Schimbatori de Ioni Naturali
CUPRINS
I. Introducere. Generalități. Scurt istoric
1.1. Descrierea procedeului de electroliza
1.2. Legături chimice
1.3. Legătura ionică
1.4. Teoria disociației electrolitice
II. Schimbători de ioni naturali
2.1. Teorii ale schimbătorilor de ioni
2.2. Clasificarea schimbătorilor de ioni
2.3. Clasificarea rășinilor
2.4. Proprietățile fizico-chimice ale rășinilor schimbătoare de ioni
2.5. Factori care influențează schimbul ionic
2.6. Rolul catalitic al schimbătorilor de ioni
2.7. Modul de dispunere a schimbătorului de ioni în strat
2.8. Cromatografia cu schimbători de ioni
2.9. Tehnica separării utilizând schimbători de ioni
III. Prezentarea cazului studiat
3.1. Descoprirea rășinii naturale
3.2. Restaurarea preventivă cu rășini
3.3. Transformatoare de distribuție uscate cu înfășurările din rășină turnate în Sistem Vacuum
3.4. Capacitatea de suprasarcină
3.5. Transformatoare de distribuție oferite de ABB
IV. Studiu de literatură. Tematica propusă strict la domeniu
4.1. Tratarea apelor prin schimbători de ioni naturali
4.2. Actiunea conjugată a câmpului electric și a schimbătorului de ioni asupra speciilor ionice și ionizabile din soluție în electrodeionizare
4.3. Caracteristici calitative și cantitative ale apelor uzate
4.4. Compoziția fizico-chimică generală a apelor naturale
4.5. Substanțe întâlnite în apele naturale
4.6. Proprietățile generale ale apelor naturale
4.7. Procese unitare pentru epurarea apelor uzate industrial
4.8. Probleme privind modelarea proceselor pentru tratarea apelor
4.9. Procese unitare pentru tratarea apelor
4.10. Egalizarea apelor uzate, uniformizarea debitelor și a compoziției apelor industriale
V. Variante tehnologice reprezentative schimbătorilor de ioni naturali
5.1. Flux tehnologic
5.2. Scheme tehnologice ale stației de tratare
5.3. Elaborarea schemei tehnologice de tratare a apelor reziduale
VI. Pompe de apă și tratarea apei
Bibliografie
Anexe
I. INTRODUCERE. GENERALITĂȚI. SCURT ISTORIC.
Atomul este cea mai mică parte în care se poate diviza o substanța simplă și care
păstrează individualitatea acesteia.
În secolul V î.Hr., materia era considerată ca fiind constituită din patru elemente de bază: apa, pământul, aerul și focul, care se pot combina între ele datorită unor forțe de atracție și respingere.
În antichitate a fost introdusă noțiunea de atom, denumire care provine din limba greacă (atomos), însemnând „indivizibil”.În perioada evului mediu, alchimiștii au descoperit numeroase elemente chimice, în speranța descoperirii metodei de obținere a aurului din diferite substanțe.
În anul 1803, J.Dalton a enunțat teoria atomistă, considerând atomul ca fiind o sferă solidă cu masă proprie, fiecare element având același tip de atomi identici.
În anul 1897, J.J. Thompson a presupus că atomul este divizibil, fiind format dintr-o sferă cu electricitate pozitivă în care se găsesc particule cu sarcină negativă, denumiți electroni. Acest prim model al atomului a fost denumit prăjitura lui Thompson.
În anul 1912, E. Rutherford a enunțat teoria nucleară a atomului, conform căreia, nucleul este format din particule (nucleoni) : particule încărcate pozitiv (protoni) și unele neutre (nucleoni). Modelul planetar al atomului propus de Rutherford arată asemănarea dintre structura materiei la nivel macrocosmic cu cea la nivel microcosmic. În mod asemănător cu sistemului solar, nucleu este plasat în centrul atomului, iar electronii se rotesc in jurul acestuia. Forțele de atracție dintre nucleu și electroni sunt asemănătoare gravitației, modelul conceput fiind denumit modelul planetar al atomului. S-a dedus că numărul de electroni ce înconjoară nucleul trebuie să fie egal cu numărul de sarcini pozitive ale nucleului pentru ca atomul să fie neutru.
M. Planck a arătat prin teoria cuantică, faptul că un atom poate absorbi energie, trecând la o stare de energie E1, la o altă stare de energie, E2 (E1 < E2) ca apoi, prin emiterea energiei absorbite, să revină la starea de energie E1. Energia absorbită sau emisă este: E = E2 – E1.
Electroliza cu membrane schimbătoare de ioni
1.1. Descrierea procedeului de electroliză
Soluția apoasă de clorură de sodiu de 310-315 g/l NaCl cu care se alimentează celulele este disociată astfel:
NaCl—Na+ +Cl-
H2O—H++OH-
Sub influența curentului electric,ionii se descarcă la anod si catod prin cedarea sarcinii electrice .
Deoarece hidrogenul este scos din sistem strică echilibrul chimic și o altă cantitate de apă disociind în H+ și OH-. Ionii de OH- rămași în soluție formează lângă catod cu ionii de natriu, hidroxidul de sodiu.
Ecuația generală a procesului de electroliză a soluției apoase, a clorurii de sodiu este: 2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2 +H2 .
Evoluția procesului de electroliză a solutiei de clorură de sodiu s-a desfășurat pe platforma combinatului Borzestean astfel: electroliza cu difragma 24,2 kA bazându-se pe soluție de clorură de sodiu, primită de la sondele de exploatare a zăcământului de sare de la Tg Ogna (1965-1975), electroliza cu mercur, bazându-se pe exploatarea zăcământului de sare gema de la Tg Ogna(1975-1996) și electroliza cu diafragma 64,2KA (1976-1996), instalații care s-au uzat fizic și moral înlocuindu-se cu electroliza clorurii de sodiu bazată pe membrane schimbătoare de ioni.
1.2.Legături chimice
Pentru a forma combinații chimice stabile din punct de vedere energetic, atomii se combină între ei, fiind foarte reactivi datorită energiei mari pe care o posedă.
Legătura chimică este forța exercitată între grupuri de atomi sau ioni care determină formarea unei unități stabile, care reacționează ca grupare sau specie de sine stătătoare. Teoria lui Lewis denumită teoria electronică a valenței sau a valenței directe, explică formarea legăturilor chimice dintre elemente în scopul formării de substanțe compuse cu molecule și structuri stabile, prin tendința acestora de a realiza configurația stabilă de dublet sau octet, a stratului electronic exterior. Majoritatea atomilor tind către configurația de octet (regula octetului), fie prin cedare sau acceptare de electroni (electrovalența), fie prin punere de electroni în comun (covalența ).
Tipurile de legături chimice sunt:
1. legături ionice (de exemplu: NaCl, AlCl3)
2. legături covalente:
a) simple : omogene, (Cl2, H2, O2)
eterogene (HCl, NH3 )
b) multiple: omogene (N2)
eterogene ( HCN)
c) coordinative ( [NH ]+, [Cu (NH3) 4 +]2+ )
1.3.Legătura ionică
Legătura ionică sau electrovalentă sau heteropolară reprezintă forța de atracție electrostatică dintre ionii pozitivi și ionii negativi, formați prin cedare și respectiv, prin acceptare de electroni, adică prin transfer de electroni. În acest mod se formează un compus ionic.
Un exemplu clasic îl constituie formarea moleculei de clorură de sodiu (NaCl) prin realizarea unei legături ionce, de atracție între ionii Na+ și Cl-, formați prin transferul unui electron cedat de atomul de sodiu și acceptat de atomul de clor:
– cedarea unui electron din stratul exterior al atomului de sodiu, cu formare de ion pozitiv: Na – e- → Na+
– acceptarea electronului cedat de atomul de sodiu, pentru completarea stratului său electronic în configurație de octet, cu formare de ion negativ: Cl + e- → Cl-
Datorită atracției electrostatice dintre cei doi ioni cu sarcini electrice de semn contrar, se realizează o legătură ionică, formându-se o moleculă de clorură de sodiu: Na+ + Cl- → Na +Cl-
Electrovalența reprezintă numărul de electroni cedați din stratul electronic exterior – valența pozitivă de la (+1) la (+4), în cazul elementelor din grupele principale IA-IVA ale tabelului periodic și respectiv, numărul de electroni acceptați pe stratul electronic exterior de la (-4) la (-1), valența negativă, pentru a atinge configurația electronică stabilă de octet a ultimului strat electronic. Aceasta reprezintă regula octetului de valență. Elementele de tranziție, metalele din grupele IB-VIIB, pot realiza configurația stabilă de octet prin cedare de electroni ai orbitalilor d sau f, cu posibilitatea de a se transforma în mai mulți ioni pozitivi cu diferite valențe:
Fe 2+, Fe 3+,Cu 2+, Cu +, Mn 2+, Mn 7+.
Compușii ionici în stare solidă sunt caracterizați prin stabilitate și ordonare a particulelelor în celule elementare care formează rețele cristaline unde ionii pozitivi și negativi alternează în mod regulat și uniform. Substanțele cristaline nu sunt formate din molecule, ci din cristale cu formă spațială determinată, caracteristică substanței respective (cubică, tetragonală, rombică, hexagonală etc.) cu o distribuție uniform alternantă a ionilor pozitivi și negativi. Numărul ionilor de semn contrar din jurul unui ion reprezintă numărul de coordinare a acestui ion, fiind determinat de forma geometrică spațială a celulei elementare a rețelei ionice. În soluție, legătura ionică (electrovalentă) dă posibilitatea ionilor din molecule de a se mișca liber, astfel încât substanțele disociază.
1.4. Teoria disociației electrolitice
S-a observat că unele soluții conțin mai multe particule decât numărul de molecule ale substanței dizolvate care nu sunt atomii componenți ai moleculelor respective, ceea ce arată faptul că moleculele de solut se transformă în mai multe particule.
Așadar, în timpul dizolvării, are loc un proces denumit disociere sau ionizare a substanțelor ionice și polare dizolvate sub acțiunea moleculelor de dizolvant.
Pe baza studiilor lui van’Hoff, substanțele ale căror soluții apoase conduc curentul electric se numesc electroliți (de exemplu: acizii, bazele, sărurile), iar substanțele ale căror soluții nu conduc curentul electric, se numesc neelectroliți (majoritatea substanțelor organice).
Prin teoria disociației electrolitice, S. Arrhenius arată că moleculele unui electrolit dizolvat în apă se scindează în ioni cu sarcină pozitivă și ioni cu sarcină negativă, adică disociază. La dizolvarea compușilor ionici are loc o interacție a ionilor din rețeaua cristalină și dipolii de apă, astfel încât ionii se desprind din rețea și trec în soluție înconjurați de moleculele de apă, fiind hidratați.
Procesul de disociație electrolitică constă în are loc prin scindarea moleculelor unei combinații ionice într-un dizolvant; disociația electrolitică a unei baze, acid și respectiv, a unei sări, este un proces reversibil:
NaOH → Na+ + OHH2SO4
→ H+ + HSO4
NaCl → Na + + Cl
În cazul fiecărui electrolit, numai o anume cantitate de substanță este disociată în ioni liberi, față de cantitatea totală a acesteia.
Gradul de disociere electrolitică ( α ) reprezintă substanța dizolvată disociată în ioni liberi ce conduc curentul electric, într-o soluție de o anumită concentrație. După valoarea gradului de disociere electrolitică, electroliții se grupează în: electroliți tari, care disociază total și electroliți slabi, care disociază puțin în soluție apoasă.
Volumul ionic și raza ionică. Elementele își realizează configurația stabilă de dublet sau de octet pe ultimul strat prin cedare sau acceptare de electroni, transformându-se în ioni pozitivi și respectiv negativi.
E – ne-→E n+
Ion pozitiv
E + ne- → E n-
Ion negativ
Razele ionilor pozitivi sunt mai mici decât ele atomilor din care provin. Razele ionilor negativi sunt mai mari decât ale ionilor din care provin.
Razele ionilor cresc în perioade de la grupa 18 la grupa 1 și în grupe de la perioada 1 la perioada 7.
Energia de ionizare
Energia de ionizare reprezintă cantitatea de energie necesară pentru a smulge un electron dintr-un atom al unui element aflat în stare gazoasă. Atomul se transformă astfel în ion pozitiv. Atomii care au mulți electroni în învelișul electronic au energie de ionizare mică deoarece stratul exterior este mai îndepărtat de nucleu și energia necesară pentru a smulge un electron este mai mică.
Afinitatea pentru electroni
Pentru a se transfor, S. Arrhenius arată că moleculele unui electrolit dizolvat în apă se scindează în ioni cu sarcină pozitivă și ioni cu sarcină negativă, adică disociază. La dizolvarea compușilor ionici are loc o interacție a ionilor din rețeaua cristalină și dipolii de apă, astfel încât ionii se desprind din rețea și trec în soluție înconjurați de moleculele de apă, fiind hidratați.
Procesul de disociație electrolitică constă în are loc prin scindarea moleculelor unei combinații ionice într-un dizolvant; disociația electrolitică a unei baze, acid și respectiv, a unei sări, este un proces reversibil:
NaOH → Na+ + OHH2SO4
→ H+ + HSO4
NaCl → Na + + Cl
În cazul fiecărui electrolit, numai o anume cantitate de substanță este disociată în ioni liberi, față de cantitatea totală a acesteia.
Gradul de disociere electrolitică ( α ) reprezintă substanța dizolvată disociată în ioni liberi ce conduc curentul electric, într-o soluție de o anumită concentrație. După valoarea gradului de disociere electrolitică, electroliții se grupează în: electroliți tari, care disociază total și electroliți slabi, care disociază puțin în soluție apoasă.
Volumul ionic și raza ionică. Elementele își realizează configurația stabilă de dublet sau de octet pe ultimul strat prin cedare sau acceptare de electroni, transformându-se în ioni pozitivi și respectiv negativi.
E – ne-→E n+
Ion pozitiv
E + ne- → E n-
Ion negativ
Razele ionilor pozitivi sunt mai mici decât ele atomilor din care provin. Razele ionilor negativi sunt mai mari decât ale ionilor din care provin.
Razele ionilor cresc în perioade de la grupa 18 la grupa 1 și în grupe de la perioada 1 la perioada 7.
Energia de ionizare
Energia de ionizare reprezintă cantitatea de energie necesară pentru a smulge un electron dintr-un atom al unui element aflat în stare gazoasă. Atomul se transformă astfel în ion pozitiv. Atomii care au mulți electroni în învelișul electronic au energie de ionizare mică deoarece stratul exterior este mai îndepărtat de nucleu și energia necesară pentru a smulge un electron este mai mică.
Afinitatea pentru electroni
Pentru a se transforma în ioni negativi unii atomi, care un număr mare de electroni pe ultimul strat atomul acceptă electroni. Prin acceptare de electroni atomii se transformă în ioni negativi. Energia eliberată la captarea unui electron se numește afinitate pentru electron. ( 9, 10).
II SCHIMBĂTORI DE IONI NATURALI
Schimbătorii de ioni sunt substanțe solide sau lichide cu o compoziție complexă care au proprietatea de a schimba ionii din structura lor cu ionii dintr-o soluție apoasă, parțial apoasă sau neapoasă. Schimbătorii de ioni care schimbă ionii pozitivi se numesc cationi, iar cei care schimbă ionii negativi anioniți. Reacția generală de schimb pentru un cationit se poate scrie astfel:
R-H (rășină)+ M => R-M (rășină)+ H.
Ionul metalic are o afinitate mai mare pentru schimbătorul de ioni și se va produce predominant schimbarea protonului prin cationul M. Selectivitatea unui schimbător de ioni este influențată de grupurile funționale ale acestuia cât și de ionii care participă la echilibrul de schimb,de gradul de reticulare al rășini,de concentrația soluției care conține cationul Af, respectiv de tăria ionică a acestei soliții și de temperatura la care se realizează echilibrul.
2.1.Teorii ale schimbătorilor de ioni
A.Teoria relației cristaline, atribuie schimbătorului de ioni o structură cristalină, rețeaua fiind alcătuită din ioni. Ioni de la suprafața cristalului au însușiri deosebite față de cei din interiorul rețelei. În cazul cationiților, ionii externi sunt încărcați pozitiv iar în cazul anioniților ionii externi sunt încărcați negativ. Acești ioni exteriori ai schimbătorului de ioni sunt supuși unei forțe de atracție mai slabă decât cei din interior, putându-se face schimbul de ionii electrolitului care sunt de același tip cu ionii achimbați de rășină.
B.Teoria echilibrului de membrană. Conform acestei teorii schimbătorii de ioni sunt considerați drept soluții de electroliți polimoleculari,încinjurate de o membrană semipermeabilă care este însăși suprafața granulei de schimbători de ioni prin care pot să treacă ionii cu volum mic și care nu permite trecerea radicalilor schimbătorului de ionii care au volum mare.
C.Teoria stratutului dublu electric. Se consideră că suprafața exterioară a schimbătorului de ioni este încărcată electric(pozitiv sau negativ, după cum schimbătorul este anionit sau cationit), sarcina aceasteia fiind echilibrată prin adsorbția din soluție a ionilor de semn contrar. Între acest strat și soluție se poate realiza schimbul ionic.
2.2.Clasificarea schimbătorilor de ioni
În funcție de tipul ionului pe care îl pot schimba,schimbători de ioni se clasifică:
– schimbători de ioni cationici sau cationiți;
– schimbători de ioni anionici sau anioniți
– schimbători de ioni amfoteri;
În funcție de natura lor schimbătorii de ioni se clasifică în:
– schimbători de ioni anorganici:
– schimbători de ioni organici;
Schimbătorii de ioni anorgnici pot fi:
– schimbători de ioni naturali
– schimbători de ioni sintetici
În funcție de ioni organici pot fi:
-schimbători de ioni naturali sau natural modifacați;
– schimbători de ioni sintetici;
Schimbătorii de ioni organici sintetici la rândul lor se clasifică în:
-schimbători de ioni de policondensare
-schimbători de ioni de polimerizare
Schimbătorii de ioni organici de policondensare se împart în;
– schimbători de ioni cationici;
– schimbători de ioni anionici
Schimbători de ioni organici;
– schimbători de ioni cationici;
– schimbători de ioni anionici;
– schimbători de ioni amfoteri;
– schimbători de ioni specifici;
– schimbători de ioni chelatici
În funcție de tăria grupei active schimbătorii de ioni catoinici se clasifică în:
– schimbători de ioni cationici puternic acizi,cei care conțin grupe active sulfonice;
– schimbători de ioni catonici mediu acizi,care conțin grupe active fosforice sau arsenice;
– schimbători de ioni slab acizi,care conțin grupe active fenolice sau carboxlice;
Schimbătorii de ioni anionici se pot clasifica în:
– schimbători de ioni anionici puternic bazici,cei care conțin grupe acrive amoniu cuaternar;
– schimbători de ioni anionici mediu bazici,cei care conțin grupe active amine secundare și amine terțiare;
– schimbători de ioni anionici slab bazici,cei care conțin grupe active amine primare;
După starea de agregare schimbătorii de ioni se clsifică în:
– schimbători de ioni solizi;
– schimbători de ioni lichizi;
În prezent s-au impus două abordări ale proceselor de schimb ionic:
– procesul de schimb ionic considerat ca și un echilibru de membrană;
– procesul de schimb ionic considerat ca și un proces osmotic;
Viteza de schimb ionic este determinată de difuzia ionilor în interiorul granulei de schimbători de ioni,dacă aceasta se desfășoară fără participarea ciocnirilor,sau prin intermediul saltului ionilor de la o grupă funcțională la alta,are loc o micșorare a vitezei globale,fenomen care conduce la o micșorare a vitezei de dofuziei catre interiorul granulei de schimbător de ioni.Aceste procese se supun cinetici de gel.
În practica analitică și industrială sunt folosiți cu precădere anioniții și cationiții cu structură macromoleculară organicii care se mai numesc și rășini sintetice schimbătoare de ioni.
2.3. Clasificarea rășinilor
A.Rășinile cationice
După natura grupelor polare din structura lor macromoleculară rășinile cationice pot fi: puternice acide, acide, slab acide, fenolic. Rășinile trebuie să aibă o structură tridimensională, pentru a putea să relizeze difuzia ionilor din soluțieîn masa rășinii și invers. O astfel de rășină rezultă din copolimerizarea stirenului cu divinilbenzenul, urmată de sulfonarea polimerului pentru a introduce grupele acide necesare realizării schimbului cationic.
Acestă rășină are o stabilitate termică bună, fiind rezistentă la acizi, baze și temperaturi de până la 100 °C.
B. Rășinile anionice
Au un caracter bazic datorită grupărilor aminice din structura lor macromoleculară, a căror tărie va depinde de natura grupării aminice cât și de catena pe care sunt grupate. Astfel aminele care au grupurile aminice grupate pe catene alifatice au o bazicitate mai mare decât aminele care au grefate grupările aminice pe nuclee aromatice. Aminele terțiare și mai ales cele cuaternare au o bazicitate mult mai pronunțată decât aminele primare și secundare. Aceste rășini se pot obține prin policondensare și prin polimerizare. Rășinile anionice sunt mai puțin stabile chimic și termic față de cele canonice.
C. Rășini schimbători de electroni
Pot fi considerate ca agenți redox insolubili, ele purând realiza reducerea sau oxidarea unor specii ionice aflate în soluție, fără a impurifica soluțiile respective cu alți ioni. Ele se pot obține de exemplu prin policondensarea hidrochinonei cu fenolul și aldehida formică.
2.4. Proprietățile fizico chimice ale rășinilor schimbătoare de ioni
a. absorbția apei – constă în mărirea volumului rășinii prin absorbția moleculelor de apă sau ale moleculelor solvenților polari. Acest fenomen este urmarea absorbției apei în rețeaua rășinii, a hidratării acesteia cât și a măririi presiunii osmotice a rășiniii. Ea depinde atât de natura grupărilor active, gradul de reticulare, cât și de natura ionilor absorbiți.
b. gradul de reticulare – se referă la numărul de legături transversale dintre lanțurile macromoleculelor. Cu cât numărul acestora va fi mai marecrește și gradul de reticulare cât și rigiditatea macromoleculei. În cazul rășinilor polistiren – divinilbenzen, cele mai utilizate în practică sunt rășinile cu 8 ٪ divinil – benzen și 4 ٪ divinil benzen pentru cele anionice. Dacă se urmărește separarea unor substanțe cu molecule mari, precum substanțele biologice active, se vor alege schimbători de ioni cu grade mici de reticulare.
c. selectivitatea – exprimă măsura în care un ion este preferat în echilibrul de schimb în raport cu un alt ion. Rășinile unui cation vor avea o afinitate mai mare pentru cationii cu sarcină pozită mare în raport cu cei cu sarcină pozitivă mică.
d. porozitatea – este dată de diminsiunea porilor care la rândul ei depinde de gradul de reticulare și metoda de preparare a rășinii. Dimensiunea porilor este determinată pentru selectivitatea rășinii, deoarece reglează dimensiunea ionilor care pot participa la schimbul ionic. Rășinile cu porii mici sunt mai selective decât cele cu porii mari.
e. granulația – este dată de dimensiunile particulelor de rășină,depinzând de modul de preparare și condiționare a rășinilor. Ea influențează viteza cu care se stabilește echilibru de schimb ionic.
f. capacitatea de schimb ionic – reprezintă cantitatea maximă de ioni, exprimată în miliechivalenți pe care un gram de rășină uscată o poate schimba cu ionii din soluție. În acest caz, exprimată în miliechivalenți pe gram ea se numeste capacitate de schimb gravimetrică
2.5. Factori care influențează schimbul ionic
– influența pH-ului: poate influența concentrația cationului sau anionului prezent în soluție, deci implicit și echilibrul dintre aceștia și rășina schimbătoare de ioni;
– influența proceselor de complexare: complexarea se poate realiza și prin eluare, adică prin deplasarea speciilor chimice fixate pe o rășină schimbătoare de ioni cu ajutorul unei faze mobile.
– influența formării de precipitate: prin formarea unui precipitat de către cationul aflat în echilibru cu un schimbător de ioni, se va împiedica realizarea schimbului ionic;
2.6. Rolul catalitic al schimbătorilor de ioni
La conductibilități ale soluției de lucru sub 1.000 S·cm consumul de energie necesar pentru separare devine prea mare pentru a fi acceptabil economic. Este și cazul apei supusă purificării. Prin contactarea cu schimbătorul de ioni se manifestă următoarele procese:
– schimbul ionic cu sărurile dizolvate în starea disociată a acestora. Sistemele acid tare – baza tare (total disociate) sunt îndepartate cu viteza cea mai ridicată
– deplasarea echilibrului de disociere pentru sărurile dizolvate care includ acid slab și/sau bază slabă.
Schimbătorul de ioni intervine pentru atingerea mai rapidă a echilibrului.
– capacitatea de schimb ionic ridicată a schimbătorului de ioni mărește conductibilitatea electrică în spațiul interelectrodic, iar sub acțiunea câmpului electric și intervine asupra apei pentru a-și compensa deficitul de electroneutralitate creat.
– procesele au loc separat pe granulele de cationit și anionit. Pentru cazul straturilor succesive se evidențiază o delimitare a pașilor: descompunere – migrare – regenerare care influențează pozitiv în ansamblu procesul de purificare. Este evident că procesul de separare în EDI are ca suport transportul ionilor hidroxil și hidroniu spre electrozi, iar ponderea transportului de săruri are loc în funcție de concentrația acestora, echilibrul de disociere, mobilitate. Pentru stabilirea parametrilor electrici se face corelarea cu conductibilitatea apei pentru a se evidenția dinamica procesului de purificare și consumurile energetice asociate.
2.7. Modul de dispunere a schimbătorului de ioni în strat
Operația se realizează în prezența ambelor tipuri de schimbători de ioni. S-a studiat modul de dispunere a acestuia în compartiment pentru a realiza separarea avansată. Unitatea de referință în studiul problemei o constituie granula de schimbător de ioni care este fie de cationit fie de anionit. Dispunerea în pat mixt poate fi plauzibilă din punct de vedere tehnologic. Dar, din punctul de vedere al proceselor care au loc se poate evidenția că pe parcursul transportului ionii mobili străbat succesiv granule de anionit și cationit. Are loc o alternanță disociere – combinare (neutralizare) astfel încât rolul pozitiv al unei granule este neutralizat de cea vecină de specia opusă. Nu se justifică nici fizic nici tehnic această neutralizare succesivă.
Dispunerea schimbătorului de ioni în straturi succesive delimitează unități distincte de separare. Fluxul de soluție străbate succesiv aceste straturi, iar fluxurile de ioni pe direcție transversală se compun într-o acțiune complementară. Se recomandă realizarea a cel puțin două perechi de straturi pentru a separa acțiunea asupra sărurilor tari față de a sărurilor slabe, chiar și în cazul adoptării recirculării pe circuitul de diluare.
Hidrodinamica procesului
Stratul de schimbător de ioni din compartiment introduce o rezistență mecanică suplimentară pentru curentul de apă care îl străbate. Secțiunea de curgere creează o structură laminar pentru profilul curgerii și contactarea cu schimbătorul de ioni pe suprafață și în profunzimea acestuia. Pentru sistemul propus mai sus valoarea este situată între 100 – 150 în compartimentul impar și 50 – 75 în compartimentele pare. La un regim hidrodinamic mai redus transferul de masă prin membrană este mai intens, dar grosimea stratului limita la interfața soluție – membrană și soluție – schimbător de ioni pot influența intensitatea procesului și o serie de parametri de operare.
Parametrii constructivi ai celulei. Forma constructivă a celulei este determinată de particularitățile desfășurării procesului de separare și de influențele acestora asupra costurilor de operare:
– grosimea ramelor determină căderea de tensiune pe fiecare compartiment și cantitatea de schimbător de ioni introdusă. Ea trebuie să fie cât mai redusă, dar apar limitările constructive. Totuși, este foarte dificil de evaluat ponderea fiecărui parametru al procesului asupra grosimii, deoarece există mai multe procese și fenomene de interferență
– secțiunea de expunere la câmp electric este determinată în primul rând de echipamentul de electric necesar procesului. Intervin costurile și particularitățile tehnice de montaj ale membranei, electrozilor, stabilitatea mecanică a acestora etc. Din punct de vedere al procesului este importantă lungimea traseului curentului de apă în compartiment, timpul de staționare, timpul de expunere pentru separare (în corelare cu recircularea), de asemenea, debitul curentului de apă supusă purificării, precum și tensiunea și densitatea de curent aplicate pe celulă. Acesti parametri se corelează cu dimensiunile geometrice ale fiecărui compartiment și cu numărul de rame utilizate în construcția celulei.
2.8. Cromatografia cu schimbători de ioni
Existența antocianilor în forma cationică și anionică deschide posibilități largi de utilizare a cromatografiei cu schimbători de ioni. Totuși, datorită stabilității mari a săririlor de flaviliu, о aplicare mai largă au cationiții puternic acizi. Anioniții slab bazici în OH-formă înlătură din extractul crud anionii acizilor minerali tari [45]. În aceiași lucrare se relatează, că pentru înlăturarea anionilor acizilor organici se utilizează cationitul puternic acid KU-2, însă nu este specificat în ce mod.
2.9. Tehnica separării utilizând schimbători de ioni
Pentru a realiza separarea cu schimbători de ioni, aceștia se plasează în coloane de sticlă sau plastic. La alegera rășinii schimbătoare de ioni se ține seama de caracteristicile acesteia: dimensiunea granulelor, gradul de reticulare, de porozitate, de umflare, capacitatea de schimb ionic sau anionic. Reținerea ionilor pe coloana cu schimbători de ioni se face proporțional cu afinitatea schimbătorului de ioni pentru aceștia. Schimbul ionic se produce atunci când un schimbător de ion este adus în contact cu mediul în care se găsește substanțe sub formă ionică. Schimbul reciprioc de ioni nu se efectuează cantitativ.
Schimbul ionic. Acest proces de epurare are la bază proprietatea unor metale (mai ales solide) ca, atunci când sunt puse în contact cu o apă mineralizată (conținând săruri ionizate), să înlocuiască (să schimbe) ionii din apă cu ioni proprii (prezenți în materialul însuși). Se deosebesc schimbări de cationi (cationiți) și schimbări de anioni (anioniți). În ecuațiile care urmează se ilustrează mecanismul de acțiune al schimbătorilor de ioni: cationiții rețin cationii eliberând ioni de hidrogen (cationiți în forma H), iar anioniții rețin anionii eliberând ioni OH- (anioniți în forma OH)
Punând apa mineralizată în contact succesiv, cu cantități suficiente de anionit și de cationit, produsul obținut este o apă lipsită de săruri (apă demineralizată).
Reacțiile prezentate mai sus sunt reversibile; prin tratarea schimbătorilor epuizați cu acizi (ioni H+) în cazul cationiților și cu baze (ioni OH-) în cazul anioniților, are loc regenerarea acestora, respectiv se reface cationitul în forma H și anionitul în forma OH.
În practică, schimbătorii de ioni se utilizează la scară mare pentru dedurizarea apelor (eliminarea ionilor de metale bivalente). În acest caz se folosesc cationiți în forma sodiu (Na), iar regenerarea lor se face cu clorură de sodiu.
Există două moduri de aplicare a schimbătorilor de ioni în epurarea apelor, în șarjă și în coloană. Al doilea mod este preferat. În această variantă apa, eliberată în prealabil de suspensii și impurități organice dizolvate, este trecută peste un pat fix de schimbător sub formă de granule. În aceste condiții, schimbătorul se epuizează treptat dinspre zona amonte spre zona aval. În momentul epuizării se trece la regenerarea schimbătorului introducând în coloană soluție regenerată și spălând apoi cu apă curată.
Folosirea schimbătorilor de ioni pentru demineralizarea apelor uzate se aplică numai în zonele cu deficit mare de apă, unde se impune recuperarea apei din efluenții reziduali, epurați în prealabil prin alte metode pentru îndepărtarea suspensiilor și a substanțelor organice dizolvate. Aplicarea extinsă a procesului este limitată de costul ridicat al tratării. Un inconvenient important al schimbătorilor de ioni este acela al formării unor produse de regenerare care constituie reziduuri apoase a căror evacuare finală comportă dificultăți mari. Situația se schimbă atunci când sărurile reținute pe schimbătorii de ioni și eliberate la regenerare își găsesc o valorificare. (11).
III. PREZENTAREA CAZULUI STUDIAT
3.1. Descoprirea rășinii naturale
Încă din antichitate oamenii au folosit materiale naturale ca : lemnul,pielea, bumbacul, lâna, mătasea, pergamentul, papirusul. În India antică se utiliză shellacul, o rășină naturală, pentru acoperirea obiectelor din lemn, iar în Roma antică se utiliză o rășină naturală, fosilă denumita amber.
La mijlocul sec.al XVII-lea s-a descoperit gutaperca, o rășină naturală folosită la izolarea cablurilor, a cărui înlocuire cu materiale sintetice s-a realizat în 1940.
Începând cu a II-a jumătate a sec. al IX-lea au apărut materiale noi, care au determinat o adevărată revoluție în dezvoltarea științei și tehnicii și anume materialele polimerice (polimer). În anul 1833 J. Berzelius definește pentru prima dată noțiunea de polimer care stă la bază chimiei macromoleculare.
Materialele plastice sunt materiale tehnologice în compoziția cărora intră un polimer, un plastifiant care îmbunătățește și conserva proprietățile fizico-mecanice, o umplutură inertă și uneori un colorant.
Polimerii sunt molecule mari (macromolecule) constituite prin unirea între ele a unor molecule mai mici numite monomeri. Ca monomeri se folosesc alchene sau derivati ai acestora, denumiți în general monomeri vinilici.
Molecula care se repetă poartă denumirea de mer(parte) și este reactant. Produsul de reacție se numește polimer. Numărul de molecule de monomeri care intră în alcătuirea unei macromolecule de polimer se numește grad de polimerizare (n).
M polimer=n*N monomer
Polimerizare -> poly=numeros, meros=părți(limba greacă). De exemplu, reacția de polimerizare a etenei se produce după următoarea reacție chimică
n H2C=CH2 → (-H2C- CH2-)n
etena polietena
(monomer) (polimer)
Reacția de polimerizare constă deci în decuplarea unei perechi de electroni ai leg, duble Π, care se pun în comun cu electroni ai moleculelor vecine cu care reacționează și formează legături simple. Polimerizează foarte ușor compușii care derivă de la etena prin substituirea unui atom de hidrogen cu un radical de hidrocarbură sau cu alți atomi.
Exemple:
H2C = CH ; H2C = CH
│ │
CH3 Cl
metilena clorurara de vinil
(propena)
nH2C = CH → ( – H2C – CH -)n
│ │
clorura de vinil policlorura de vinil
Reacția de polimerizare se mai numește și reacție de poliadiție. Acest tip de reacție este caracteristic substanțelor nesaturate mai ales celor cu legături duble
H2C = CH2 + H2C = CH2 → -H2C – CH2 – CH2 – CH2 –
monomer monomer dimer
+ H2C = CH2 → – H2C – CH2 – CH2 – CH2- CH2 – CH2 –
trimer
+ H2C = CH2 → – H2C – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2
tetramer
În funcție de proprietățile și domeniile de utilizare, polimerii se împart în mai multe grupe, cele mai importante fiind: materialele plastice, elastomerii, fibrele, adezivii și materialele peliculagene. Proprietățile maselor plastice depind de natura polimerului, a altor materiale adăugate, a plastifiantului, a umpluturii și a condițiilor de prelucrare.
Polietena (P.E.) a fost obținută pentru prima dată în 1933, iar 3 ani mai târziu s-a produs pe scară industrială în Anglia prin polimerizarea etenei la presiune înaltă. Industrial polietena se obține prin polimerizarea etenei lichide, la presiuni mari (1000-2000 atm) și la temperature joasă(100-300 C) sau la presiune joasă (până la 5 atm) în prezența catalizatorului Ziegler.
Polietilena are o structură filiformă; ea este alcătuită din macromolecule liniare cu foarte puține ramificații. Gradul de polimerizare este de circa 1800. Este o masa solida, laptoasa sau transparenta, flexibila sau rigida, cu rezistenta mecanica si electrică bună. Are stabilitate chimică mare, fiind insolubilă în apă și în alți solvenți. Temperatura de înmuiere este cuprinsă între 110-150 C; prezintă stabilitate termică ridicată. Polietena se utilizează ca material plastic electroizolant în electrotehnică și electronică, la îmbibarea țesăturilor și a hârtiei, la fabricarea ambalajelor, a foliilor a tuburilor și conductelor, a vaselor de diferite forme și mărimi și a multor alte obiecte de uz casnic.
Cauciucul sintetic. În 1860 Englezul Charles G.William a obținut separarea izoprenei. Primele succese industriale au fost obținute de G.Bouchardot-Franta-în 1880 și Tilden-Anglia în 1884. Producția de cauciuc sintetic (elastomer) a început cu adevărat în timpul celui de-al doilea război mondial pentru înlocuirea cauciucului natural.
Celofanul. In 1908, J.E.Branderberger, regenerând celuloza pentru obținerea fibrelor a obținut un film transparent. L-au denumit celofan, iar marca pentru această denumire a fost depusă în 1912.
PVC. În 1913 profesorul german Klatte brevetează polimerizarea unui gaz, clorura de vinil. Fabricarea industrială începe în 1931 iar în prezent obiectele din PVC cunosc o multitudine de aplicații: țevi, marochinărie, izolații electrice, etc.
Polistirenul. Pus la punct de germanul Wulff, este folosit pentru jucării, ambalaje alimentare, carcase de radio, etc. În 1933 firma BASF inventează polistirenul expandat (zăpada artificială) utilizat ca izolant termic și element antisoc.
Nylon. Numele este generic pentru poliamide. A fost brevetat în 1937 de americanul Walace H.Carothers, director al departamentului de cercetări fundamentale în fizico-chimie la firma lui Du Pont de Nemours, elev al lui Lavoisier. Nylon a fost folosit pentru confecționarea parașutelor utilizate la debarcarea din Normandia. La sfârșitul războiului, Nylon este simbol al modernismului și prosperității.
Rășina naturală
Rășina naturală este o substanță de consistență vâscoasă, lipicioasă, secretată de anumite plante (rășină vegerală), în mod special de conifere, dar și unele insecte (Kerria laccifera, cunoscute sub numeroase sinonime: Kerria lacca, Carteria lacca, Laccifer lacca, Tachardia lacca) sau animale pot secreta substanțe asemănătoare (rășină animală). În prezent rășina naturală este înlocuită în industrie de rășinile sintetice care fac parte din categoria maselor plastice. Rășina naturală este un amestec de substanțe chimice volatile aromatice. Solidificarea rășinii se produce prin evaporare și un proces de polimerizare și oxidare. Rășina produsă de conifere este lipicioasă cu un miros intensiv, pe când rășina moale (cauciucul) produsă de foioase, este mult mai puțin lipicioasă, aproape fără miros și la încălzire nu se topește ci se carbonizează.Rășini vegetale sunt copalul și damarul. Dintre rășinile fosile se poate aminti chihlimbarul, iar dintre rășinile animale, șelacul.Rășinile naturale sunt insolubile în apă, dar sunt ușor solubile în ulei, alcool și parțial în benzină. Cu anumiți solvenți organici formează soluții utilizabile ca lacuri de acoperire. Terebentina, colofoniul, masticul sunt produse rezultate în urma distilării rășinilor de conifere. ( 1 ).
Rășina epoxidică, reparații metal, metal plastic, ceramic
Model:
Weicon BL Ceramic
Detalii produsWEICON Ceramic BL
• cu pulbere de ceramică
• lichid aplicabil cu pensula
• extrem de rezistent la abraziune și agenți chimici
• rezistent la temperaturi între -35 ºC și +180 ºC
• se întărește încet
Metalul plastic WEICON Ceramic BL este un material lichid albastru, aplicabil cu pensula care după întărire formează o suprafață foarte netedă extrem de rezistentă la frecare, abraziune și la foarte mulți agenți chimici.
Ceramic BL – special se recomandă la:
• recondiționarea și căptușirea carcaselor de pompe supuse la abraziune
• prevenirea abraziunii la lagăre de alunecare, pâlnii, țevi și jgheaburi de elice de suflante și sisteme de exhaustare alunecare pentru transporturi de materiale și piese
• repararea și recondiționarea de piese turnate, ventile și aripi la.
• protecția tuturor pieselor și rezervoarelor împotriva agenților chimici agresivi
Găurile și bavurile mari se pot închide cu metal plastic WEICON WR (prin turnare) sau cu WEICON WR2(păstos
Rășina alchidică RASAL RS SXB 38 55
Detalii produs RASAL RS-SXB – rășina alchidică slabă obținută prin policondensarea uleiului de soia cu monomeri și polioli. Se livrează dizolvată în xilen și n-butanol. Se folosește la fabricarea de produse peliculogene cu uscare la aer și cuptor.
3.2. Restaurarea preventivă cu rășini
Restaurarea preventivă cu rășini – RPR- se adresează leziunilor carioase incipiente,dar și situațiilor de diagnostic incert de carie.Dezvoltarea continuă a materialelor bioadezive facilitează îndeplinirea obiectivelor acestui tip de tratament în caria dentară:
realizarea unor preparații minime, cu sacrificiu dentar – RESTAURARE
înlocuirea extensiei preventive mecanice cu cea chimică, neinvazică – PREVENTIVA
imunizarea suprafețelor ocluzale cu ajutorul rășinilor sigilante – RASINI=R
Stomatologii ,cercetătorii din domeniul biomaterialelor și toxicologii au considerat că materialele de restaurare în leziunile incipiente trebuie să prezinte următoarele calități:
adezivitate pentru o preparație minimă,conservativă;
rezistența la abrazie asemănătoare smalțului;
blocarea demineralizării și favorizarea remineralizării ( eliberarea de fluor);
stabilitatea în timp ( fără contracții de priză și absorbtțe de apă) și sub stresul ocluzal( rezistența la presiune);
biocompatibilitate;
radioopacitate mai mare ca smalțul;
ușurința în manipulare,inserare;
finisare precisă,fără alterarea structurii dentare restante;
culoare asemanatoare dintelui.
Materialele existente, privite individual nu au putut răspunde exigențelor impuse de clinica leziunilor incipiente de aceea modificarea continuă a rășinilor compozițe, încearcă să depășească eșecurile legate de compoziția acestora. Datorită durității crescute, radioopacitații, compozitele hibride sunt preferate pentru restaurările posterioare ( RPR I,II) în locul celor convenționale. Particulele ultrafine măresc gradul de finisare și prelucrare,de manieră similară compozitelor microfilled. Cercetările actuale se axeaza asupra compozitelor cu nanoparticole ( nanocompozite ) și particule noi de umplutură, pentru micșorarea contracției de polimerizare. O descoperire revoluționară ar fi introducerea monomerilor expandabili, fără contractie de priză. Compozitele cu fluor reduc semnificativ demineralizarea smalțului față de cele nefluorurate. Glassionomerii sunt o categorie relativ nouă de materiale, cu aplicabilitate și în stomatologia preventivă. Proprietățile cimenturilor G.I diferă în funcție de utilizare ( cimentare,restaurare,baza) și depind de raportul pulbere-lichid și timpul scurs de la prepararea materialului.
PAMR (rășini compozite poliacid modificate) au un conținut mai mare de rășină și reacția acid-bază a glassionomerului nu mai are loc. Deși aceste materiale sunt ușor de utilizat( sunt predozate în capsule),există nelămuriri în ceea ce prezintă beneficiile în timp,comparativ cu rășinile compozite convenționale.
.Transformatoare de Distributie Uscate cu Infășurările din Rășină Turnate în Sistem Vacuum
Introducere
ABB este liderul global în sisteme de putere și automatizări.
ABB este lider în tehnologiile pentru energie electrică și automatizări care permit clienților din domeniul utilitățior și industriei să își îmbunătățească performanțele, diminuând impactul asupra mediului înconjurător.
Transformatoarele uscate ABB realizate în tehnologia de turnare în vid – un lider în această categorie
Transformatoarele uscate ABB realizate în tehnologia de turnare în vid. Oriunde, în orice colț al lumii în care persoanele trăiesc și muncesc veți găsi cel puțin un transformator. Dar de asemenea atâta timp cât escalatoarele vor funcționa în supermarketuri, lifturile în hoteluri, computerele în birouri, cuptoarele în bucătării, instalațiile în ferme sau combinate petrochimice nimeni nu va pune importanța transformatoarelor pe planul doi.
Transformatoarele uscate ABB sunt produse în conformitate cu standardele internaționale de calitate și mediu ISO 9001 și ISO 14001.
Transformatoarele uscate ABB sunt rezistente la pătrunderea umezelii, dedicate funcționării în medii cu umiditate ridicată sau în medii puternic poluate. Sunt de asemenea ideale pentru funcționarea în medii în care umiditatea depășește 95% și temperaturile sunt mai mici de -25°C.
Cu mai mult de 100.000 unități în funcțiune în întreaga lume, produse în fabrici moderne specializate care totalizate fac din ABB producătorul cu capacitățile de producție cele mai mari comparativ cu oricare dintre competitori. ABB este liderul de piață care împletește experiența și tehnologiile cele mai avansate în domeniul transformatoarelor uscate realizate în tehnologia de turnare în vid.
Mai aproape de utilizator – transformatoarele uscate sunt singurele care pot fi instalate aproape de locul de utilizare ceea ce permite optimizarea proiectării instalațiilor reducând la minimum circuitele de JT de putere ceea ce conduce la economii prin reducerea pierderilor și cât mai mici costuri materiale la realizarea conexiunilor de JT. În multe țări este absolut necesară instalarea de transformatoare uscate în posturile trafo amplasate în interiorul clădirilor publice.
Cel mai economic
• Spațiu restrans
• Lucrări civile mai puține
• Nu sunt necesare măsuri de siguranță (protecția antifoc)
• Fără întreținere
• Durata de funcționare mai mare datorită coeficientului de îmbătrânire termică și dielectrică redus
• Pot fi montate în apropierea punctului de consum
• Optimizarea proiectării ca subiect permanent de îmbunătățire prin dezvoltarea continuuă a materialelor utilizate
• Produse în fabrici specializate cu un înalt grad al tehnologiilor de fabricație
Sigur și prietenos cu mediul înconjurător
• Reducerea poluării mediului
• Risc zero în scăpări de substanțe inflamabile sau poluante
• Productțe sigură din punctul de vedere al protecției mediului
• Recomandat pentru zone de risc și condiții de mediu severe
• Fără risc de incendiu
• Materialele din care sunt realizate sunt neinflamabile și necombustibile
• Înaltă capacitate de rezistență la scurt-circuit
• Capacitate de suprasarcină ridicată
• Rezistențe la solicitări seismice
• Capabile să suporte solicitări mecanice si de vibrații severe
Cel mai mic nivel al valorilor descărcărilor parțiale grație tehnologiei avansate de turnare în vid.
Turnarea rășinii epoxidice în vid elimină posibilitatea pătrunderii umezelii și protejază împotriva agresiunii factorilor de mediu.
Suprafața extrem de netedă a bobinelor elimină acumularea de praf pe suprafața lor.
Materiale necombustibile și autostingătoare sunt folosite pentru eliminarea riscurilor de incendiu în eventualitatea incendiilor sau a apariției arcului electric. Nu există riscul de eliminare de gaze toxice în eventualitatea unui incendiu.
Transformatoarele uscate realizate în tehnologia de turnare în vid se realizează într-o gamă de puteri de la 50kVA până la 30MVA pentru tensiuni de până la 52kV.
Miezul magnetic prezintă o intretesere cu îmbinare în trepte pentru a asigura performanța optimă și nivel de zgomot redus. Materialul feromagnetic este tăiat secvențial la lungimile date și preasamblat automat, asigurând o acuratețe în ceea ce priveste dimensiunile și ansamblarea așa încât să se asigure o intretesere precisă până la realizarea întregului pachet.
miez magnetic
Înfășurarea de înaltă tensiune se realizează printr-un proces continuu de bobinare între discuri folosind conductor folie cu dublă izolație. Bobinele astfel realizate se toarnă în rășina epoxidică sub un proces de turnare în vid strict controlată. Testele și analizele asupra tranșiențelor au fost realizate pentru a se verifica distribuția stresului electric prin înfășurare fapt ce a confirmat înalta performanță a acestui tip de transformator.
Înfășurarea de joasă tensiune este realizată din folie de aluminiu și folie izolatoare preimpregnată cu rașină. După ce procesul de bobinare a fost realizat bobina este introdusă în cuptor unde i se aplică un tratament termic controlat din care rezultă un produs extrem de compact capabil să suporte eforturile electridinamice produse la scurt-circuit.
Cele mai noi standarde Europene în materie de proiectarea și execuția transformatoarelor de distribuție uscate în tehnologie vid IEC 60076-11 specifică un nivel maxim al descărcărilor parțiale de 10 pC. Testul descărcărilor parțiale este efectuat în fiecare din transformatoarele ABB. Statisticile noastre arată că media descărcărilor parțiale este întotdeauna sub 10 pC, iar în 90% din cazuri sunt mai mici de 5 pC. Acest nivel scăzut este garantat de eficiența proiectării și execuției în tehnologia turnării în vid cât și de acuratețea tehnologiei de ansamblare.
Procesul de capsulare este operațiunea fundamentală în procedura de fabricație și trebuie să fie efectuaă și controlată sub cele mai stricte condiții așa încât să se asigure optimul posibil între realizarea nivelului optim de izolație și caracteristicile mecanice. Pe de o parte, înfășurările sunt plasate într-un proces de preîncălzire în cuptor și menținute până se atinge temperatura de turnare a capsulei. Pe de altă parte, amestecul de rășină se realizează într-o incintă de amestecare. Componentele sunt mixate chiar înaintea procesului de turnare. În etapa următoare, bobinele preîncălzite sunt introduse în camera de turnare în vid. Odată vidul realizat, raășina este injectată în matriță. Componentele sunt amestecate chiar înaintea procesului de turnare. Astfel vâscozitatea rășinii de turnare este foarte mică, permițând pătrunderea în toate interstițiile bobinelor asigurând astfel obținerea nivelului cel mai de jos pentru descărcările parțiale. După ce procesul de turnare a fost efectuat bobinele sunt plasate într-o incintă de revenire așa încât rășina să-și recapete proprietățiile sale finale.
Dar nu numai modul de realizare a produsului conferă ABB calitatea de lider, ci și faptul că toate fabricile de transformatoare ABB utilizează cele mai sofisticate caracteristici ale conceptului Industrial IT începând cu ofertarea, proiectarea și procesul de producție, asigurând astfel înalta productivitate și reducerea timpilor de producție sub orice limtă vreodată atinsă prin procedurile clasice.
Transformator ABB de 8 MVA realizat în tehnologia de turnare în vid pentru condiții de seismicitate ridicată
3.4. Capacitatea de suprasarcină
Experienta a aratat ca durata de viață a transformatorului uscat este de câteva zeci de ani. Oricum, o perioadă exactă de timp este imposibil de calculat, datorită condițiilor de lucru la care este supus.
Durata de viață depinde în special de suprasarcina la care a fost supus de-a lungul duratei de viață. Aceste suprasarcini pot genera o fluctuație a temperaturii în înfășurări ceea ce degradează calitatea izolatției prin accelerarea efectului de îmbătrânire termică.
Transformatoarele uscate sunt construite așa încât să funcționeze la încărcare 100 %, la o temperatură ambiantă normală conform cu standardul IEC 60076-11:
temperatura maxima: 40ºC;
media temperaturii zilnice: 30ºC;
media temperaturii anuale: 20ºC;
Temperatura de referință, dacă nu se specifică altfel, va fi considerată ca fiind cea multianuală de 20 °C.
3.5. Transformatoare de distribuție oferite de ABB
IV. STUDIU DE LITERATURĂ. TEMATICA PROPUSĂ STRICT LA DOMENIU
4.1. Tratarea apelor prin schimbători de ioni naturali
Elementele caracteristice schimbului ionic
În procesul de demineralizare se folosesc schimbători de ioni cationit și anionit
în pat mixt sau în straturi succesive pentru a fi reținuți atât cationii cât și anionii
mobili din sistem (13).
Sistemul lucrează în regim ciclic încaărcare – regenerare:
– cationitul lucrează în ciclul hidrogen;
– în etapa de încărcare se rețin cationii și se eliberează acidul: R-SO3
– H+ + Na+Cl- → R-SO3
– Na+ + H+Cl-
În faza de regenerare are loc reacția inversă: R-SO3
– Na+ + H+Cl- → R-SO3
– H+ + Na+Cl-
În seria de anioni identificați în proba de lucru ordinea de reținere a acestora de
către rășina schimbătoare de cationi este:
Mg2+ > Ca2+ > Na+ > NH4
– anionitul lucrează în ciclul hidroxil;
În etapa de încărcare se rețin anionii și se eliberează baza:
RR’3N+OH- + H+Cl- → RR’3N+Cl- + H2O
regenerarea se realizează cu o bază tare:
RR’3N+Cl- + Na+OH- → RR’3N+OH- + NaCl-
Dintre anionii mobili aflați în apele naturale și în cele poluate reținerea de către
schimbătorul de ioni se face, de asemenea, selectiv în ordinea:
ansamblu rezultă apa demineralizată cu o conductivitate electrică de circa 40 S·cm. Neajunsul tehnologic al acestui proces constă în faptul că sunt necesare materiale suplimentare la regenerare, iar soluția utilizată la regenerare conține atât substanțele dizolvate îndepărtate cât și materialele de regenerare. De fapt, acțiunea de purificare pe de un flux implică una de poluare mai accentuată pe fluxul de regenerare.
Particularitățile constructive ale echipamentului EDI
Pentru aplicații de EDI se apelează la o instalație de ED la care se operează câteva modificări:
– în compartimente pare și eventual în cele impare se introduce schimbător de ioni anionit și cationit în pat mixt sau în straturi successive;
– circuitele de catolit și anolit se unesc pentru neutralizare și regenerarea soluțieisuport pentru reacțiile electrodice. Pentru a se evita descărcarea unor gaze corosive la anod, se recomandă utilizarea pentru catolit și anolit a unei soluții de sulfat de sodiu (0,1 – 0,5 m). Regimul hidrodinamic este apropiat de cel static pentru a se favoriza descărcarea componentelor apei și nu ale sării dizolvate (14);
4.2. Acțiunea conjugată a câmpului electric și a schimbătorului de ioni asupra speciilor ionice și ionizabile din soluție în electrodeionizare
– rolul schimbătorului de ioni devine mai complex în EDI. În prima etapă realizează schimbul ionic în ciclul H+, respectiv OH- reținând sărurile dizolvate. Această funcție se manifestă pe primele porțiuni pentru sărurile pe bază de acid tare – bază tare și în continuare pentru sărurile provenite din acid slab – bază tare, acid tare – bază slabă, respectiv acid slab – bază slabă. Prelungirea acestor procese se datorează reacției de disociere ionică a sărurilor determinate de caracterul lor reversibil.
– În etapa următoare schimbătorul de ioni participă la regenerare trimițând ionii reținuți spre cei doi electrozi prin membranele permselective. După epuizarea sărurilor dizolvate schimbătorul de ioni intervine în procesul de disociere a apei furnizând ioni pentru menținerea conductibilității electrice ridicate.
4.3. Caracteristici calitative și cantitative ale apelor uzate:
Stabilirea originii și a caracteristicilor calitative ale apelor uzate necesită cunoașterea procesului tehnologic industrial pentru o proiectare judicioasă a stațiilor de epurare. Deci este necesară cunoașterea originii principalilor afluenți și caracteristicilor lor principale pentru definirea modului de epurare. Reducerea debitelor de apă uzată necesită utilizarea unor tehnologii noi. Principalele substanțe nocive ale apelor uzate industriale sunt substanțele organice (exprimate prin CBO5), substanțele în suspensie, substanțele toxice și metalele grele. Recuperarea substanțelor valoroase din apele uzate are ca scop valorificarea acestora și reducerea substanțelor nocive evacuate. Există ape uzate industriale și ape uzate orășenești. Când acestea au debite mici, se recomandă epurarea lor în comun, dar această soluție trebuie bine fundamentată. Dar există cazuri când pentru apele uzate industriale sunt necesare materiale specifice și scumpe. De exemplu apele uzate industriale pot conține substanțe organice (exprimată prin CBO5). Ori încărcarea organică a apelor la stațiile de epurare poate provoca deranjamente în funcționarea acestora, deoarece oxigenul este necesar proceselor aerobe, respectiv bacteriilor aerobe, care oxidează substanța organică. Substanțele în suspensie plutitoare (țiței, uleiuri) împiedică absorbția de oxigen pe la suprafața apei și deci autoepurarea, colmatează filtrele pentru tratarea apei. Substanțele în suspensie care se depun pe fundul receptorului (a bazinului de acumulare) îngreunează tratarea apei. Acizii și alcalii conduc la distrugerea faunei și florei acvatice, a vaselor pentru navigație.
Sărurile anorganice conduc la mărirea salinității apei și, uneori, pot provoca creșterea durității, care produc depuneri pe conducte mărindu-le rugozitatea și micșorând din capacitatea de transport, de transfer a căldurii la boilere. Ca de exemplu sulfatul de magneziu, bicarbonații și carbonații solubili.
Metalele grele (Pb, Cu, Zn, Cr etc.) au o acțiune toxică asupra organismelor acvatice, inhibând și procesele de epurare (auto), CBO5 și CCO, sărurile de azot și fosfor (nutrienți) produc dezvoltarea rapidă a algelor. Dar în ultimii ani procesele tehnologice industriale folosesc substanțe toxice noi (fitofarmaceutice, nitroclorbenzen, etc.) care se determină greu.Pentru substanțele organice se definește consumul biochimic de oxigen (CBO5), mg/l și consumul chimic de oxigen (CCO), mg/l, ultimul prin metoda cu permanganat de potasiu (CCO-Mn) sau bicromat de potasiu (CCO-Cr).Eficiența, gradul de epurare al apelor uzate, se calculează cu relația:
= ((M-m)/M)*100
– unde M este concentrația inițială a substanței și m după epurare. De obicei, eficiența se calculează pentru substanțele în suspensie, substanțele organice (exprimate în CBO5), oxigen O2, pH și substanțe toxice.Deoarece impuritățile industriale se referă la încărcarea organică, definită pe bază de CBO5 (luându-l pe locuitor și pe zi) și la suspensii, este necesar un indicator care să reunească aceste date. Astfel este folosit indicatorul “locuitori echivalenți”, care definește unele caracteristici principale de poluare, în cazul de față CBO5 și suspensii, dacă se folosesc, bineînțeles, aceleași unități de măsură.
Deoarece apele reziduale au debite diferite și concentrații aleatoare în timp, înaintea stațiilor de epurare este necesară egalizarea apelor uzate, ceea ce se realizează cu bazine de uniformizare, amplasate în amonte la stația de epurare, dar după stațiile de preepurare, destinate îndepărtării impurităților insolubile grosiere sau grele (cu grătare, site, deznisipitoare). În bazinele de uniformizare trebuie menținute condiții aerobe și, pentru a evita depunerea de sedimente trebuie să se asigure sisteme de amestecare și aerare, de regulă 0.05-0.07 m3/h pentru 1m3 volum de stocare.
4.4. Compoziția fizico-chimică generală a apelor naturale
Calitatea apelor naturale este determinată, în general, de totalitatea substanțelor minerale sau organice, gazele dizolvate, particulele în suspensie și organismele vii prezente. Din punct de vedere al stării lor, impuritățile pot fi solide, lichide sau gazoase. Acestea pot fi dispersate în apă, și se pot clasifica după dimensiunile particulelor dispersate în suspensii, coloizi și soluții.Majoritatea substanțelor care se găsesc în apele naturale, într-o cantitate suficientă pentru a influența calitatea lor, se pot clasifica conform tabelului 2.15. Desigur, o anumită apă nu poate conține toate aceste impurități concomitent, cu atât mai mult cu cât existența unora dintre acestea este incompatibilă cu echilibrul chimic stabilit în apă. În afara acestor substanțe menționate, în apele naturale se mai pot găsi și alte tipuri de impurități. Astfel, plumbul sau cuprul se pot întâlni în urma proceselor de tratare a apelor sau datorită sistemului de transport precum și din apele meteorice. Unele ape naturale conțin seleniu sau arsen într-o cantitate suficientă ca să le afecteze calitatea. De asemenea, se poate afirma că toate apele naturale conțin substanțe radioactive, în principal radium, dar numai în unele cazuri de ape subterane concentrația acestora atinge valori periculos de mari. Alte surse naturale conțin crom, cianuri, cloruri, acizi, alcalii, diferite metale sau poluanți organici, toate aduse în receptori de apele uzate provenite din industrie sau aglomerații urbane.
Modalități de definire a calității apei.
Calitatea apei se poate defini ca un ansamblu convențional de caracteristici fizice, chimice, biologice și bacteriologice, exprimate valoric, care permit încadrarea probei într-o anumită categorie , ea căpătând astfel însușirea de a servi unui anumit scop . Pentru stabilirea calității apei, din multitudinea caracteristicilor fizice, chimice și biologice care pot fi stabilite prin analize de laborator se utilizează practic un număr limitat, considerate mai semnificative . Sistemul mondial de supraveghere a mediului înconjurător prevede urmărirea calității apelor prin trei categorii de parametri :
4.5. Substanțe întâlnite în apele naturale
4.6. Proprietățile generale ale apelor naturale
Proprietățile apelor naturale sunt determinate în principal de substanțele solide, lichide și gazoase existente sub formă de materiale în suspensie sau dizolvate. Aceste substanțe, foarte numeroase, provin din interacțiile complexe hidrosferă – atmosferă – litosferă – organisme vii. Astfel, într-un studiu efectuat de echipa Cousteau (1991-1992) asupra calității apelor fluviului Dunărea, s-au pus în evidență peste 800 de compuși organici și anorganici, dintre care peste 50% se regăsesc în țesuturile vegetale și animale din mediul acvatic.
Există mai multe criterii de clasificare a compușilor care definesc compoziția chimică a apelor naturale, după natura acestora, proveniență, efect toxic și metode de analiză, prezentate în tabel:
Indicatori organoleptici
Culoarea reală a apelor se datorează substanțelor dizolvate în apă și se determină în comparație cu etaloane preparate în laborator. Culoarea apelor naturale și a celor poluate poate fi o culoare aparentă care se datorează suspensiilor solide ușor de filtrat prin depunere și filtrare .
Mirosul apelor este clasificat în șase categorii, după intensitate: fără miros ; cu miros neperceptibil ; cu miros perceptibil unui specialist ; cu miros perceptibil unui consumator ; cu miros puternic și cu miros foarte puternic .
Gustul se clasifică utilizindu-se denumiri convenționale ,cum ar fi : Mb – ape cu gust mineral bicarbonato-sodic ; Mg – ape cu gust mineral magnezic ; Mm – ape cu gust mineral metalic ; Ms – ape cu gust mineral sărat ; Oh – ape cu gust organic hidrocarbonat ; Om – ape cu gust organic medical farmaceutic ; Op – ape cu gust organic pământos ; Ov – ape cu gust organic vazos .
Indicatori chimici
Indicatori ai regimului de oxigen
Oxigenul este un gaz solubil și se află dizolvat în apă sub formă de molecule O2, prezența oxigenului în apă condiționând existența marii majorități a organismelor acvatice. Toate apele care se află în contact cu aerul atmosferic conțin oxigen dizolvat în timp ce apele subterane conțin foarte puțin oxigen. Solubilitatea oxigenului în apă depinde de presiunea atmosferică, temperatura aerului, temperatura și salinitatea apei.
Conținutul în oxigen al apei râurilor este rezultatul următoarelor acțiuni antagoniste:
– reabsorbția oxigenului din atmosferă la suprafața apei prin difuzie lentă sau prin contact energic, interfața apa-aer prezintând o importanță deosebită în acest sens. Acest transfer este serios perturbat de prezența poluanților cum ar fi detergenții și hidrocarburile;
– fotosinteza, care poate asigura o importantă realimentare cu oxigen a apei, ajungându-se la valori care pot depăși saturația;
– consumul biochimic de oxigen pentru biodegradarea materiilor organice poluante.
Din această clasă de indicatori fac parte oxigenul dizolvat (OD), consumul chimic de oxigen (CCO), consumul biochimic de oxigen (CBO) și carbonul organic total (COT).
Consumul biochimic de oxigen (CBO) reprezintă cantitatea de oxigen, în mg/l, necesară pentru oxidarea substanțelor organice din ape, cu ajutorul bacteriilor. Mineralizarea biologică a substanțelor organice este un proces complex, care în apele bogate în oxigen se produce în două trepte. În prima treaptă se oxidează în special carbonul din substratul organic (faza de carbon ), iar în a doua fază se oxidează azotul (faza de nitrificare). Din determinările de laborator s-a tras concluzia că este suficient să se determine consumul de oxigen după cinci zile de incubare a probelor (CBO5).
Consumul chimic de oxigen (CCO) Deoarece CBO5 necesită un timp de cinci zile pentru determinare, pentru a depăși acest neajuns se utilizează metode de oxidare chimică diferențiate după natura oxidantului și a modului de reacție. Se cunosc două tipuri de indicatori:
– CCOMn care reprezintă consumul chimic de oxigen prin oxidare cu KMnO4 în mediu de H2SO4. Acest indicator se corelează cel mai bine cu CBO5, cu observația că sunt oxidate în plus și cca 30-35% din substanțele organice nebiodegradabile.
– CCOCr care reprezintă consumul chimic de oxigen prin oxidare cu K2Cr2O7 în mediu acid. Acest indicator determină în general 60-70% din substanțele organice, inclusiv cele nebiodegradabile.
Prin aceste metode, prezentate anterior nu se pot determina substanțele organice volatile.
Carbonul organic total (COT) reprezintă cantitatea de carbon legat în materii organice și corespunde cantității de dioxid de carbon obținut prin oxidarea totala a acestei materii organice . Se utilizează pentru determinarea unor compuși organici aromatici, a căror randament de oxidare nu depășește 60% cu metodele prezentate anterior. Pentru determinarea acestora se utilizează oxidarea catalitică la temperaturi ridicate (800-11000C)
4.7. Procese unitare pentru epurarea apelor uzate industriale
A. Procese fizice – sunt acelea în care substanțele poluante nu suferă transformări în alte substanțe, având la bază principiile:
a) separarea gravitațională a particulelor grosiere, nedizolvate în apă, sub influența câmpului gravitațional al Pământului, prin sedimentare, prin flotație sau prin centrifugare. Este posibil fenomenul de aglomerare (floconare), flocoanele având mase mai mari și care sedimentează mai repede. Ca exemplu se prezintă figura 3.1, un decantor, care poate fi cu curgere a apei verticală și orizontală. Eliminarea nămolului din decantor se poate face manual și intermitent. După formă, decantoarele pot fi circulare și rectangulare. Evacuarea apei limpezite se face prin deversoare.
Figura 3.1
b) flotația este un proces unitar de separare din apă, sub acțiunea câmpului gravitațional terestru, a particulelor cu densitate medie mai mică decât a apei. Flotația poate fi naturală sau cu aer introdus în apă sub formă de bule fine prin difuzoare poroase. Scopul flotației este de a forma o spumă stabilă care să încorporeze particulele insolubile. Flotația se poate face se poate face în bazine circulare sau dreptunghiulare. În figura 3.2 se prezintă schema unei instalații de flotație cu aer sub presiune.
Figura 3.2.
c) filtrarea constă în trecerea apei printr-un mediu poros în care are loc reținerea prin fenomene predominant fizice. Filtrarea este un proces de sitare cu ajutorul unei țesături fine sau împâslituri.
d) reținerea pe grătare și site a impurităților grosiere (crengi, fire etc) pe grătare și a celor mai mici pe site. Viteza apei la întrarea în grătare este de cca. 0.3 m/s pentru a evita depunerile pe grătar dar nu mai mare de cca. 1 m/s pentru a nu înțepeni corpurile grosiere între bare. Sitele servesc pentru reținerea impurităților nedizolvate de dimensiuni mai mici și sunt realizate din table metalice sau din plăci de material plastic perforat. Sitele pot fi statice și mobile (ciururi cu mișcare de vibrație sau giratoare). Îndepărtarea materialelor din site se face cu perii, prin simpla alunecare (figura 3.3.) unde se prezintă o sită formată din bare triunghiulare. Sitele fine din țesături din fire metalice sau fire din materiale plastice se folosesc pentru suspensii de particule fine.
Figura 3.3.
e) epurarea în filtre granulare și filtre cu prestrat. Materialul granular folosit ca umplutură filtrantă este nisipul cuarțos. Se mai folosesc filtre cu mai multe straturi de materiale granulare, cu densități diferite (de ex. din antracit, nisip cuarțos, granat) care pot fi spălate, granulele aranjându-se cu diametrul descrescând în sensul de curgere.
f) epurarea prin membrane. Membrana este o barieră pentru speciile moleculare sau ionice prezente în curentul de apă care o străbate. Ca materiale pentru membrane se folosesc acetatul de celuloză, materiale polimerice stabile în timp (poliamide, polisuflone, etc.). Procesul de epurare cu membrane se numește osmoză, care poate fi directă sau inversă, în funcție de direcția apei de la o soluție diluată la una concentrată sau invers. Pot exista mai multe tipuri de module de osmoză, ca de exemplu tubulare,
Alte metode de epurare prin membrane sunt:
ultrafiltrarea – se folosesc mai multe membrane cu permeabilitate selectivă pentru anumiți componenți.
electrodializa – folosește membrane cu permeabilitate selectivă la anioni, respectiv cationi, deplasarea acestora făcându-se sub influența unui câmp electric, ca la electroliză.
Figura.3.4.
g) transferul între faze se bazează pe trecerea poluanților într-o altă fază, nemiscibilă cu apa, care poate fi lichidă, solidă sau gazoasă. Astfel există extracția lichid-lichid (se folosește un solvent în care poluantul este mult mai solubil decât în apă, apoi, după agitare, are loc procesul de sedimentare, când se formează două straturi: apa extrasă și extractul), extracția lichid-gaz (în loc de solvent se folosește aer, gaze de ardere).
De exemplu, la valori mici de pH este posibilă îndepărtarea hidrogenului sulfurat:
S2- + 2H+ H2S (hidrogen sulfurat molecular
sulfura solubilă mai greu solubil în apă)
în apă
iar la valori ridicate ale pH-ului a amoniacului și, în general, a bazelor slabe volatile:
NH4+ + OH- NH3 + H2O (amoniac molecular
ioni de amoniu greu solubil în apă)
solubili în apă
h) distilarea se face prin epurarea apelor uzate prin trecerea apei în fază de vapori, prin încălzire, urmată de condensarea vaporilor, deoarece impuritățile au o volatilitate mai redusă ca apă.
i) înghețarea constă în trecerea apei în fază solidă sub formă de cristale de gheață, care se separă de soluția reziduală îmbogățită în impurități.
j) spumarea este un proces de separare din apă a unor impurități organice dizolvate, datorită adăugării unor agenți de spumare și prin barbotarea apei cu aer sub formă de bule fine.
k) absorbția are la bază fenomenul de reținere pe suprafața unui corp a moleculelor unei substanțe dizolvate în apă (figura 3.5.). Materialul, lichid sau solid, pe care are loc reținerea se numește absorbant, iar substanța reținută absorbat.
Ca absorbanți se folosesc materiale solide cu suprafață specifică mare, cărbunele activ, cenușa fină, etc. Cele mai utilizate instalații de epurare prin absorbție sunt de tip dinamic , cu pături fixe de cărbune activ. Trebuie evitată colmatarea cu particule în suspensie. Cărbunele activ poate reține o masă de substanțe organice de până la 5% din greutatea sa. Regenerarea se face pe cale termică, la circa 900oC în atmosferă controlată.
Figura 3.5.
B. Procese chimice
Prin procesele chimice de epurare, poluanții sunt transformați în alte substanțe mai ușor de separat, precipitate insolubile, gaze, care pot fi stipale, care au o activitate nocivă mai redusă sau sunt mai susceptibile de a fi îndepărtate.
a) neutralizarea este un proces prin care pH-ul unei soluții uzate este reglat prin adaos de acizi sau baze.
Neutralizarea apelor acide se face cu substanțe cu caracter bazic (oxizi, hidroxizi, carbonați). Neutralizanții care sunt utilizați sunt: piatra de var (carbonat de calciu), dolomita (carbonat de calciu și magneziu), varul (oxid de calciu) sub formă de hidroxid de calciu (lapte de var sau var stins praf).
Neutralizarea apelor alcaline se face cu acizi reziduali, cu gazele de ardere bogate în CO2 (14%) etc. Deoarece influenții au debite variabile în timp, este necesară o buclă de reglare a pH, mărind debitul de agent neutralizant, figura 3.6.
Figura 3.6.
b) dedurizarea apei
Una din cele mai utilizate căi de dedurizare a apei, în zilele noastre, se bazează pe utilizarea rășinilor schimbătoare de ioni. Acestea sunt substanțe macromoleculare, de structură și compoziție foarte diversă, având în molecule grupe funcționale capabile de schimb ionic. Se utilizează practic două tipuri de rășini: cationiții și anioniții.
Cationiții (rășini schimbătoare de cationi) conțin grupări funcționale acide ca: -SO3H (denumite grupe sulfonice), -COOH (carboxilice) sau -OH (fenolice) care schimbă reversibil ionul H+ cu cationii din apă conform echilibrului reversibil: RH + MX RM + HX. Se observă că ionii metalici se fixează pe rășină, eliberând în soluție o cantitate echivalentă de protoni (H+), care aciduleză soluția. Acidul rezultat se poate titra cu o soluție de NaOH 0,1n în prezență de enolftaleină, după o prealabilă fierbere a apei. Din volumul de NaOH 0,1n folosit la titrare se poate calcula aciditatea apei decationizate. Aceasta reprezintă o măsură a gradului de mineralizare a apei, cu condiția ca decationizarea să fie totală. Aciditatea apei decationizate se calculează știind că : 1 ml NaOH 0,1n, consumat = 1 miliechivalent/l = 1 mval/l. ⇒ f '·v" ml NaOH 0,1n, consumați corespund la ..y mval/l Rezultatul, exprimat în mval/l reprezintă aciditatea, dar aceasta nu este echivalentă cu mineralitatea totală a apei ( f ' este factorul soluției de NaOH 0,1 n care se calculează: f ' = TREAL/TTEORETIC). Anioniții (rășini schimbătoare de anioni) au ca grupări schimbătoare de ioni funcțiuni cu azot cuaternar (R-NH3X, R-NH3OH).
Dacă peste rășina ROH se trece apa decationizată care conține un acid HX, are loc reacția:
ROH + HX RX + H2O Produsul obținut este “apademineralizată” – similară ca proprietăți apei distilate – fiind superioară apei dedurizate în utilizări tehnologice.
c) oxidarea și reducerea
Scopul oxidării este de a converti compușii chimici nedoriți în alții mai puțin nocivi. Ca oxidanți se pot folosi: oxigenul, ozonul, permanganați, apă oxigenată, clorul și bioxidul de clor. Ca exemplu se dă distrugerea cianurilor cu clor până la formarea de cianați sau azot molecular:
CN- + OCl CNO + Cl-
2 CNO + 3 OCl N2 + 2HCO3- + 3Cl-
Reducerea constă în transformarea unor poluanți cu caracter oxidant în substanțe inofensive care pot fi ușor epurate. Ca exemplu se dă reducerea cromului hexavalent la crom trivalent, în vederea precipitării acestuia ca hidroxid:
Cr2O72- + 6 Fe SO4 + 7 H2SO4 Cr2(SO4)3 + 3 Fe2(SO4)3 + 7 H2O + SO42-
Ca agenți reducători se folosesc sărurile fierului trivalent, sulfați, acidul sulfuros.
d) precipitarea este un proces de epurare bazat pe transformarea poluanților din apele reziduale în produși insolubili. Ca exemplu se dă îndepărtarea fluorului din apă prin introducerea de ioni de calciu:
2 F- + Ca2 CaF2 – precipitat
e) coagularea și flocularea – îndepărtarea unor particule prin sedimentare (coagulare) și destabilizarea prin absorbția unor molecule mari de polimeri care formează punți de legătură între particule (floculare). Se folosesc pentru particule coloidale. În acest scop se folosesc polimeri organici sintetici sau anorganici.
f) schimbul ionic
Schimbătorii de ioni se utilizează mai ales pentru dedurizarea apelor, folosind cationați în forma sodiu (Na), iar regenerarea lor se face cu clorură de sodiu:
2 ZNa + Ca2+ Z2 Ca + 2 Na+
Folosirea schimbătorilor de ioni este o soluție mai scumpă.
C. Procese biologice
Substanțele organice pot fi îndepărtate din apă de către microorganisme care le utilizează ca hrană, respectiv sursă de carbon.
Reacțiile enzimatice au două faze:
(1) moleculele de enzimă și de substanță utilizată ca hrană (substrat) formează complecși
(2) complecșii se descompun eliberând produsul de reacție și enzima
Enzima + Substrat (Enzima substrat)
K2
(Enzimă substrat) Enzimă + Produs reacție
Epurarea biologică aerobă se realizează în construcții în care biomasa este suspendată în apă sub formă de agregate de microorganisme (flocoane), sistemele fiind aprovizionate cu oxigen.
Epurarea biologică anaerobă a apelor uzate se realizează în incinte închise (bazine de fermentare) ferite de accesul oxigenului care inhibă activitatea microorganismelor anaerobe. Prin descompunerea poluanților organici se obțin gaze de fermentare combustibile, datorită conținutului ridicat de metan.
D. Dezinfecția
Dezinfecția este necesară în cazul apelor uzate care conțin microorganisme. Dacă sterilizarea presupune distrugerea tuturor microorganismelor, prin dezinfecție nu se distrug toate. Dezinfectantul pătrunde prin peretele celular și denaturează materiile proteice din protoplasmă, inclusiv enzimele. Un dezinfectant pentru apă este clorul activ care acționează sub formă de ion de hipoclorit, cu efecte pronunțate la valori mici ale pH. Dintre metodele fizice de dezinfecție, cele mai utilizate sunt metoda termică și iradierea cu radiații de energie ridicată.
Tehnici de dezinfecție
Clorinarea este cunoscută ca cea mai bună metodă de dezinfecție. Acest process chimic se bazează pe următoarea reacție:
În funcție de pH-ul dat, clorul va fi sub formă de clor "normal"(Cl2), acid hipocloric (HOCI) sau hipoclorit (ClO). Dintre aceste alternative, acidul hipocloric este cel mai puternic agent dezinfectant. Ca o explicație simplă, efectul de dezinfecție este rezultatul menționat mai sus al compușilor care pătrund prin celulele membranei și invadează nucleele microorganismelor. Prezența clorului duce la oxidarea celulei, astfel justificându-se incapacitatea celulei de a se reproduce.
În țările în curs de dezvoltare, procurarea și depozitarea unor astfel de substanțe chimice este dificilă. Prin urmare, pentru siguranță, clorinarea automată necesită un cost intensive al controlului și o tehnologie de întreținere.
În multe cazuri, populația locală consideră inacceptabil gustul apei clorinate (limita gustativă 0.5 mg/l).
Și în final, faptul că nu numai microorganismele dar și alți compuși oxidanți ai apei pot, cu siguranță, să ducă la formarea compușilor cancerigeni pe bază de clor.
Ozonarea.Ozonul este în mare măsură recunoscut ca fiind cel mai eficient dintre toți dezinfectanții. Nici un alt agent antimicrobial nu dezactivează bacteriile și virușii la fel de repede ca ozonul, cu efectele sale bactericide, fungicide inegalabile.
Ozonul, forma triatomică a oxigenului (O3), este cel mai puternic agent oxidant recunoscut ca tehnologie. El se obține din aer curat, uscat sau din oxigen.
Când oxigenul este expus într-un câmp electric alternativ dintre doi electrozi (3,000 – 20,000 V, în funcție de mărimea facilității), are loc următoarea reacție:
Într-un process de dezinfecție, se produce reacția inversă, cu descompunerea ozonului în O2, prin aceasta cedându-se doi atomi individuali de oxigen. Efectul de oxidare este datorat atomului de oxigen, care, în apa cu un pH de 7, este de cinci ori mai reactiv față de clor și timpul de reacție este corespunzător mai mic.
În comparație cu clorinarea, ozonarea produce mai multe pierderi, dacă vreo formă potențială afectează compușii. Problema ozonării este aceea că ozonul rezistă la descompunerea în apă. Mai mult decât atât, în timp ce, la concentrații mari, ozonul este toxic, aplicațiile sale de purificare a apei reprezintă subiectul unor reguli stringente de siguranță care pot fi îndeplinite numai prin instruirea și specializarea personalului.
Datorită instabilității ozonului, această tehnologie nu permite o protecție împotriva regerminării. În final, investiția inițial ridicată și costurile de funcționare ale echipamentului de ozonare fac deseori ca de la început procesul să fie prohibit de scump pentru multe țări dezvoltațe.
Iradierea ultravioletă UV
Lumina ultravioletă ocupă un domeniu al lungimii de undă de la 400 nm la 3 nm. Domeniul UV – C, (200 – 280 nm), este cel mai eficient pentru dezactivarea virușilor și distrugerea bacteriilor. În timp ce absorbția maximă a acizilor nucleici este situată în acest domeniu, o doză adecvată de radiație ultravioletă îi distruge cu siguranță (Figura 8).
După numai câteva secunde, microorganismele își pierd abilitatea de creștere și reproducere.
Lămpile cu arc de mercur de joasă presiune și emisie a lungimii de undă de 254 nm sunt o sursă tipică de radiație.
Bacteriile și virușii tind să se acumuleze pe particulele de mărimi apreciabile. Astfel, în timp ce acestea pot reprezenta pentru bacterii și viruși o protecție împotriva radiației UV, conținutul camerei de iradiere trebuie ținut în turbulență pentru diminuarea acestui efect.
Figura 8: Efectul razelor ultraviolete la un ADN Dezinfecția prin iradiere UV nu produce o protecție împotriva regerminării și în cazul unei funcționări intermitente, lampa necesită o preîncălzire pentru a atinge o intensitate a radiației suficientă realizării dezinfecției. Un alt dezavantaj al acestei metode este dat de prețul foarte ridicat al echipamentului.
Figura 18 prezintă un dezinfector cu UV.
Figura 18: Reprezentarea schematică a dezinfecției cu UV (Imagine: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania; Solarpraxis AG, Berlin, Germania).
Apa brută este introdusă într-un reactorul prin intermediul unei supape cu solenoid. Supapa nu este deschisă până când un senzor detectează o intensitate suficient de puternică a radiației de la lampa cu UV (timp de preîncălzire). Acest tip de buclă de control în alimentare poate de asemenea garanta efectiv dezinfecția, deoarece alimentarea cu apă este întreruptă automat dacă intensitatea radiației scade prea mult, datorită opacității apei.
Pentru asigurarea desinfecției corespunzătoare, apa trebuie iradiată cu o doză D de cel puțin 400 Ws/m². Această doză este produsă de o iradiere E, de un timp de iradiere t, și de transmitanța :
Iradierea la punctul inferior în reactor, de-a lungul peretelui exterior este:
cu EUV iradierea la suprafața lămpii cu UV.
Timpul de iradiere t depinde de lungimea lămpii cu UV s, de volumul reactorului V și de debitul de apă Q. Pentru un reactor cilindric, ecuația este:
În cazul apei de o bună claritate, transmitanța poate fi situată la o valoarea în jur de 0,8. Această valoare poate fi adoptată în cazul dimensionării echipamentului.
Filtrarea constă în trecerea pasivă a apei printr-un mediu de filtrare. În funcție de mărimea porilor mediului de filtrare, toate solidele de diametre mai mari decât ale porilor sunt reținute din apă în timpul procesului. Există două tipuri de filtre : filtre volumetrice, sau spațiale și filtre de suprafață.
În cazul filtrării volumetrice/spațiale, procesul de filtrare ia locul mediului de filtrare. Forțele de absorbție moleculară atrag particulele către materialul de filtrare. Domeniul opțional al mediilor de filtrare include nisipul, pietriș și mangalul activat.
Comparativ cu filtrarea de suprafață, patul de filtrare realizat dintr-un astfel de material este foarte gros (mai mare de 2,5m).
În funcție de aplicație, pot fi combinate diferite materiale, întrucât mărimea particulelor se micșărează de la strat la strat, începând de la partea superioară. Bineînțeles, apa curge de asemenea de la partea superioară în jos. Astfel de filtre necesită siguranța unei circulații la timp pentru atingerea eficienței biologice optime. Aceasta deoarece este necesar un anumit timp pentru dezvoltarea în pori a stratului de alge. Acest strat nu numai că reține bacteriile și virușii, ci îi și distruge.
În mod diferit, filtrele de suprafață sunt făcute dintr-un singur tip de material, separarea desfășurându-se direct pe suprafața filtrului, deoarece materialul are pori foarte mici. Când membranele de filtrare sunt utilizate pentru dezinfecție, întreaga lor eficiență biologică este disponibilă din primul moment.
Figura 9 prezintă principalele tehnici cu membrane de filtrare în funcție de mărimea particulei/moleculei reținute și de presiunea diferențială.
Metodele obișnuite de filtrare pentru dezinfecție cu filtre de suprafață includ microfiltrarea și ultrafiltrarea. În general, filtrele cu mărimea porilor mai mică de 10 µm se referă la membrane de filtrare. O mărime standard a porului pentru microfiltrare este de 0.2 µm, în timp ce mărimea de 0.01 µm este des întâlnită în aranjamentele de ultrafiltrare. Filtrele cu porii până la acest domeniu de mărime nu modifică sarea naturală/minerală conținută de apă. Aceasta nu se poate produce, chiar parțial, înainte de nanofiltrare ci numai prin osmoză inversă se poate face o filtrare completă.
După cum se prezintă în Figura 19, ultrafiltrarea îndeplinește cu siguranță îndepărtarea virușilor, dar în practica actuală, aceasta are o mică importanță deoarece, în apă, virușii tind să se atașeze de particule de mărime apreciabilă și prin urmare, sunt supuși unei largi reținerii în microfiltre.
Figura 9: Etape ale membranei de filtrare (/31/) (Sursa: RWTH Aachen, Germania; Imagine: Solarpraxis AG, Berlin, Germania).
Un dezavantaj al tehnologiei de filtrare este lipsa unei protecții împotriva infecțiilor cu agenți patogeni. Pe de altă parte, există avantajul că apa poate fi dezinfectată fără a fi nevoie de aditivi chimici.
Astfel de filtre, în particular filtrele volumetrice/spațiale, pot fi foarte voluminoase. Spațiul necesar poate fi în mare parte redus prin alegerea filtrării de suprafață.( 12,13,14)
4.8. Probleme privind modelarea proceselor pentru tratarea apelor
Problema consumului de oxigen (Biological Oxygen Demand ) și resursele sale:
a) Materia organică deversată în sistemul acvatic este atacată de bacterii și descompusă în substanțe mai simple, folosind oxigen. De exemplu glucoza are BOD de 110mg/l, în concordanță cu reacția:
C6H12O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2O
Aceasta oxidare este terminată complet în mai puțin de 5 zile. Pentru amestecul de compuși organici reacția va fi:
celule
COHN + O2 –> CO2 + H2O + NH3 + celule
adică prin reacție (2) se creează o nouă substanță bacterială, care nu se degradează în 5 zile.
b) Modelele mecanice înlătură materia în unul sau mai multe trepte, folosind grătare, camere cu nisip, sedimentare, filtrare, flotare. Ca exemple, în figura 3.10. a,b se dau doua tipuri de vase de sedimentare, primul pentru debite mici, al doilea pentru debite mari.
c) Procesele de tratare biologică se bazează pe utilizarea unor organisme, care au proprietăți specifice: pot necesita energie radiantă pentru creștere, necesită compuși organici ca nutrienți, folosesc donori (electroni) anorganici (de ex. gaz hidrogen), necesita oxigen molecular pentru creștere (ca oxidant), necesita sau nu oxigen din aer. Cele mai multe sisteme biologice de tratare a reziduurilor organice depind de organisme heterotrofice, care folosesc carbonul ca sursa lor de energie. Există trei clase de metabolism cu reacții de oxidare: fermentare, respirație aerobică (cu oxigen molecular) și respirație anaerobică (fără oxigen). Aceste reacții se descriu prin procese.
Materie organică + O2 + NH3 + celule –> CO2 + H2O + noi celule
Nitrificarea are 2 pași: (1) amoniacul este oxidat în nitrit; (2) nitritul este oxidat în nitrați
2NH+4 + 3O2 –> 2NO-2 + 2H2O + 4H+
2NO-2 + O2 –> 2NO3
Operația de denitrificare este:
2NO-2 + H2O –> N2 + 2OH- + 5O
Nitratul se poate folosi ca o sursă de oxigen pentru procesele de descompunere biologică.
d) Sisteme de tratare mecanico-biologice, sunt foarte utilizate pentru reducerea BOD5 în ape municipale. Însă combinații de metode fizice, chimice și irigații sunt folosite și pentru ape industriale. Comparând, metodele chimico-fizice nu sunt sensibile la șocuri de sarcină și la prezența unor componente toxice, ele necesită un spațiu mai mic, ele permit recuperarea de grăsimi, de proteine din industria alimentară, dar au un cost de investiție mai mare. Cele mai utilizate metode fizico-chimice de reducere a BOD sunt: precipitație chimică, schimb ionic, adsorbția și osmoza reversibilă (ultima fiind scumpă)
Pentru apele uzate din industria alimentară se pot folosi irigări de suprafețe agricole, dar trebuie acordată atenție adâncimii solului până la ape freatice (să fie mare), conținutului inițial al apei în raport cu forma terenului (în pantă se obsorb mai puține substanțe) și naturii solului (solul nisipos este mai filtrant, cel cleios nu).
Recuperarea nutrienților
Fosforul poate fi recuperat prin precipitare chimică sau schimb de ioni, iar azotul prin nitrificare și denitrificare, schimb de ioni și ambele elemente prin alge în heleștee.
a) Precipitarea chimică a compușilor de fosfor se face folosind sulfat de aluminiu (Al2(SO4)3, 18H20), hidroxid de calciu (Ca(OH)2) sau clorat de fier (FeCl3), dar trebuie examinată fiecare situație separat.De exemplu precipitarea fosfaților folosind hidroxid de calciu se bazează pe formarea de Ca10(PO4)6(OH)2, care impune un pH mare, de 10.5 – 12.0. Acest fenomen este ilustrat în figura 3.12., unde se prezintă dependența eficienței precipitării de pH, pentru principalii coagulanți folosiți industrial.
1 – sulfat de Al, 2 – clorat de fier, 3 – hidroxid de calciu
Punctat sunt prezentate aceleași curbe pentru cazul prezenței ionilor de calciu, ceea ce arată complexitatea fenomenelor care au loc în epurarea apelor.
b) Nitrificarea și denitrificarea
Procesul de nitrificare înseamnă oxidarea amoniacului
NH+4 + 2O2 –> NO-3 + H2O + 2H+
Nitrații pot fi reduși cu bacterii heterotrofice, care însă necesită o sursă de carbon organic, de exemplu acetat:
5CH3COO- + 8NO3 –> 4N2 + 7HCO-3 + 3CO2-2 + 4H20
Aceste procese depind de timpul de reținere.
c) Barbotare (stripping)
Procesul este folosit pentru a recupera gaze volatile, precum NH4, hydrogen sulphide, hydrogen cyanide, din apele uzate prin suflarea de aer. În figura 3.13. se dă ca exemplu construcția unui turn de barbotare. Deoarece aceste substanțe sunt acide, eficienta procesului va depinde de pH-ul soluției. Dar gazele emise în atmosferă pot polua aerul:
NH+4 –> NH3 + H+
Figura 3.13.
d) Clorurarea si adsorbția pe cărbune
Oxidarea amoniacului se face conform reacțiilor:
Cl2 + H2O –> HOCl + HCl
NH3 + HOCl –> NH2Cl + H2O
NH2Cl + HOCl –> NHCl2 + H2O
NHCl2 + HOCl –> NCl3 + H2O
Adsorbția pe cărbune activat pentru cloramină este:
C + 2NHCl2 + H2O –> N2 + 4H+ + 4Cl- + CO
Aceste reacții depind de puritatea carbonului.
e) Schimbul de ioni pentru recuperarea nutrienților
Schimbul de ioni este un proces în care ionii de pe suprafața unui solid sunt schimbați cu ioni similar încărcați în soluția cu care solidul este în contact. Schimbul de ioni are ca scop să se recupereze ionii nedoriți din ape uzate. Cationii (ioni pozitivi) sunt schimbați pentru hidrogen sau sodiu, ca de exemplu înlăturarea ionilor de calciu (Ca2+) ce cauzează duritatea apei.
H2R + Ca+2 –> CaR + 2H+, unde R reprezintă o rășină.
Anionii (ionii negativi) se folosesc pentru ionii de hidroxid sau cloride. Selectivitatea în schimbul de ioni depinde de sarcina ionică, astfel selecția anionilor va fi în ordinea:
PO3-4 > SO2-4 > Cl-, iar pentru cationi
Al3+ > Ca2+ > Na+
Recuperarea compușilor organici toxici
În general substanțele toxice organice sunt scoase până la deversarea apelor uzate în sistemul municipal. Pentru scoaterea lor se folosesc:
separatoare pentru uleiuri
flocularea pentru coloidale organice
flotarea pentru impurități cu greutate specifică mai mare ca 1
adsorbția, pentru insecticide pe carbon activat
sedimentarea, împreună cu precipitarea chimică
oxidarea și reducerea pentru cyanide, chlormate, folosind aer si O2
distilarea, pentru ape radioactive, pentru că este scumpa
filtrarea pentru suspensii materiale în volume reduse de apă
neutralizarea, când trebuie deversate soluții cu pH=6-8, folosind neutralizanți ca hidroxid de calciu, H2SO4 și CO2
Recuperarea metalelor (grele)
Metalele grele sunt vătămătoare în ecosisteme. Scoaterea lor prin procedee mecanice are o eficiență de 30-70%, nu poate fi folosită tratarea biologică, acestea fiind exemple de inhibatori. Pentru recuperare se pot folosi metodele: precipitarea chimică, extracție si osmoza reversibilă.Ca exemplu se dă scoaterea cromatului din ape uzate care poate fi sub forma CrO3; Na2Cr2O7*2H2O. Agenții folosiți pentru oxidare sunt sulfați de fier, sulphur dioxide, după reacțiile:
CrO3 + H2O –> H2CrO4
2H2CrO4 + 6FeSO4 + 6H2SO4 –> Cr2(SO4)2 + 3Fe2(SO4)3 + 8H2O
Cr2O2-7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 –> Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO2)3 + 7H2O + SO2-4
Prin sedimentare se înlătură din apă substanțele nocive.Ca exemplu de folosire a metodei schimbului de ioni se dă folosirea cationilor pentru scoaterea ionilor de metal, ca Fe2+, Fe3+, Cr3+, Al3+, ZN2+, Cu2+.
Resursele de apa
Omul nu poate să existe fără apă. Apele subterane sunt mai bune ca apele de suprafață, dar ele pot conține Fe și Mn. Nu toate apele necesită un ciclu complet de pretratare si tratare. De exemplu pentru apele de suprafață este suficient ciclul din figura următoare:
Duritatea apei poate fi înlăturată prin fierbere
Ca(HCO3)2 –> CaCO3 + CO2 + H2O
duritatea se poate datora și Mg în Mg(HCO3)2.
Apa trebuie supusă și dezinfecției, folosind agenți chimici ca ozonul, chlorine dioxide și chlorine, care provoacă o degradare chimică a materiei celulare, inclusiv enzime, în timp ce prin fierbere se distrug fizic microorganismele. Dar microorganismele sunt omorâte de condițiile de pH, mai jos de 3.0 si mai sus de 11.0. Razele X și gamma, de lungimi de undă scurtă au capacitatea de a distruge microorganismele. Ca exemplu, în figura 3.15. se dă procentul de distrugere al unor bacili în funcție de combinația de ozon O3 si Cl2, realizându-se astfel dezinfecția apei.
4.9. Procese unitare pentru tratarea apelor
Orice tehnologie de transformare este constituită dintr-o serie de operații succesive, continue sau ciclice, de natură mecanică, fizică, chimică sau mixtă. Oricât de complicată ar fi o tehnologie, ea constă dintr-un număr limitat de operații simple, distincte care se realizează în instalații și aparate corespunzătoare, comune pentru diverse variante de tehnologii.
Pentru fiecare operație sau proces unitar sunt importante următoarele aspecte:
– studiul principiilor științifice de bază
– experimentarea la scară de laborator sau pilot urmată de prelucarea datelor experimentale pentru stabilirea de relații care să permită dimensionarea instalațiilor (stabilirea parametrilor optimi)
– alegerea instalațiilor și utilajelor adecvate pentru realizarea în condiții optime a transformărilor dorite.
Între procesele unitare prin care se realizează tratarea apei naturale pentru obținerea apei potabile și cele de epurare a apelor uzate nu există deosebiri esențiale, diferența constând în natura apei brute supuse tratării și în calitatea efluentului final care trebuie obținută. In ambele cazuri, substanțele nedorite sunt îndepărtate din apă și transformate în substanțe acceptabile. Există totuși unele procese unitare care din considerente economice sau tehnologice, își găsesc aplicare curentă numai în tratarea apei sau numai în epurarea apei. În cele ce urmează se adoptă termenul de proces unitar pentru toate transformările care intervin într-o schemă tehnologică de tratare a apelor, indiferent dacă sunt de natură fizică, chimică sau biologică. Produsul unei stații de tratare este o apă de calitate superioară care corespunde cerințelor unei folosințe, iar acela al unei stații de epurare un efluent acceptabil care nu înrăutățește calitatea resurselor naturale de apă. Cele mai multe procese de tratare și de epurare a apelor aduc schimbări ale concentrațiilor unor substanțe care sunt fie scoase, fie introduse în apă, intervenind astfel un transfer de fază între cele trei faze existente: gazoasă, lichidă, solidă. În figura 5.1. se prezintă schematic tipurile de dispersii de poluanți din apele uzate, dimensiunea particulelor componente, câteva caracteristici principale și procesele unitare de epurare care pot fi aplicate pentru îndepărtarea poluanților respectivi. Scopul prezentării acestei scheme este orientativ și oferă o imagine sintetică a sistemului de procese utilizabile pentru epurarea apelor.
4.10. Egalizarea apelor uzate, uniformizarea debitelor și a compoziției apelor industriale
Apele uzate, indiferent de sursă, prezintă variații în timp ale debitelor și compoziției, datorită lipsei de uniformitate a consumurilor de apă, a cantităților de apă eliminată din proces și a conținutului acestora în substanțe poluante. Sunt relativ rare cazurile în care debitul și compoziția sunt constante, cum ar fi procesele industriale cu caracter continuu, ce funcționează în regim staționar și în care nu intervin operații ciclice, cum sunt industria de sinteză a amoniacului, acidului azotic, metanolului, prepararea minereurilor, unele procese metalurgice, etc. În majoritatea industriilor intervin operații discontinue care, pe ansamblu, conduc la evacuarea de ape uzate cu caracter aleator. Prezența mai multor surse de evacuare discontinue, cu periodicitate diferită, determină variații dezordonate ale debitului și compoziției apelor uzate.
Variabilitatea compoziției apelor uzate poate fi o consecință și a modificării în timp a profilului și a capacității de producție. De exemplu, în fabricile de zahăr și conserve, debitele de ape uzate sunt sezoniere iar în industria chimică de sinteză, de obținere a medicamentelor și coloranților, unde se obțin cantități mici de produse pe perioade variabile de timp, se produc ape uzate numai în aceste perioade.
În aceste condiții, pe platformele industriale complexe, compoziția apelor uzate este aleatoare, iar debitele prezintă fluctuații, până la limita maximă determinată de capacitatea sistemului din care se face alimentarea cu apă. Aceste debite sunt influențate și de gradul de recirculare a apelor din industria respectivă, iar în cazul sistemelor de canalizare mixte și de regimul precipitațiilor. Variațiile de debit sunt întotdeauna însoțite și de variații de concentrații ale substanțelor poluante. Concentrațiile poluanților sunt determinate de evacuările specifice de apă pe unitatea de produs, precum și de evacuarea materialelor nedorite.
În instalațiile de tratare a apelor uzate, rezultatele depind de stabilitatea, respectiv uniformitatea regimului de intrare a apelor uzate în sistemul de tratare. Variațiile de debit în stațiile de tratare au ca rezultat salturi de viteză ce perturbă regimul de curgere. Instabilitatea vitezelor de curgere este dăunătoare mai ales în bazinele de decantare, în care vitezele mari de curgere antrenează în efluent materiale în suspensie sau chiar materiale deja sedimentate.
Uniformizarea debitelor și a compoziției apelor uzate se face în bazine de uniformizare amplasate în serie sau în derivație cu colectorul de canalizare și permite dimensionarea stației de tratare la nivelul debitelor medii.
În instalațiile de uniformizare a apelor uzate, respectiv în bazinele de uniformizare, cu forme și dimensiuni adaptate fiecărui caz în parte, pot avea loc și transformări chimice între diferiții poluanți din aceste ape, cum ar fi reacții de neutralizare, de oxigenare, redox, de precipitare sau procese biochimice, toate conducând la o degrevare a etapei de epurare.
Modelul stratului dublu electric
În literatura de specialitate, termenul de coagulare este folosit pentru a descrie procesul de destabilizare produs prin compresia celor două învelișuri electrice care înconjoară particulele coloide, ceea ce face posibilă agregarea lor, iar termenul de floculare se referă la destabilizarea prin adsorbția unor molecule mari de polimeri care formează punți de legătură între particule. Această semnificație a termenilor nu este unanim acceptată. Mulți specialiști folosesc termenul de floculare pentru a descrie fenomenele de transport care concură la realizarea coagulării. Deci există numeroase teorii cu privire la stabilitatea coloizilor și la mecanismele prin care se poate realiza destabilizarea, nici una dintre acestea nu permite prognoza comportării în detaliu a unui sistem coloid și, de aceea, în practică această comportare este evidențiată prin teste experimentale.
Procesul de coagulare se petrece în două faze:
– faza pericinetică, la introducerea reactivului, într-un timp foarte scurt, când are loc neutralizarea și formarea de microflocoane neobservabile cu ochiul liber;
– faza ortocinetică, în care are loc formarea de flocoane mari, vizibile cu ochiul liber, chiar agregate, ușor sedimentabile.
Dacă la începutul procesului cantitatea de flocoane este de ordinul sutelor de mii/cm3 de apă, se ajunge ca la sfârșitul procesului să existe 5-10 flocoane/cm3 de apă
V. VARIANTE TEHNOLOGICE REPREZENTATIVE SCHIMBĂTORILOR
DE IONI NATURALI
5.1. Flux tehnologic
Fluxul tehnologic la aceste stații este sub presiune.
În principiu, schemele tehnologice se prezintă astfel:
coagularea prealabilă a apei folosind reactivi de coagulare și adjuvanți
reținerea suspensiilor coloidale coagulate, în general în decantoare de tip pulsator sau circular sau în instalații de filtrare grosieră (prefiltre)
finisarea turbidității apei prin filtrare pe straturi granulare din nisip cuarțos sau din alte materiale
sterilizarea apei folosind hipoclorit de sodiu sau clor activ produs prin diferite metode.
Schemele se completează funcție de calitatea sursei comparativ cu cea solicitată în alimentare, cu: adsorbția micropoluanților pe cărbune activat granular, reducerea gradului de mineralizare folosind schimbători de ioni, oxidarea cu ozon, dezinfecție cu ultraviolete,
La stațiile de foarte mică capacitate se tinde să se realizeze echiparea cu elementele necesare coagulării electrice, în cadrul căreia substanțele chimice de coagulare se produc direct prin electroliză în fluxul tehnologic, înainte de decantare, fără modificarea mineralizării și nici acidității apei.
Fluxul tehnologic la tratarea apei impurificate industrial
5.2.Scheme tehnologice ale stației de tratare
Stația de tratare funcționează în flux continuu,în regim automat, fără întreruperi și fără manevre suplimentare pe perioada spălării fluxului.
Stația de tratare, varianta cu reactivi clasici (sulfat de aluminiu)
Apa de la sursă intră în stația de tratare prin conducta Ø S cu debitul de 4m3/h, fiind distribuită prin reglarea robineților V1, V2, V3 și V4 după cum urmează : 0,5 Q = 2 m3/h (0,55 l/s) direct în distribuitorul Ø P din decantor și 0,5 Q = 2 m3/h (0,55 l/s) spre vasul sifon prin Ø C. În vasul tampon se acumulează apa timp de 40 sec. Iar apoi, prin sifonul automat, apa se descarcă timp de 7 sec. prin Ø P în distribuitorul de la baza decantorului. Apa se distribuie în regim pulsatoriu de la baza decantorului spre partea superioară. În prima zonă se formează, prin coagularea suspensiilor, un strat suspensiona care se concentrează și apoi deversează în vasul Vn de colectare a nămolului. În acesta se realizează concentrații de 18 – 20 g/l. Apa trecută prin stratul suspensional, cu viteze ascensionale de 3 m/h, se limpezește și este colectată prin sistemul de țevi perforate de la partea superioară a decantorului de unde prin robinetul V6 ajunge în filtru prin curgere gravitațională. Apa decantată trece în filtru cu curent descendent printr-un strat de nisip cu granulometrie 1…1,5 mm și înălțimea 1 m, cu viteză medie de filtrare de 5 m/h.
Stația de tratare, varianta de coagulare electrică
Schema tehnologică este similară cu aceea descrisă anterior, cu următoarele modificări: sunt înlocuite cu dispozitivul de coagulare intercalat pe conducta de apă brută înainte de intrarea în decantor. Această variantă, aplicabilă în cazul apelor cu duritate temporară peste 6 – 70 G care nu comportă tratarea apelor cu var, utilizează pentru coagulare un aparat de electroliză a fierului în apă. Apa brută trece printre plăcile (electrozi) de fier, coagularea realizându-se datorită fierului dizolvat în apă. În funcție de încărcare apei brute se reglează amperajul la redresorul de curent astfel încât în decantor să se formeze flocoane bine conformate și cu un grad corespunzător de coeziune a nămolului.(16,17)
5.3. Elaborarea schemei tehnologice de tratare a apelor reziduală
Apele reziduale provin de la unitățile economice ca urmare a utilizării apei potabile în tehnologiile de obținere a bunurilor materiale necesare activității umane. Metalele grele pătrund în apele reziduale ca urmare a realizării proceselor de acoperire electrochimică a suprafețelor diferitor piese necesare în diverse domenii, cum ar fi industria radiotehnică, industria constructoare de mașini, industria chimică și petrochimică, industria tehnicii de calcul, industria electrotehnică, industria utilajului științific etc. Prezența metalelor grele în apele reziduale conduce la distrugerea microorganismelor prezente în apele reziduale, adică la inhibarea proceselor biologice de purificare a apelor reziduale. Pe de altă parte, ionii metalelor grele se acumulează în sol și în apele de suprafață. Fiind prezente în aceste componente ale mediului ambiant,metalele grele se acumulează în plante și în animalele terestre și acvatice care la rândul lor sunt consumate ca hrană de om. Astfel metalele grele pătrund în organismul uman, ulterior provoacând mari probleme de sănătate.Cercetările realizate și prezentate în precedentul capitol au demonstrat că procesele de imobilizare a metalelor grele sunt complicate. Substanțele aromatice prezintă, de asemenea, un pericol mare pentru apele reziduale. Aceste substanțe chimice sunt bionedegradabile datorită prezenței inelului benzenic în compoziția acestora. Adică substanțele aromatice nu pot fi îndepărtate din mediul apos prin metoda biologică de tratare a apelor, din acest motiv ele trebuie înlăturate prin metode chimice și fizico-chimice la stații locale de tratare a apelor. Prin urmare atât ionii metalelor grele, cât și substanțele aromatice refractare trebuie îndepărtate din sistemele acvatice.
Cercetările fundamentale realizate și prezentate în prezenta lucrare ne-au permis să elaborăm schema tehnologică de tratare a apelor reziduale care conțin ioni ai metalelor grele și substanțe aromatice. Schema tehnologică este prezentată în figura de mai jos.
În scopul imobilizării integrale a metalelor grele schema fluxului tehnologic mai conține și etapa filtrării apelor reziduale prin filtru cu cărbuni activi oxidați. Utilizarea acestui procedeu permite purificarea integrală a apelor de ioni ai metalelor grele, iar utilizarea fluxului tehnologic elaborat și prezentat în schema din figura 4.17. permite purificarea completă a apelor reziduale. Apa purificată în acest mod poate fi reutilizată în procesele tehnologice, realizându-se astfel un ciclu închis de folosire a apelor tehnologice.
Un aspect foarte important pentru eficientizarea tehnologiilor adsorbționale de tratare a apelor este și posibilitatea de regenerare a adsorbanților epuizați în aceste procedee. Regenerarea cărbunilor activi oxidați poate fi realizată prin tratarea acestor adsorbanți cu soluție de 0,1 n HCl.
Rezultatele obținute ne permit să conchidem că, trecând prin coloana cu cărbuni activi oxidați saturați cu ioni ai metalelor grele, cu o lungime de 60 cm și volumul de 100 cm3, cu un debit de 10 ml/min, adsorbanții carbonici practic își recăpătau capacitatea de schimb ionic. Adică prin acest procedeu s-a reușit regenerarea cărbunilor activi oxidați.
1- colector-omogenizator; 2, 4, 10 – pompe; 3 – coagulator-decantor; 5 – filtru cu nisip; 6 – instalație pentru flotare; 7 – stingător de spumă; 8 – filtru cu cărbune activ; 9 – omogenizator de precipitate; 11 – filtru de vid; 12 – acumulator de sedimente(18,19,20)
VI. POMPE DE APĂ ȘI TRATAREA APEI
Calitatea apei disponibile este afectată de faptul că doar 5-10% din reziduurile de apă sunt tratate. În zonele bogate în resurse minerale, apele infiltrate în straturile solului și cele de suprafață conțin concentrații de metale grele, periculoase pentru sănătate. Contaminarea microbiologică însemnată, cauzată de deversarea netratată a apei reziduale din consumul menajer și din agricultură este un fapt frecvent întâlnit și care nu permite crearea disponibilităților în consumul apei. Într-adevăr, anual, 2 miliarde de cazuri de diaree, determinate de consumarea apei infestate cu microbacterii duce la aproape 5 milioane de decese înregistrate în fiecare an, în special copii sub vârsta de 5 ani.
Motoare de acționare
Unitățile de acționare realizează conversia energiei electrice în energie mecanică, și deoarece mișcarea de rotație este preferabilă la acționarea pompelor, motoarele electrice sunt recomandate pentru acest scop. Pentru antrenarea pompelor într-un sistem fotovoltaic, motoarele C.C. (curent continuu) reprezintă o alegere bună. Acestea acoperă un domeniu de energie de aproximativ 1.5 kV și sunt caracterizate de un randament relativ bun (cca. 85%). Din nefericire, majoritatea motoarelor C.C. de pe piață utilizează perii în procesul de comutație. Aceasta înseamnă că ele necesită întreținere periodică, deoarece periile funcționează în condiții normale până la 1000 de ore. În cazul unei instalații dintr-un puț de adâncime, este necesară demontarea periodică a conductei pentru a avea acces la motor.
Pompe plutitoare cu motor D.C cu perie mică
O soluție alternativă este utilizarea motoarelor c.c. fară perii, de exemplu unitățile în care asigură electronic procesul de comutație. Astfel de motoare au invertorul încorporat și conectat în funcționare sincronă. Tehnologia impune monitorizarea în timp real a poziției unghiulare a rotorului. Astfel, dacă acest tip de motor este instalat ca parte a unui sistem de pompare în adâncime, fiecare dintre semnalele senzorului vor fi transmise în paralel cu energia de alimentare de-a lungul unei distanțe mari la unitatea electronică de control sau aceasta din urmă poate fi integrată, împreună cu motorul, într-o capsulă impermeabilă. Ambele alternative prezintă dezavantaje: dacă motorul și componentele electronice sunt separate, inducția pe linie poate genera interferență pe de altă parte capsula etanșă crează dificultăți în operațiile de întreținere. În concecință, astfel de motoare nu au intrat încă în etapa de producție de serie pentru aplicațiile cu pompe imersate de mare capacitate. Ele sunt, oricum, potrivite pentru includerea în sisteme de pompare la nivelul solului și unități de compresoare mici, atâta timp cât motorul și sistemul de control sunt ușor accesibile.
Pompele realizează conversia mișcării de rotație în energie hidraulică. Pompele centrifuge sunt cel mai frecvent utilizate, totuși și pompele volumetrice pot fi utilizate în anumite aplicații. Datorită randamentului lor scăzut, combinând frecarea sistemelor, pompele jet sau de distribuție trebuie excluse. (/12/ Herrmann, 1989).
Pompele centrifuge, ca tip de pompe hidraulice, prezintă următoarele avantaje:
– prețuri abordabile (producție pe scară mare)
– pornire ușoară
– proiectare simplă (modulară/aplicație proiectată pentru etaje multiple)
– domeniu larg al înălțimii de pompare și transportului, specific aplicațiilor
În esență, o pompă centrifugă este o mașină de circulare a fluidului. Fiecare etaj de pompare este alcătuită dintr-un lagăr și un rotor. Fluidul pompat curge axial în apropierea distribuitorului și rotirea acestuia accelerează puternic apa spre exterior (datorită forței centrifuge), formându-se o cădere de presiune. Căderea de presiune finală a pompei poate fi arbitrar mărită la cerere prin adăugarea mai multor etaje în serie. Un aranjament multietajat produce o creștere corespunzătoare a frecării mecanice, totuși, astfel de pompe de mică capacitate, de obicei, corespunzătoare unui diametru mic, pot avea înălțimi de pompare de aproape 100m.
În timp ce presiunea creată depinde liniar de forța centrifugă, presiunea de descărcare a pompei este proporțională cu pătratul vitezei.
Pompele fotovoltaice centrifuge au pornire ușoară, deoarece nu au nevoie de "cuplu de pornire".
Într-un sistem energetic solar, dependența strictă de viteză reprezintă un dezavantaj. Creșterea înălțimii de pompare conduce la micșorarea vitezei de funcționare a pompei. Când nivelul radiației incidente este scăzut (cer acoperit de nori, generator ieșit de pe traiectoria soarelui,…), energia de ieșire a sistemului este de asemenea scăzută, astfel că pompa funcționează la viteză mică și nu este capabilă să dezvolte căderea de presiune necesară. Cu alte cuvinte, energia de ieșire a generatorului nu poate fi transformată în capacitate de transport. Astfel, timpul de funcționare al pompei este mai mic decât durata de strălucire a soarelui. Acest dezavantaj poate fi substanțial ameliorat prin alegerea optimă a amplasamentului.
Pompele elicoidale (Figura 11) se bazează pe principiul deplasării volumetrice. Cu fiecare mișcare de rotație a pompei, un volum sigur de mediu este deplasat în partea de descărcare. Pompa este realizată dintr-un stator sub formă de scobitură într-un corp de elastomer și un rotor de oțel (rotor) într-o configurație de interferență corespunzătoare.
În comparație cu pompă centrifugă, curba de randament a pompei cu cavitate progresivă este mult mai abruptă. Aceasta crează avantajul unei eficiențe ridicate combinată cu o rezistență mai bună la materialele abrazive antrenate în mediul de pompare (/13/ Zängerl, 1993).
Pompele cu piston sunt de asemenea o alegere interesantă de pompare a apei, în special când sunt utilizate la adâncimi mari (Figura 12). Înălțimea lor de pompare este de cele mai multe ori complet independentă de viteza lor de acționare. Numărul rotațiilor pe minut este cel care determină nivelul de distribuție. Astfel de pompe nu au limită inferioară de funcționare, astfel că apa poate fi distribuită la nivele de radiație solară relativ joase. Ca și pompele cu cavitate progresivă, pompele cu amplasare de precizie – complementare pompelor cu piston au dezavantajul de a necesita un moment de torsiune de pornire. În completare, momentul de torsiune se schimbă în cursul unei rotații complete.
Pompele cu diafragmă sunt un tip special al pompelor cu piston. Pentru aplicațiile sistemelor fotovoltaice de pompare, ele sunt integrate preferențial în sistemele D.C. cu valori mai mari de 100 V. În acest tip de pompă, o diafragmă cu inel antrenată de un disc de oscilație (disc fulant) ia locul pistonului. Cursa este relativ scurtă și debitul corespunzător este moderat. Din această cauză pompele cu diafragmă tind să fie instalate în aranjamente duble, triple sau cuadruplex.
BIBLIOGRAFIE
1. http://www.referatele.com/referate/medicina/online5/DISCIPLINA-CARIOLOGIE-RESTAURAREA–PREVENTIVA–CU–RASINI-referatele-com.php
2. http://www.utmidia.ro/profil.html
3.http://www.romet.ro/Apa/Potabilizarea%20apei/Interventii%20in%20zone%20clalamitate/Interventii_in_zone_conflict.html
4. http://www.geocities.com/apapura/teh.htm
5. Beral E., Zapan M., Chimie anorganică, Editura Tehnică, București,1969.
6. Marcu G., Brezeanu M., Bejan C., Bâtcă A., Cătuneanu R., Chimie anorganică, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1981.
7. Monica Butnariu – Chimie Analitică și Analiză Instrumentală, editura Mirton, Timișoara, 2007.
8. B. Herrmann, Photovoltaisch Betriebene Wasserpumpensysteme, Institut für Theorie der Elektrotechnik der Universität Stuttgart, 1989,
9. Duca Gh., Scurlatov Iu.., Misiti A., Macoveanu M., Surpățeanu M. Chimie ecologică, București, 1999,
10. Studii și comunicări practice privind menagementul resurselor de apă în condițiile unui mediu vulnerabil. Mater. Seminarului din 20-23 sept. 2001. Chișinău, 2002,
11. Duca Gh., Mihailă Gh., Goreaceva N., Chetruș P. Chimia apelor naturale. Chișinău, 1995
ANEXE
Stații de dedurizare a apei
Instalații complete de neutralizare a apei.
Instalații de recuperare a apei prin schimbători de ioni: Spălător de gaze
Instalație pentru dedurizarea apei cu schimbători de ioni
Schema instalației de demineralizare a apei cu schimbători de ioni
Schema instalației de condiționare a schimbătorilor de ioni
BIBLIOGRAFIE
1. http://www.referatele.com/referate/medicina/online5/DISCIPLINA-CARIOLOGIE-RESTAURAREA–PREVENTIVA–CU–RASINI-referatele-com.php
2. http://www.utmidia.ro/profil.html
3.http://www.romet.ro/Apa/Potabilizarea%20apei/Interventii%20in%20zone%20clalamitate/Interventii_in_zone_conflict.html
4. http://www.geocities.com/apapura/teh.htm
5. Beral E., Zapan M., Chimie anorganică, Editura Tehnică, București,1969.
6. Marcu G., Brezeanu M., Bejan C., Bâtcă A., Cătuneanu R., Chimie anorganică, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1981.
7. Monica Butnariu – Chimie Analitică și Analiză Instrumentală, editura Mirton, Timișoara, 2007.
8. B. Herrmann, Photovoltaisch Betriebene Wasserpumpensysteme, Institut für Theorie der Elektrotechnik der Universität Stuttgart, 1989,
9. Duca Gh., Scurlatov Iu.., Misiti A., Macoveanu M., Surpățeanu M. Chimie ecologică, București, 1999,
10. Studii și comunicări practice privind menagementul resurselor de apă în condițiile unui mediu vulnerabil. Mater. Seminarului din 20-23 sept. 2001. Chișinău, 2002,
11. Duca Gh., Mihailă Gh., Goreaceva N., Chetruș P. Chimia apelor naturale. Chișinău, 1995
ANEXE
Stații de dedurizare a apei
Instalații complete de neutralizare a apei.
Instalații de recuperare a apei prin schimbători de ioni: Spălător de gaze
Instalație pentru dedurizarea apei cu schimbători de ioni
Schema instalației de demineralizare a apei cu schimbători de ioni
Schema instalației de condiționare a schimbătorilor de ioni
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Schimbatori de Ioni Naturali (ID: 163434)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.