Proprietățile chimice ale apelor geotermale

Proprietățile specifice ale fluidului geotermal reflectă caracteristicile sistemului hidrogeologic.

Proprietățile ce se măsoară la fața locului sunt: debitul, temperatura, presiunea, pH-ul și în măsura posibilităților e preferabil ca și alcalinitatea și conductivitatea soluțiilor să se măsoare la gura sondei, dar dacă acest lucru nu este posibil atunci e indicat ca aceste analize să se efectueze în laborator în aceeași zi în care s-au luat probele.

Componenții fluidului geotermal se împart în 5 grupe:

Componenți majori (concentrațiile acestora variază de la câteva mg/l la peste 10 g/1): Na+, K+, Ca2+, Mg2+, CI-, HCO3-, SO42-și SiO2;

Componenți minori(concentrațiile acestora pot fi în jur de 100 spre câteva mg/l, uneori chiar zecimi de mg/l): Li+, NH4+, Fe2+, Mn2+, Al3+, F, Br, NO3- și B;.

Componenți dizolvați în urme, care sunt în concentrații foarte reduse, de ordinul mg/1: Rb, Cs, Ba, Sr, Zn, Cu, Pb, I, Mo, V, Cr și altele

Componenți gazoși: CO2, CO, SO2, H2S, N2, O2, H2, NH3, He, Ar, Kr, Xe, Ne, CH4 și alte hidrocarburi în fază gazoasă;

2.3. Descrierea sondelor în studiu

În figura 2.1 sunt localizate pe harta județului Bihor forajele geotermale luate în

Sondele de Apă Geotermală ale S.C. TRANSGEX S.A.:

Figura 2.1. Sondele studiate pe teritoriul județului Bihor

2.3.1. Forajul geotermal 4699 Cighid

Este așezat în incinta căminului de copii cu handicap sever Cighid, situată la aproximativ 3,5 km sud-vest de localitatea Ghiorac și la 4 km est de comuna Ciumeghiu.

Regimul de lucru este de 24 ore pe zi, 7 zile pe săptămână, 365 zile pe an.

În zona Cighid, ca de altfel în tot sectorul estic al Depresiunii Panonice, se dezvoltă o hidrostructură regională complexă, având orizonturi acvifere multiple, care se întind pe verticală – din partea mediană a panonianului inferior până în cuaternar și care, funcție de condițiile locale, prezintă variații importante privind parametrii termici, hidrodinamici și de debitare. Dezvoltarea complexului nisipos în partea terminală a panonianului inferior a determinat deschiderea lui în sondele din zona Cighid

Începând cu anul 1998 energia geotermală a fost utilizată la încălzirea complexului spitalicesc și la prepararea apei calde de consum menajer. O parte din apă este utilizată pentru balneație într-un mic bazin descoperit.

2.3.2. Forajul geotermal 50 7 Livada

Perimetrul Livada cuprinde o singură sondă, sonda 507, amplasată în partea de vest a municipiului Oradea, aparținând, din punct de vedere administrativ acestuia. Situația lui geologică diferă însă de cea a perimetrului învecinat (Oradea), ceea ce a dus la individualizarea lui ca perimetru de sine stătător.

Forajul 507 Livada a fost săpat în anul 1979, în anul 1980 a fost deschis, prin perforare – în zona calcarelor de vârstă cretacic inferior și jurasic în intervalele 1800-1824 m și 2040-2180 m obținându-se, după stimulare acidă, un debit artezian de 12 l/s și o temperatură de 95°C în capul de exploatare.

În perioada 1985-2000 a fost utilizat ca sursă de apă pentru încălzire și preparare apă caldă menajeră în satul Livada, pentru apă tehnologică la crescătoria de puiet de pește, la încălzirea unei mici sere, la încălzirea unei hale de producție industrială și la agrement într-un ștrand. În prezent apa geotermală este utilizată doar la încălzirea unor locuințe și a unor obiective social-economice, precum și la ștrand vara. Debitul maxim artezian este în prezent de 8 l/s cu o temperatură de 90°C.

2.3.4. Forajul geotermal 4777 Mădăras

Forajul geotermal 4777 Mădăras, este dispus în partea de nord a comunei, lângă ștrandul comunal. A fost săpat până la adâncimea de 1474 m, echipat și probat în anul 1976. Sonda produce din intervalul 580-948 m al acviferului multietajat din baza panonianului superior (poliocen mediu). Apa are o temperatură de apox. 50°C, în anul 2005 s-a extras din zăcământul poliocen mediu un volum de aproape 30.000 m3 , la o temperatură de 50°C, cu un debit mediu de 2l/s și o presiune dinamică de 0,5 bar. Apa extrasă artezian din sondă este condusă în ștrandul termal și la cabinetele cu vane ale băii comunale.

2.3.3. Forajul geotermal 4175 Tășnad

Forajul 4175 Tășnad a fost executat în anul 1979 până la adâncimea de 1401 m și a fost tubat cu o coloană de 0,3 m de la 0 la 398 m cimentată la zi și coloană de 0,65 m de la 0 la 1376,5 m cimentată pe intervalul 0 – 917 m.

Formațiunile poros-permeabile ale cuaternarului și ale poliocenului constituie bune colectoare penru apele subterane, care sub adâncimea de 600 m primesc un caracter termal generat de încălzirea stivei sedimentare, gradientul geotermic pentru zona Tășnad este de 5,5°C/100m..

Apa geotermală provenită de la forajul 4175 Tășnad, începând cu anul 1981, a fost folosită la agrement, într-un ștrand care funcționează și î n prezent.

Ulterior utilizarea s-a extins, energia geotermală fiind valorificată la încălzirea unui restaurant și a unui motel, la încălzirea unor sere și ca apă caldă pentru unitatea militară din vecinătate. În viitor se va stabili oportunitatea exploatării industriale a zăcământului.

2.4.Tratarea apelor geotermale cu temperaturi ridicate(T = 80-120oC)și medii (T= 50-80oC)

Apele geotermale cu temperaturi cuprinse în intervalul 80…120ºC, se utilizează atât pentru producerea de energie electrică, cât și pentru: încălzire și preparare apă caldă de consum pentru consumatori civili, industriali, pentru sere, încălzire în procese tehnologice de uscare și preparare apă caldă de consum tehnologic.. Pentru tratarea acestor ape, se utilizează, pe lângă procedeul de degazare a apei, care a fost descris la paragraful 3.3.1., și următoarele procese: dedurizarea chimică, deferizarea și demanganizarea în instalații închise (insuflare de aer în tobele de aerare, filtrarea și dubla filtrare prin mase filtrante din nisip cuarțos).

Apele geotermale cu temperaturi cuprinse în intervalul 50…80ºC pot fi folosite pentru încălzire și preparare a apei calde de consum, prin asociere cu o centrală termică de vârf, pentru consumatorii civili, industriali și sere și pentru prepararea apei de consum menajer sau tehnologic. Pentru tratarea acestor ape se pot folosi aceleași procedee de tratare utilizate la apele geotermale cu temperaturi ridicate și foarte ridicate, cu mențiunea că, procedeul de deferizare-demanganizare se poate realiza prin insuflare de aer în tobe de aerare, prefiltrare cu mase filtrante de cocs și nisip grosier și filtrare rapidă în filtre închise, care au ca strat filtrant nisipul de cuarț; de asemenea, deferizarea și demanganizarea apei se poate realiza direct în stratul acvifer.

2.4.1. Dedurizarea chimică a apelor geotermale cu temperaturi ridicate și medii

Duritatea apelor geotermale poate fi: totală, temporară sau permanentă.

Duritatea totală – reprezintă totalitatea ionilor de Ca2+ și Mg2+ prezenți în apă.

Duritatea temporară – reprezintă conținutul ionilor de Ca2+ și Mg2+ legați de ionul . Se numește duritate temporară întrucât, prin fierberea apei, această duritate se înlătură, bicarbonații descompunându-se în CO2 și în carbonați care precipită.

Duritatea permanentă – reprezintă duritatea totală minus duritatea temporară și este dată de ionii de calciu și magneziu legați de anionii clor, sulfați, azotați; ea rămâne în mod permanent în apă, chiar după fierbere.

Considerând cationii care determină duritatea, aceasta poate fi: duritate calcică, magneziană și totală. Exprimarea durității se face în grade de duritate, denumite diferit, după substanța care se determină astfel: grade franceze: 1ºF = 10 mg/l CaCO3; grade germane: 1ºG = 10 mg/l CaO; grade engleze: 1ºBritanic = 14 mg/l CaCO3; unități : US = 2,29 mg/l CaCO3.

Efectele dedurizării apei prezintă două aspecte contradictorii prin prisma influenței atât a stării de sănătate a oamenilor, dar și asupra consumului industrial.

Cu privire la starea de sănătate a oamenilor, se cunoaște contribuția apei de băut la necesarul de calciu al organismului (aprox. 10-120 mg/l, deoarece calciul se absoarbe mai greu din apă decât din alte alimente) și magneziu (aport semnificativ, ionul de magneziu fiind ușor absorbit din apă). Aceste calcule se realizează considerând necesarul de apă zilnic de 1,5-2 litri și, respectiv, necesarul zilnic de calciu și magneziu, care este de 600 – 1000 mg Ca și 300-500 mg Mg. Apa dedurizată privează, astfel, organismul uman de ionii de calciu și magneziu necesari, în plus, conducând la mărirea aportului de sodiu atunci când, pentru eliminarea durității, se lucrează cu Na2CO3, NaOH sau schimbători de ioni. Din aceste motive, pentru apa potabilă nu se recomandă dedurizarea, cu excepția cazurilor când apa brută are un conținut mare de calciu și magneziu. Pentru apa potabilă, limita de duritate este de 5ºG, conform Legii nr.458/2002, modificată și completată cu Legea nr.311/28 iunie 2004.

Referitor la consumul industrial, se recomandă dedurizarea datorită următoarelor aspecte:

carbonații și silicații de Ca și Mg se depun pe pereții conductelor și cazanelor, formând cruste, reducând secțiunea de curgere și micșorând eficiența transferului de căldură. În plus, bicarbonații de Ca și Mg se descompun la temperaturi mai mari de 80ºC, cu formare de carbonați insolubili, conform reacțiilor:

sărurile de Ca și Mg ale acizilor grași sunt aproximativ insolubile în apă și influențează negativ eficiența proceselor din industria chimică și textilă.

Pentru stabilirea procedeului de dedurizare și a parametrilor de operare, un rol foarte important îl are analiza caracteristicilor apei, cu particularizare asupra echilibrului calco-carbonic. Acest echilibru poate fi reprezentat schematic prin reacțiile de echilibru:

Echilibrul calco-carbonic este definit prin sistemul de ecuații, în care variabilele sunt: liber (parametri fundamentali ai echilibrului calco-carbonic). Pentru determinarea concentrațiilor acestor parametri, se măsoară pH-ul și alcalinitatea apei și apoi se determină, prin calcul, celelalte 4 variabile. O apă este în stare de echilibru carbonic dacă variabilele de mai sus verifică sistemul anterior de 4 ecuații. La determinarea stării de echilibru intervine și solubilizarea parțială a carbonatului de calciu în apă:

Corectarea caracterului unei ape brute și asigurarea echilibrului calco-carbonic se realizează fie prin dizolvarea dioxidului de carbon, fie prin dizolvarea carbonatului de calciu, după sensul în care s-a produs dezechilibrul.[8]

Apele cu dioxid de carbon în exces (pH < pHs) au tendința fie de a dizolva carbonat de calciu până la stabilirea echilibrului, fie de a degaja o parte din dioxidul de carbon în atmosferă. Apele care dizolvă carbonatul de calciu pentru a atinge echilibrul sunt agresive față de materialele calcaroase, beton, ciment.

Atunci când apele prezintă o cantitate de carbonat de calciu în exces, (pH > pHs), apare tendința de precipitare a acestuia, iar apele sunt denumite încrustante. În acest caz, conținutul de CO2 liber este mai mic decât conținutul de CO2 echilibrant. Deficitul de dioxid de carbon din apă se compensează prin operația de recarbonatare, care se realizează prin aerarea în exces, arderea sub apă a cocsului, sau recuperarea CO2 provenit din procese de calcinare a rocilor calcaroase.

Echilibrarea apelor se obține și prin micșorarea pH-ului în procesul de dedurizare.

În funcție de valoarea durității se pot distinge ape „dure” (în acest caz, duritatea are valoarea de 250 mg CaO/l, adică 25ºG), respectiv ape „moi” (în acest caz, duritatea are valoarea de 50 mg CaO/l, adică 5ºG).

Dedurizarea reprezintă eliminarea durității totale din apă.

În unele cazuri se folosesc (în locul dedurizării apei) dezincrustanți, care împiedică formarea crustelor în instalații, transformând sărurile ce se depun în săruri solubile sau în compuși insolubili care produc nămol.

Dedurizarea totală constă în înlăturarea tuturor ionilor care provoacă duritatea apei.

Duritatea apelor subterane are un caracter constant, în special la apele din pânza de mare adâncime, în timp ce la sursele de suprafață, duritatea este condiționată de o serie de factori externi.

Apa din puțurile de mare adâncime înregistrează o variație a durității de 1, în timp ce apa din pânza freatică înregistrează variații de 2,5 iar apa de suprafață de 4 grade de duritate.

2.4.1.1. Dedurizarea cu hidroxid de calciu

Hidroxidul de calciu se folosește pentru eliminarea durității temporare produse de bicarbonatul de calciu sau de magneziu, având efect și asupra durității permanente. Reacțiile chimice pentru reducerea durității temporare conduc la formarea carbonatului de calciu și a hidroxidului de magneziu insolubili:

Deoarece carbonatul de magneziu este mai puțin solubil în apă decât hidroxidul de magneziu, un exces de Ca(OH)2 va conduce la reacția:

Dacă apa brută conține bicarbonat de sodiu, atunci, după dedurizare, alcalinitatea crește ca urmare a formării carbonatului de sodiu:

pH-ul apei brute are o influență importantă asupra concentrației ionilor de Ca2+ și Mg2+ din apa dedurizată, astfel încât, dacă se urmărește evitarea precipitării magneziului, pH-ul nu trebuie să depășească valoarea 9,2.

Doza de hidroxid de calciu teoretic necesară pentru precipitarea optimă a bicarbonatului de calciu este:

în care: Dt este doza teoretică de hidroxid de calciu [g CaO/m3], C – numărul de grade de duritate calcică reală eliminată, – conținutul de dioxid de carbon liber, exprimat în grade duritate. În practică, doza de Ca(OH)2 folosită este mare, deoarece se întrebuințează hidroxid de calciu tehnic, cu 70% CaO. Excesul de hidroxid asigură atât creșterea pH-ului, cât și neutralizarea acidității datorate introducerii agenților de coagulare. Doza practică Dp este dată de relația:

Doza de hidroxid de calciu poate fi determinată și cu relația:

în care: Dv este doza de hidroxid de calciu [g CaO/m3], C1 – conținutul de CaO din bicarbonații din apa brută [g/m3], M – conținutul de MgO din bicarbonații din apa brută [g/m3], C2 – conținutul de CO2 liber din apa brută [g/m3], x – doza suplimentară de hidroxid de calciu (5-10 g/m3).

Dedurizarea cu hidroxid de calciu nu poate fi urmată de o coagulare cu sulfat de aluminiu, din cauza creșterii pH-ului. Din acest motiv, coagularea se poate face cu clorură ferică sau cu sulfat feric.

Cantitatea de carbonat de calciu precipitat P [g/m3] este dată de relația:

Pentru eliminarea durității temporare, utilizând ca reactiv hidroxidul de calciu, se pot utiliza trei variante:

Dedurizare cu hidroxid de calciu în exces (exces lime softening). În acest caz, se urmărește eliminarea maximă a durității magneziene, la un pH>9,2 (recomandat 10 – 10,5), pentru care este necesar hidroxid de calciu în exces față de doza calculată. Acest procedeu se folosește, mai ales, în cazul apelor naturale cu duritate magneziană mare și constă în parcurgerea următoarelor etape:

Precipitarea. Procesul are loc în decantoare suspensionale, în care faza de amestecare rapidă (Goptim = 300 s-1), este urmată de o perioadă necesară creșterii flocoanelor și precipitării (40-60 minute). Pentru a asigura o bună decantare a precipitatelor formate, se recomandă, fie introducerea unei mici doze de sulfat de aluminiu sau de aluminat de sodiu, fie decantarea suspensională cu recircularea nămolului.

Cristalizarea. Carbonatul de calciu, format în procesul de dedurizare, poate precipita atât sub formă de flocoane, cât și sub formă de cristale. Formarea acestora din urmă este determinată de nucleele de cristalizare ale carbonatului de calciu, iar creșterea acestora este mai rapidă decât creșterea flocoanelor. Este, de asemenea, foarte important ca aceste cristale să rămână în suspensie, fără a se uni sub forma unei mase solide. Prin acest proces se elimină, în primul rând, duritatea calcică, dar și o parte din magneziul conținut în apa brută, sub formă de CaMg(CO3) și CaCO3 · MgCO3.

Recarbonatarea. În apa decantată apare un conținut ridicat de calciu, sub formă de hidroxid de calciu dizolvat. Ulterior, acesta poate fi precipitat folosind dioxid de carbon sau carbonat de sodiu. În consecință, consumul de hidroxid de calciu este maxim și apa obținută este puternic dezechilibrată. Echilibrarea apei se face prin tratarea cu acid sulfuric sau cu dioxid de carbon, proces numit recarbonatare:

Îndepărtarea nămolului rezultat în urma procesului de dedurizare. Nămolul rezultat în urma concentrării este supus filtrării sub vacuum și utilizat în agricultură, ca îngrășământ, sau este supus arderii, pentru obținerea oxidului de calciu, care este reutilizat pentru producerea hidroxidului.

Eliminarea parțială a durității calcice (parțial softening) este un procedeu recomandat în cazul stațiilor de tratare mari și se realizează prin introducerea Ca(OH)2 în apă, într-o doză mai mică decât doza necesară scăderii bruște a durității. Procesul are loc în două etape: în prima etapă se obține o apă semidură, iar în a doua fază, carbonatul de calciu suprasaturat precipită pe germenii formați anterior. Operația este mai lentă decât în cazul dedurizării bruște.

Dedurizarea fragmentată (split treatment), prin care se aplică procedeul cu hidroxid de calciu în exces, numai pe o fracțiune din debitul total de apă brută supusă tratării. După precipitare, apa dedurizată se reintroduce în circuitul principal, astfel încât, la ieșirea din stația de dedurizare, apa va avea o duritate intermediară, iar dioxidul de carbon liber, existent în fracțiunea nededurizată, va participa la echilibrarea calco-carbonică. Decarbonatarea trebuie să fie urmată întotdeauna de filtrare.

Datorită causticității produsului, în spațiile de preparare ale hidroxidului de calciu și pe tot fluxul tehnologic unde intervine acesta, se iau măsuri speciale de protecție: utilizarea ochelarilor, a echipamentului de protecție din PVC și a măștilor, pentru evitarea inhalării prafului. Este, de asemenea, interzisă amestecarea sulfatului de aluminiu cu oxidul de calciu, deoarece acesta din urmă se hidratează cu apa de cristalizare a sulfatului de aluminiu, conducând la creșterea volumului total și a temperaturii și, în final, la explozia containerelor închise. Soluțiile de Ca(OH)2 și CaO, de orice concentrație, nu trebuie să fie în contact cu piese de aluminiu sau zinc, ci numai din beton, cauciuc, PVC sau oțel-carbon.

2.4.1.2. Dedurizarea cu hidroxid de sodiu

Hidroxidul de sodiu se folosește la reducerea durității temporare și permanente și la neutralizarea dioxidului de carbon, fiind o variantă a procedeului de tratare combinată cu hidroxid de calciu și carbonat de sodiu. Reacția de bază este:

Precipitarea carbonatului de calciu este însoțită de formarea carbonatului de sodiu, care va acționa, la rândul său, asupra durității permanente.

Hidroxidul de sodiu precipită și bicarbonatul de magneziu, în mod analog:

Doza de hidroxid de sodiu, DNaOH, folosită pentru eliminarea durității temporare, se stabilește conform relației:

în care: DMg este duritatea temporară magnezică [grade duritate]. Doza maximă admisă la tratarea apei potabile este de 100 g/m3.

Hidroxidul de sodiu se folosește la reducerea durității permanente, conform reacției:

Hidroxidul de sodiu este agresiv față de piele și ochi, față de aluminiu și zinc. Dizolvarea acestuia în apă este exotermă, motiv pentru care dizolvarea se realizează lent și în apă rece. Soluția se depozitează la temperaturi de peste 12ºC, în vase închise, pentru a se evita hidratarea sau carbonatarea prin contactul cu aerul.

2.4.1.3. Procedeul termic de dedurizare

Procedeul termic de dedurizare constă în încălzirea apei la temperatura de peste 100ºC și la presiune mare, ceea ce conduce la descompunerea bicarbonaților în carbonați insolubili, care precipită și bioxid de carbon, care se degajă. Procedeul este economic pentru dedurizarea apei cu duritate temporară mare, în cazul folosirii apei pentru alimentarea cazanelor cu abur de presiune joasă și mijlocie.

2.5. Decarbonatarea

Decarbonatarea sau dedurizarea parțială reprezintă eliminarea parțială a durității temporare din apă. Instalațiile pentru decarbonatarea apelor geotermale se stabilesc în funcție de cerințele tehnice ale utilizatorilor și de cele ale protecției mediului. Instalațiile pentru decarbonatarea apei pot fi cu strat de nămol sau de decarbonatare catalitică.

Instalațiile cu strat de nămol sunt mai puțin recomandate pentru decarbonatarea apelor geotermale.

Instalațiile care au la bază decarbonatarea catalitică folosesc drept catalizator al reacției ce are loc la punerea apei în contact cu varul, cristalele de carbonat de calciu. Aceste cristale au un diametru de 0,2 – 0,5 mm și sunt expandate într-un pat fluidizat. În locul cristalelor de carbonat de Ca se mai utilizează și nisipul cuarțos.

Această masă catalizatoare are rolul de a amorsa cristalizarea și de a servi drept suport acestei catalizări, căci carbonatul de calciu este un precipitat foarte fin și ușor antrenabil în apă. Această metodă este aplicabilă numai în cazul eliminării durității temporare datorată bicarbonaților de calciu din apele fără substanțe coloidale. Bicarbonații de magneziu dau naștere unui precipitat care nu se fixează pe masa catalizantă și este antrenat în efluent. S-a conceput o gamă largă de instalații ce au la bază decarbonatarea catalitică, cu viteza ascensională la partea superioară de 15 – 50 m/h. În figura 2.1. se prezintă decarbonatorul de tip „Gyractor”, de forma unui trunchi de con, iar în figura 2.2. tipul „Gyrazur”, mai perfecționat, ce permite o viteză ascensională mai mare, fiind constituit dintr-un trunchi de con la partea inferioară, un cilindru și un trunchi de con ce face legătura cu al doilea cilindru.

Mișcarea ascendentă elicoidală a apei la decarbonatoarele de tip „Gyractor” și „Gyrazur”, se realizează prin intrarea tangențială a curentului de apă la bază.

În figura 2.3. este prezentat decarbonatorul de tip „Tecproclone”, de forma unui trunchi de con, astfel conceput încât să realizeze o mișcare ascendentă centrală și în lateral o mișcare de convecție, parțial ramificată, ceea ce conduce la o foarte bună omogenizare.

Figura 2.1. Decarbonator de tip „Gyractor”[40]

Figura 2.2. Decarbonator de tip „Gyrazur”

Figura 2.3. Decarbonator de tip „Tecproclone”

2.6. Deferizarea și demanganizarea apelor geotermale cu temperaturi ridicate și medii

Fierul și manganul se găsesc în apele surselor subterane în dispersii moleculare, care constituie sisteme discrete și stabile, formate din molecule simple, în echilibru termodinamic, reprezentate prin soluții ale compușilor bivalenți. Particulele dispersiei, cu mărimea sub 1 m, trec în această stare prin toate filtrele, dializează și difuzează și nu sunt deci într-o stare de agregare favorabilă separării și reținerii lor din apă. Această stare se datorează în principal: lipsei de oxigen, prezenței bioxidului de carbon liber și uneori a hidrogenului sulfurat, unor valori scăzute ale pH-ului (sub 6,8), unor potențiale de oxidoreducere scăzute (sub 100 mV), unor potențiale electrocinetice ridicate (peste 30 mV), în echilibrul general jucând uneori un rol important și gradul redus de mineralizare a apei.

Fierul și manganul sunt două elemente indispensabile hranei omului. Conținutul de fier și mangan prezent în apă, de maximum câteva mg/l, este în cantitate neînsemnată pentru cerințele organismului uman. Rezultă deci că limitarea fierului și manganului în apă, nu se face datorită riscurilor fiziologice, ci din motive estetice și economice.

Legea nr.458/2002, completată cu Legea nr.311/2004, admite în apa de consum concentrații ale fierului de 0,2 mg/l, iar ale manganului de 0,05 mg/l.

Prezența fierului și manganului în apa potabilă, în concentrații ce depășesc limitele admise de Legea nr.458/2002, completată cu Legea nr.311/2004, prezintă o serie de inconveniente, după cum urmează:

Precipitatele formelor reduse de fier și mangan modifică neplăcut aspectul apei, prin apariția unei turbidități de culoare galben-brun, până la negru;

Depunerea precipitatelor conduce la pătarea cu maro sau negru a rufelor și a instalațiilor sanitare din porțelan;

Precipitatele de fier și mangan pot forma depozite pe conducte, mai ales la coturi, conducând la obturarea acestora;

Existența fierului dizolvat în apă poate conduce la dezvoltarea unor grupe de bacterii superioare (Crenothrix, Leptothrix), ferobacterii care consumă fierul dizolvat ca hrană. Coloniile acestor bacterii se fixează pe conducte, conducând la reducerea efectivă a secțiunii acestora, la colmatarea contoarelor și astuparea supapelor;

Când ferobacteriile mor, pot apărea probleme de gust și miros;

Fierul și manganul, în concentrații de câteva mg/l, pot da apei un gust metalic sau amar, dezagreabil pentru băut și poate forma pete închise la culoare pe legumele fierte;

Fierul și manganul, prezente în apă, sunt neconvenabile pentru o serie de procese industriale, ca: fabricarea hârtiei, vopsitorie, decolorare, developarea filmelor etc.

În stare nativă, fierul și manganul se găsesc în apele subterane sub formă de săruri dizolvate feroase și manganoase : Fe(HCO3)2, FeSO4, FeCl2, Mn(HCO3)2, MnSO4, MnCl2. Dintre acestea, în apele subterane din noastră predomină bicarbonații.

Dintre sărurile ferice , singura sare trivalentă solubilă este clorura ferică (FeCl3), care nu se găsește în mod natural în apă. Se poate găsi în apele de mină, sau ca rezultat al impurificării cu deșeuri de la combinatele chimice. Dacă apa subterană este supusă unui agent oxidant, compușii feroși și manganoși sunt oxidați până la compușii ferici – Fe(OH)3 și manganici – MnO2, compuși insolubili, ce se pot ulterior îndepărta.

2.6.1. Proprietăți fizico-chimice ale apei cu conținut de fier și mangan

Principalii parametri caracteristici fizico-chimici care condiționează procesele de oxidoreducere, fenomenele de suprafață (adsorbția fierului și a manganului din dispersiile moleculare și coloidale pe granulele de nisip), fenomenele electrocinetice, procesele de coagulare etc., care intervin în deferizarea și demanganizarea apei, se pot considera: temperatura, pH-ul, concentrația de Fe, Mn, CO2, O2, mineralizarea apei, conținutul de substanțe organice și în special de acizi humici, numărul și natura ferobacteriilor, potențialul electric de oxidoreducere, Eh și potențialul electrocinetic al dispersiilor.

Compușii de Fe și Mn se pot găsi în apă în cele trei domenii de dispersie:

Moleculară, formată din sisteme discrete stabile și în echilibru termodinamic, având particule (molecule sau ioni) cu mărimea sub 1 m, ce nu se depun, trec prin toate filtrele, dializează și difuzează;

Coloidală, formată din sisteme eterogene bifazice, cu suprafețe mari de separație, cu mărimea între 1 și 100 m, ce nu se depun, trec prin filtrele fine, dar sunt reținute de ultrafiltre;

Simplă, cu mărimea particulelor peste 100 m, care precipită sau nu se depun și sunt reținute pe filtre, nu difuzează și nu dializează.

Dispersiile moleculare sunt reprezentate în special de compușii bivalenți ai fierului și manganului, iar cele coloidale și suspensiile rezultă prin trecerea acestor compuși la o stare superioară de oxidare și prin coagulare.

2.6.2. Procesele fizico-chimice care au loc în cadrul deferizării și demanganizării apei geotermale

În deferizarea și demanganizarea apelor intervin în principal procese de oxidare și filtrare și în cazuri speciale procese de coagulare.

Procesul de oxidare are rolul de a corecta echilibrul general al compușilor feroși-manganoși din apă, astfel încât acesta să devină favorabil reținerii ulterioare a fierului și manganului prin filtrare. Procesul de oxidare are loc în condițiile introducerii în apă a unei anumite cantități de oxigen, a eliminării CO2 liber și eventual a H2S, care constituie mediul reducător. Prin procesul de aerare-oxidare, pH-ul apei crește odată cu eliminarea CO2, crește valența ionilor de Fe și Mn, care trec parțial la starea 3 de oxidare, se mărește potențialul la valori peste 0,10-0,14 V.

Procesul de coagulare are rolul de a corecta potențialul electrocinetic al dispersiilor la valori , astfel încât particulele coloidale să poată fi reținute prin decantare.

Procesul de filtrare are rolul de a reține Fe și Mn până la limitele admise în apa tratată.

Reținerea compușilor de Fe și Mn, în diferitele stări de agregare și oxidare, are, în procesul de filtrare, o serie de componente: procese de depunere și aglomerare, procese de adsorbție și chemosorbție, procese biologice etc., care se interferează și sunt greu delimitabile.

În tehnica deferizării și demanganizării apei se pot diferenția două tehnologii distincte de filtrare, după cum tratarea prealabilă filtrării conduce la obținerea unei stări de oxidare, mai mult sau mai puțin avansată, a fierului și a manganului din apă.

În cazul în care peste 70% din fierul total se găsește la intrarea în filtru în stare de dispersie moleculară, avem de-a face cu un proces de filtrare a fierului bivalent, caracterizat prin faptul că procesele de hidroliză și oxidare se produc direct în stratul filtrant, un rol determinant avându-l efectul catalitic al peliculelor de oxizi de fier și în special de mangan depuse anterior pe granulele din strat. Odată cu reținerea compușilor de fier și mangan în filtru, se creează puternice forțe de legătură între particulele reținute și granulele stratului filtrant, generate în principal de adsorbția superficială și uneori de chemosorbție. Aceste legături imprimă întregului proces de filtrare o stabilitate remarcabilă, independent de condițiile hidrodinamice din stratul filtrant, astfel încât eficiența filtrării se menține de-a lungul întregului ciclu. Această tehnologie de filtrare trebuie reținută și aplicată în toate cazurile când se poate asigura condiția la intrarea în filtre:

.

În acest scop, este necesar ca aerarea apei să se facă moderat, în limitele indicate în tabelul 2.1. și mai ales ca introducerea apei în filtre să se facă într-un interval scurt după aerare, fără bazine voluminoase de contact sau decantoare intermediare.

Tabelul 2.1. Necesarul de oxigen în aerare moderată

2.6.3. Deferizarea și demanganizarea apelor geotermale prin oxidare și filtrare

La prima vedere, procesul tehnologic de deferizare – demanganizare pare foarte simplu, iar schema clasică cuprinde două trepte de tratare:

Treapta de oxidare, în care formele solubile de fier și mangan sunt oxidate până la Fe(OH)3 și MnO2, forme, practic, insolubile în apă;

Separarea precipitatului format prin filtrare.

Oxidarea sărurilor solubile prin aerul atmosferic se va face prin insuflarea de aer în apă. Aerarea elimină atât H2S, cât și CO2, prezenți eventual în apă. După oxidare, urmează o instalație de limpezire, care să rețină flocoanele de hidroxid feric produse prin oxidarea sărurilor solubile de fier aflate în apă.

În cazul apelor geotermale, la care se urmărește păstrarea unei temperaturi cât mai ridicate, este indicată adoptarea unei instalații de deferizare a apei, care să funcționeze sub presiune. O instalație de acest fel este reprezentată în figura 2.4. și se compune dintr-un rezervor metalic împărțit pe verticală în două compartimente. Apa intră prin conducta (1); în aceeași conductă se introduce și aer comprimat prin conducta (2). Amestecul apei cu aerul comprimat se realizează în toba (3), de unde trece în compartimentul superior al dispozitivului, unde străbate masa de contact (C) de jos în sus. După aceea, trece prin tubul central în compartimentul inferior, unde se află un filtru rapid de nisip cuarțos. Apa deferizată iese prin conducta (4). Instalația hidraulică este completată cu conductele de apă de spălare (5),(6) și de evacuare (7), atât pentru patul de contact, cât și pentru filtru. De asemenea, se prevăd guri de vizitare (10), la ambele compartimente. Pentru golire este prevăzută conducta (8), iar pentru evacuarea aerului în exces, este prevăzută o supapă (9) la partea superioară a instalației.

Figura 2.4. Instalație de deferizare sub presiune

În figura 2.5 este prezentată o stație de deferizare pentru alimentarea cu apă a unei unități industriale..

Figura 2.5. Stație de deferizare pentru alimentarea cu apă a unei unități industriale

2.6.4. Procedeul de deferizare-demanganizare a apelor geotermale prin dublă filtrare

Cercetările în stații pilot au arătat că procesele de aerare și decantare nu sunt indispensabile pentru deferizarea apei. Experiențele de filtrare directă a apei (fără prealabilă aerare și decantare) au dovedit că fierul este reținut în masa filtrantă, fie în cazul în care se găsește în apă sub formă solubilă Fe(OH)2, fie insolubilă Fe(OH)3. Eficiența reținerii fierului este în funcție de condițiile de filtrare (viteză de filtrare, grosimea stratului filtrant, compoziția granulometrică a acestuia etc.).

Explicația reținerii fierului în filtrele de nisip de cuarț, atât a celui bivalent , cât și a celui trivalent , este următoarea: fierul se găsește în apă sub formă de hidrosol (sistem coloidal dispersat în apă) și este atras de granulele de nisip (SiO)2 încărcate cu sarcină electrică negativă; pe lângă aceasta, fierul este reținut și prin fenomenul de adsorbție.

Din rezultatele experiențelor efectuate pentru deferizarea apei, atât la noi, cât și în alte țări, se pot trage următoarele concluzii: este necesară verificarea ipotezei caracterului fizico – chimic al procesului de reținere a fierului; oxidarea nu este completă înainte de filtrare, iar în filtru nu se poate produce fenomenul chimic simplu de oxidare, deoarece durata de parcurgere este de 5…10 minute, pe când acest proces durează în mod obișnuit 4…5 h.

Dubla filtrare asigură deferizarea; tipul de filtru se alege astfel:

în cazul apelor cu conținut mic de fier (2…3 mg/l) se adoptă filtre cu grosime mare a stratului de nisip și cu strat subțire de apă;

în cazul apelor cu conținut mare de fier (10…20 mg/l) se adoptă filtre cu grosime mică de nisip și grosime mai mare a stratului de apă sau filtre sub presiune.

Caracteristica principală a filtrului rapid de nisip, ca instalație de deferizare, este capacitatea de reținere a fierului, exprimată în kg/m2 filtru. Experimental, s-a constatat că această caracteristică are ordinul de mărime 1…3 daN Fe/m2. Ea depinde de:

pH-ul apei (la un pH ridicat, capacitatea de reținere este mai mare);

viteza de filtrare (capacitatea de reținere scade odată cu creșterea vitezei);

conținutul de fier în apă (capacitatea de reținere este mai mare când apa conține mai mult fier);

grosimea stratului filtrant și compoziția lui granulometrică (capacitatea de reținere scade cu creșterea mărimii granulelor).

Se recomandă adoptarea unor viteze de filtrare de 7 – 10 m/h, în funcție de conținutul de fier, la care ciclul de funcționare durează de la 15 până la 500 h. Grosimea stratului filtrant se recomandă a se lua 0,8…1,2 m (eventual 2 m), iar mărimea granulelor 1,5…2,5 mm în treapta întâi de filtrare și 0,8…1,25 mm în treapta a doua. Spălarea nisipului se va face cu apă (4…6 l/s,m2) și aer comprimat (16…25 dm3/s,m2).

La experiențele din Belgia a rezultat că efectul produs de dubla filtrare (cu prima treaptă de 8 m/h și a doua treaptă de 4 m/h) este echivalent cu o filtrare unică cu viteza de 1 m/h.

Adoptarea unei scheme cu dublă filtrare reduce volumul stației și deci valoarea de investiție.

În figura 2.6 se prezintă o schemă tehnologică, adecvată proceselor de deferizare și demanganizare a apelor geotermale. Apa brută, împreună cu aerul livrat de un compresor, este introdusă într-un amestecător de apă-aer (A1), în care are loc oxidarea ionilor de fier, după care trece apoi în filtrul de deferizare (F1). Apa deferizată și tratată cu permanganat de potasiu, este introdusă în amestecătorul (A2) și de aici în filtrul de demanganizare (F2), după care apa filtrată este colectată într-un rezervor și distribuită consumatorilor. Masele filtrante sunt alcătuite din nisip de cuarț, de granulații și grosimi diferite. Instalațiile de acest tip pot funcționa cu debite cuprinse între 10 și 100 l/s, deservind între 1500 și 20000 locuitori.

Figura 2.6. Schema tehnologică a stației de deferizare-demanganizare

2.6.5. Deferizarea și demanganizarea apei direct în stratul acvifer

În cazuri speciale, se poate recurge la procedee simplificate și economice de eliminare sau stabilizare a fierului și manganului din apă.

Există anumite realizări pe linia reținerii fierului și manganului din apa subterană, direct în stratul acvifer, folosind injectarea în strat, în anumite condiții, a unui debit de apă aerată în prealabil. Sistemul este brevetat de specialiștii finlandezi și a fost experimentat pe câteva surse și în alte țări. Condițiile de aplicare trebuie examinate cu prudență, pentru a nu produce în timp, colmatări ireversibile ale stratului acvifer.

CAPITOLUI III

DETERMINAREA COMPOZIȚIA APELOR

GEOTERMALE

3.1. Metode de analiză

3.1.1. Analiza sodiului și potasiului

a. Analiza flamfotometrică a sodiului și potasiului

Determinările cantitative se efectuează după curba de etalonare prin metoda soluției etalon, care constă în introducerea consecutivă a soluției etalon și a soluției de analizat în flacăra arzătorului. Apa geotermală de analizat se aduce la o concentrație care să se încadreze în limitele corespunzătoare curbei etalon. Soluția se introduce în dispozitivul de pulverizare al flamfotometrului cu flacără. Se citește indicația obținută pe scala aparatului și din curba etalon se stabilește concentrația ionului de sodiu. Probele de ape cu conținut scăzut de sodiu se colectează în sticle de plastic.

Analiza sodiului se face la lungimea de undă de 589 nm, la o sensibilitate de 100 mgNa/1.

Determinarea flamfotometrică a potasiului parcurge aceleași etape ca și analiza sodiului. Se prepară soluții etalon de potasiu. Probele se agită puternic, se pulverizează în flacăra unui arzător, se interpune un filtru roșu cu X = 767 nm și se examinează transmitanța sau absorbanta. Citirile se efectuează față de o probă martor care nu conține potasiu. Se trasează graficul de etalonare .

b. Determinarea colorimetrică a potasiului

Metoda colorimetrică de dozare a potasiului constă în precipitarea ionilor de K+ sub forma unui complex nitrocobaltic. Precipitatul brun de cobaltnitrit de sodiu și potasiu este adus în soluție și dozat utilizând un fotocolorimetru la X =590 nm.

3.1.2. Analiza calciului și magneziului

Calciul și magneziul s-au determinat complexonometric. Soluția cu conținut de calciu se titrează cu o soluție de complexon III 0,lM în mediu alcalin (pH=12-13) în prezența indicatorului murexid până are loc virajul de la roșu la violet net. Determinarea calciului se poate efectua și în prezența magneziului. Soluția cu un conținut de cel mult 250 mg/1 se tratează cu soluție tampon (NH4Cl și NH3) până la atingerea pH-ului 10. Proba de apă supusă analizei se titrează cu complexon în 0,1 M în prezență de indicator eriocrom negru T până are loc virajul de la roșu la albastru clar.

a. Determinarea magneziului prin titrare cu complexon III

Soluției cu un conținut de cel mult 250 mg Mg/l, i se adaugă soluție tampon (NH4Cl și NH3) până la atingerea pH-ului 10. Soluția tampon se prepară astfel : 54g NH4Cl, 350 ml NH4OH 25% și apă distilată până la 1l

Proba de apă supusă analizei se titreză cu complexon în 0,1 M în prezență de indicator eriocrom negru T până la viraj de la roșu la albasrtu clar.

b. Determinarea complexonometrică a calciului

Calciul se titrează în mediu alcalin(pH=12-13) cu complexon III în prezența indicatorului murexid.

În proba de analizat se adaugă hidroxid de sodiu până se atinge pH-ul dorit. Se introduce un vârf de spatulă de murexid (amestec solid de murexid cu NaCl în raport de 1:100) și se titrează cu complexon III 0,1 M până la viraj de la roșu la violet net.

Determinarea se poate efectua și în prezența magneziului. O cantitate prea mare de magneziu se titrează parțial împreună cu calciul. Fierul și manganul se pot masca cu etanolamină.

3.1.3. Analiza fierului

Determinarea fierului din apele geotermale s-a realizat spectrofotometric. Proba de apă cu conținut de fier se stabilizează cu acid clorhidric. Fierul trivalent din soluție este redus la Fe2+ prin fierbere cu acid și hidroxilamină și tratare cu 1,10-fenantrolină la pH=3,2-3,3. Trei molecule de fenantrolină formează cu ionul feros un complex de culoare roșu-portocalie. Fierberea cu acid înlătură interferența fosfaților și nitriților eventual prezenți, iar adaosul de hidroxilamină elimină erorile cauzate de concentrațiile prea mari ale agenților oxidanți. Se folosește fenantrolină în exces pentru a îndepărta unele metale ce ar putea și ele complexa. Extincția se citește la X=510 nm folosind cuve de 5 cm pentru concentrații în fier mai mici de l00 ug sau cuve de 1 cm pentru concentrații de 100-500 ug.

a. Determinarea permanganometrică a fierului (III) sau a cantității totale de fier (II) și fier (III)

Fierul trivalent se reduce la fier bivalent cu clorură stanoasă apoi se dozează ca și în metoda anterioară. În soluța ferică se adaugă HCl concentrat și se încălzește până aproape de fierbere. Se adaugă picătură cu picătură soluție de clorură stanoasă (125g SnCl2.2H2O, 100ml HCl conc. și 10g Sn metalic, se iintroduc în balon și se complectează la 1l cu apă distilată) până la decolorare și o picătură în exces. După răcire excesul de SnCl2 se oxidează cu o soluție de HgCl2 5%. Se adauga 25ml soluție sare manganoasă și se titrează cu permanganat până la roz persistent.

3.1.4. Analiza amoniacului din sărurile de amoniu

Reactivul Nessler (iodo-mercuriatul de potasiu) în prezența amoniacului se descompune sub formă de iodură aminodimercurică, de culoare galben-portocalie, care ne permite dozarea colorimetrică a ionului NH4+. Extincția se citește la 420 nm.

3.1.5. Analiza silicei

S-a utilizat metoda spectrofotometrică bazată pe reacția silicei cu ionii molibdat la pH=l,2-l,5. Complexul silico-molibdenic format este de culoare galbenă.

3.1.6. Analiza dioxidului de carbon

Dioxidul de carbon poate fi:

liber – agresiv, ca CO2;

echilibrant, ca H2CO3;

salifiat – semicombinat, în bicarbonați (HCO3 );

combinat, în carbonat (CO 32-);

total.

Bioxidul de carbon (din acidul carbonic) aflat în apă se neutralizează cu un exces cunoscut dintr-o soluție de NaOH în prezență de fenolftaleină până la colorație roz

persistent.

Excesul de NaOH se titrează cu acid clorhidric până la decolorarea soluției. Tratarea probei de apă cu excesul de NaOH se efectuează în prezență de sare Seignette, care constituie un tampon, eliminându-se astfel acidificările locale și precipitarea hidroxidului feric.CO2 din carbonați s-a determinat prin titrare volumetrică.

Metoda se bazează pe neutralizarea carbonaților cu acid clorhidric până la treapta de bicarbonate, utilizând fenolftaleina ca indicator.

3.1.7. Analiza clorurilor

Determinarea Cl- s-a făcut prin titrare cu azotat de argint în prezență de cromat de potasiu ca indicator (metoda Mohr). Se utilizează soluție de azotat de argint 0,0141M, soluție de NaOH 1N și ca indicator K2CrO4 5%. Ionii clorură se titrează cu soluția de azotat de argint în prezența indicatorului de cromat de potasiu, culoarea schimbându-se de la galben la brun. Se păstrează o probă martor netitrată și una titrată pentru a se putea compara culoarea cu a celorlalte soluții.

3.1.8. Analiza sulfaților

Concentrația sulfaților în apele geotermale s-a determinat prin titrare cu o soluție de perclorat de bariu, folosind thorin ca indicator.

Ionul sulfat în mediu alcoolic, în prezență de sulfat de bariu și în condiții controlate de aciditate, este titrat cu soluție de clorură de bariu, folosind thorin ca indicator. Cationii interferenți sunt îndepărtați prin trecerea probei de apă printr-o coloană schimbătoare de ioni.Precizia metodei este de 0,5 mg/l pentru domeniul 5-100 mg SO4 2- /l și de 0,7 mg/l pentru conținuturi de peste 100 mg SO4 2-/1.

3.1.7. Analiza clorurilor

Determinarea Cl- s-a făcut prin titrare cu azotat de argint în prezență de cromat de potasiu ca indicator (metoda Mohr). Se utilizează soluție de azotat de argint 0,0141M, soluție de NaOH 1N și ca indicator K2CrO4 5%. Ionii clorură se titrează cu soluția de azotat de argint în prezența indicatorului de cromat de potasiu, culoarea schimbându-se de la galben la brun. Se păstrează o probă martor netitrată și una titrată pentru a se putea compara culoarea cu a celorlalte soluții.

3.1.8. Analiza hidrogenului sulfurat

Determinarea H2S s-a făcut prin titrare cu acetat de mercur în prezență de ditizonă, ca indicator. Titrarea se consideră încheiată atunci când are loc virajul de la galben, culoarea ditizonei în soluție alcalină, la roșu, culoarea ditizonatului de mercur. Dacă concentrația H2S este ridicată apa va deveni brună sau chiar neagră, în timpul titrării. Acest lucru cauzat de apariția precipitatului, care face ca virajul să nu fie concludent, de aceea se va proceda întâi la diluarea probei de apă luată spre analiză.

3.1.9. Analiza fosfaților

Determinarea ionului PO43-din apele geotermale s-a făcut prin tratare cu molibdat de amoniu. Metoda se bazează pe proprietatea fosfaților prezenți în soluție de a reacționa cu molibdatul de amoniu în mediu acid. Fosfomolibdatul de amoniu format, se reduce cu acid ascorbic la un complex albastru, a cărui extincție se măsoară la X= 608 nm.

3.1.10. Analiza compușilor fenolici din apele geotermale

Soluția foarte diluată de fenol se descompune foarte rapid, de aceea după 6 ore de la prelevare, proba de apă trebuie conservată cu 1 g de sulfat la litru.

Dozarea colorimetrică a fenolilor s-a făcut astfel: în mediu alcalin (pH=9,4) după extracția cu eter, fenolii și omologii săi imediat superiori (crezoli, naftoli etc.) dau cu 2-6 dibromochinonă-cloroimidă, indofenoli care pot fi analizați colorimetric. Extincția se citește la 625 mu.

3.1.11. Analiza azotaților și azotiților

a. Determinarea azotiților cu acid sulfanilic

Dozarea colorimetrică aazotiților se bazează pe proprietatea ionilor NO2- de a forma cu acidul sulfanilic și cu fenol în mediu puternic acid un complex de culoare galbenă.

Extincția se citește la o lungime de undă, X= 435 mu.

b. Determinarea azotatului cu salicilat de sodiu, spectrofotometric

Ionul azotat în mediu de acid sulfuric și tartrat de sodiu și potasiu formează cu salicilatul de sodiu săruri colorate în galben ale acidului nitrosalicilic. Intensitatea colorației soluției se măsoară la X = 410 nm. Prin diluarea corespunzătoare a probelor de apă se pot determina concentrații de azotați mai mari de 40 mgNO3/1.

3.1.13. Analiza conținutului total de solide dizolvate

S-a realizat gravimetric prin evaporare.

3.2. Compoziția chimică a apelor geotermale

Datele experimentale privind compoziția chimică a apelor geotermale, luate în studiu, sunt redate în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1.Caracteristicile chimice prezentate de apele geotermale produse prin sondele 4699 Cighid, 507 Livada, 4175 Tășnad și 4777 Mădăras( în mg/l).

Conform datelor compoziției chimice se poate spune că apele geotermale de la Tășnad sunt ape puternic clorurice și de tipul cloro- bicarbonato- sodice. Apele de la Cighid și Mădăras sunt ape puternic bicarbonatice și de tipul bicarbonato-sodo-clorice. Apa geotermală de la Livada este apă bicarbonatică, de tipul bicarbonato-cloro-sodică.

Figura 3.1. Valorile pH-ului pentru cele patru foraje

Figura 3.2.Valorile Ca2+ pentru cele patru foraje

Figura 3.3.Valorile HCO3 pentru cele patru foraje

Figura 3.4.Valorile Na+ pentru cele patru foraje

Figura 3.5.Valorile CO2 pentru cele patru foraje

Figura 3.6.Valorile mineralizării pentru cele patru foraje

Figura 3.7.Valorile Cl- pentru cele patru foraje

CAPITOLUI IV

VALORIFICAREA ENERGIEI GEOTERMALE

Folosirea energiei geotermale prezintă avantaje față de utilizarea resurselor convenționale de energie. Constituie o sursă nepoluantă de energie, se găsește din abundență și se reface în timp Apele geotermale se utilizează ca agent termic pentru încălzirea unor clădiri, a serelor, în anumite procese industriale.

Cu aproximativ 3 decenii în urmă a început exploatarea resurselor geotermale, la început fiind utilizate direct la încălzire, iar mai târziu și în diferite procese industriale și la producerea curentului electric.

Energia geotermală este utilizată la recuperarea unor minerale din apa de mare sau din apa geotermală cu un conținut ridicat de săruri. Principalii componenți ai apei saline sunt recuperați prin cristalizare ca rezultat al concentrării sărurilor.Uneori procesul de concentrare este legat și de schimbările de pH sau adausul altor săruri. Concentrarea se realizează solar sau prin evaporări succesive în evaporatoare. Componenți minori pot fi extrași din apa geotermală prin cristalizare, precipitare sau folosind schimbători de ioni.

Primul pas în procesul de recuperare a mineralelor din apa sărată constă în extragerea speciilor chimice care se găsesc din abundență. Astfel din apele geotermale situate aproape de mare în Islanda se separă prin cristalizare sodiul, potasiul, calciul sub formă de cloruri. Procesele folosite pentru a separa fiecare component țin seama de solubilitatea diferitelor minerale.

În cadrul fabricii de sare din Reykjanes se aplică procedeul extragerii sărurilor din apa de mare prin evaporări succesive, în procesele de evaporare utilizându-se apa geotermală de temperatură ridicată. În acest proces soluția este concentrată întâi pentru a extrage silica. Urmează apoi cristalizarea clorurii de sodiu, a clorurii de potasiu și obținerea bromului. În final clorura de calciu poate fi obținută, evaporând apa sub concentrația de saturație.

Principalele utilizări în România sunt: încălzire spații și preparare apă caldă menajeră, încălzire sere, uscarea lemnului, pasteurizarea laptelui, topirea inului și a cânepii, creșterea intensivă a peștilor etc..

Economia totală de energie realizată anual este de peste 1465450 GJ: încălzire spații 36%, încălzire sere 23%, procese industriale 7%, piscicultură 2%, balneologie 32% . În scop balneoterapeutic sunt utilizate cca. 30 de sonde (cu un debit total de peste 360 l/s, apele având temperaturi cuprinse între 38-65°C) care asigură funcționarea a 16 stațiuni termale, în care se tratează peste 550000 persoane/an. Sunt în funcțiune de asemenea 24 de ștranduri și 7 piscine acoperite.

4.1. Încălzirea încăperilor și prepararea apei calde menajere

Utilizarea la încălzirea încăperilor și prepararea apei calde menajere a apei geotermale se realizează în aproximativ 40 de țări, din care, 14 țări au fiecare o capacitate instalată de peste 100 MWt (t = termic)

Capacitatea totală instalată, este de aproximativ 12.000MWt.

Costul de producție pe kWt în cazul acestui tip de utilizare este variabil dar, în mod obișnuit este sub 2 cențiUS/kWt.

Universitatea din Oradea este printre cele 3 universități din lume care utilizează apa geotermală pentru încălzire și preparea apei calde menajere, pentru întregul campus universitar (celelalte două sunt în Islanda și SUA).

Aparatele termice utilizate pentru încălzirea încăperilor pot fi de tip convectiv (calorifere de diverse tipuri) care necesită agent termic cu temperatură mai mare (70-90°C), sau panouri radiante (serpentine sau fascicule de țevi încastrate în pereți sau planșee), care necesită agent termic cu temperatură mai mică (40-50°C).

Dacă fluidul geotermal nu prezintă pericol de coroziune sau de depunere, sau dacă acestea pot fi prevenite ușor și ieftin prin aditivare chimică, acesta poate fi utilizat direct ca agent termic în sistemul de încălzire.

4.2. Încălzirea serelor

Încălzirea serelor cu apă geotermală are o largă aplicabilitate atât în varianta de utilizare a apei de zăcământ, cât și a utilizării în cascadă [16]. Dezvoltarea și diversificarea folosirii serelor în domeniul agro-horticol a antrenat după sine un necesar ridicat de energie pentru încălzirea acestora. Energia apelor geotermale constituie un potențial energetic și economic. Folosirea în acest scop a apei geotermale a început în Islanda în 1920 și mai târziu zeci și chiar sute de hectare de sere au fost încălzite în țări precum SUA, Ungaria, Italia și Macedonia.

4.3. Piscicultura și acvacultura

Necesitățile de temperatură pentru speciile acvatice exotice, precum și cercetările efectuate pe speciile autohtone au impus realizarea unor bazine cu temperatura controlată a apei, cuprinsă între 20 și 30°C.

Creșterea speciilor acvatice precum și cultivarea plantelor acvatice alimentare (alge cu conținut ridicat de proteine) se realizează în general în bazine cu suprafață mare și adâncime mică situate în aer liber. Pierderile de căldură depind mai ales de viteza vântului și de diferența de temperatură dintre apă și aerul atmosferic.

4.4. Balneologia

Efectele terapeutice ale apelor geotermale au fost descoperite încă din antichitate; astfel în Roma antică, observându-se efectele benefice ale apelor geotermale asupra afecțiunilor reumatismale, au fost construite "termele romane", care s-au bucurat de o largă aplicabilitate.

În prezent, cercetarea științifică a efectelor medicale ale apelor geotermale este încă în plină dezvoltare atât în țară cât și în străinătate, punându-se accentul pe efectele fiziologice benefice pe care acestea le determină și pe programe diversificate de hidrokinetoterapie.

Cercetările românești în domeniu ocupă un loc important, România dispunând de 16 stațiuni balneoclimaterice, unde se tratează, anual peste 500.000 bolnavi.

4.5. Utilizarea energiei geotermale în industrie

Energia termică a apei geotermale poate fi utilizată și în unele procese tehnologice. Aplicațiile industriale pot include procese de uscare, încălzire, evaporare sau distilare. Astfel apa geotermală poate fi folosită pentru uscarea cherestelei, uscarea unor produse alimentare vegetale, deshidratarea legumelor și fructelor, desalinizarea apei marine, spălarea și albirea lânei, topirea inului și a cânepii, pasteurizarea laptelui, a berii și a băuturilor răcoritoare, recuperarea unor substanțe chimice.

În unele cazuri, fluidul geotermal (abur sau lichid ) este utilizat ca agent primar în scimbătoarele de căldură pentru încălzirea agentului termic utilizat în procesul tehnologic.

Printre avantajele utilizării sistemului de încălzire geotermal se pot enumera:

eliminarea consumului de combustibil convențional, eliminarea pericolului de incendiu;

evitarea contaminării și colorării produsului finit, dacă nu există produse de ardere în curentul de aer.

În România apa geotermală este utilizată în procese industriale:

Oradea: uscarea lemnului la două fabrici de mobilă, pasteurizarea laptelui, spălare la

abator;

Săcuieni, județul Bihor: uscarea lemnului și uscarea cerealelor;

Palota, județul Bihor: spălarea lânei și topirea inului și a cânepii;

Jimbolia, județul Timiș: uscarea ceramicii, topirea inului și a cânepii.

4.6. Conversia în energie electrică

Una din posibilitățile de valorificare a potențialului geotermal o constituie conversia energiei fluidului geotermal în energie mecanică, apoi prin intermediul unui generator electric în energie electrică.

Conversia în energie mecanică se poate realiza direct prin intermediul unor agregate prin care circulă fluid geotermal sau indirect prin intermediul unui fluid secundar de lucru care evoluează după un ciclu termodinamic motor, în care fluidul geotermal reprezintă sursa caldă a ciclului.

În străinătate, prima instalație industrială de prelucrare a energiei electrice din energie geotermală a fost realizată în 1931 la Larderello, în Italia. Aceasta folosea o turbină pentru destinderea aburului supraîncălzit furnizat de o sondă de extracție.

În străinătate, centralele electrice care utilizeză un fluid de lucru secundar, numite centrale electrice binare, folosesc ca sursă caldă, fluide geotermale cu temperaturi între 80-150°C, și ca fluid de lucru: n-heptan, izobutan și freon. Primele două au dezavantajul că prezintă pericole de explozie, iar freonul are impact ecologic negativ prin distrugerea stratului de ozon.

La Universitatea din Oradea, centrala electrică binară din cadrul campusului universitar folosește ca sursă caldă, apa geotermală cu temperaturi de 85°C.

Bioxidul de carbon (CO2), utilizat ca fluid de lucru, elimină dezavantajul celorlalte fluide de lucru, nefiind nociv.

CONCLUZII

Rezervoarele geotermale, care se găsesc la câțiva kilometri în adâncul scoarței terestre, pot fi folosite pentru încălzire directă, aplicații care poartă numele de utilizare directă a energiei geotermale. Oamenii au folosit izvoarele calde, încă de acum câteva mii de ani, pentru furnizarea apei de îmbăiere sau de gatit. Astăzi, apa izvoarelor este captată și utilizată în stațiunile balneare.

Județul Bihor oferă resurse generoase de ape geotermale în repartizate diferit pe suprafața acestuia, cu proprietăți și calități specifice specifice care dacă ar fi cunoscute îndeajuns ar putea permite oexploatare mai bună a acestei bogății locale

Utilizarea apelor geotermale în județul Bihor este orientată cu precădere pentru încălzirea locuințelor, instituțiilor, serelor, prepararea apei calde menajere, balneologie și agrement.

Din punct de vedere cantitativ, resurse de ape geotermale în această zonă sunt, însă calitativ acestea trebuie analizate diferit și utilizarea acestora pentru diferite folosințe să țină cont de tipul de apă.

Pe lângă utilizarea în scopurile enumerate anterior, apele geotermale pot fi utilizate ca surse de energie regenerabilă, nepoluantă, asigurând totodată protecția mediului.

BIBLIOGRAFIE

1. Cineti, A.- 1990 – Resursele de ape subterane ale României, Ed.Tehn. București,

2. Fournier, R.O., Truesdell, A.H.: 1973 – Geochimica et Cosmochimica Acta, 37, 1973, p.1255.

3. Fridleifsson, I.B – 2001 – Text book European Summer School on Geothermal Energy Applications, Oradea, p.93.

4. Herbst,C., Letea,I., – 1974 – Resursele energetice ale pământului, Editura Știința pentru toți, București

5. Ionescu,Gh., -1996 – Tehnologia utilizării energiei geotermice, Analele Universității din Oradea, fascicula Probleme de mediu, Oradea

6. Maghiar,T.- 2001- Text book European Summer School on Geothermal Energy Applications, Oradea

7. Maghiar T.- 1995 – Surse noi de energie, Editura Universității din Oradea

8. Roșca, M., – 1999 – Geotermalism și centrale geotermale, Editura universității din Oradea,Oradea

9. Sebeșan, M., Stănășel, O., Sebeșan, R. – 2005 – Proceedings of the World Geothermal Congress, Antalya-Turkey, p. 2040.

10. Stănășel, O.- 2003 – Monitorizarea chimică a sondelor geotermale de producție, Ed.Univ. din Oradea, Oradea.

11. Tenu, A.- 1981 – Zăcămintele de ape hipertermale din nord-vestul României, Ed.Acad.RSR București

12. Vevera C., Stamo, V., – 1982 – Utilizarea energiei geotermale în complexe de sere, Timișoara

***Legea nr.458/2002

.

BIBLIOGRAFIE

1. Cineti, A.- 1990 – Resursele de ape subterane ale României, Ed.Tehn. București,

2. Fournier, R.O., Truesdell, A.H.: 1973 – Geochimica et Cosmochimica Acta, 37, 1973, p.1255.

3. Fridleifsson, I.B – 2001 – Text book European Summer School on Geothermal Energy Applications, Oradea, p.93.

4. Herbst,C., Letea,I., – 1974 – Resursele energetice ale pământului, Editura Știința pentru toți, București

5. Ionescu,Gh., -1996 – Tehnologia utilizării energiei geotermice, Analele Universității din Oradea, fascicula Probleme de mediu, Oradea

6. Maghiar,T.- 2001- Text book European Summer School on Geothermal Energy Applications, Oradea

7. Maghiar T.- 1995 – Surse noi de energie, Editura Universității din Oradea

8. Roșca, M., – 1999 – Geotermalism și centrale geotermale, Editura universității din Oradea,Oradea

9. Sebeșan, M., Stănășel, O., Sebeșan, R. – 2005 – Proceedings of the World Geothermal Congress, Antalya-Turkey, p. 2040.

10. Stănășel, O.- 2003 – Monitorizarea chimică a sondelor geotermale de producție, Ed.Univ. din Oradea, Oradea.

11. Tenu, A.- 1981 – Zăcămintele de ape hipertermale din nord-vestul României, Ed.Acad.RSR București

12. Vevera C., Stamo, V., – 1982 – Utilizarea energiei geotermale în complexe de sere, Timișoara

***Legea nr.458/2002

.