Tehnici Aplicabile In Obtinerea Apei Potabile

BIBLIOGRAFIA

A. Urdă, E. Angelescu, I. Săndulescu – [NUME_REDACTAT] Generală, partea I, [NUME_REDACTAT] din București, 2002 (reeditată 2005).

CUPRINS

INTRODUCERE

I. REVISTA LITERATURII

1.1. PROPRIETĂȚILE FIZICO-CHIMICE ALE APEI.

1.2. APE POTABILE

1.2.1. Limpezirea apei

1.2.2. Corectarea calității apelor

1.2.3. Dezinfectarea apei

1.3. APE INDUSTRIALE

1.3.1. Dedurizarea apei

1.3.2. Demineralizarea apei.

1.4. APE REZIDUALE

II. METODE TEORETICE DE ANALIZĂ A APEI ÎN LABORATOR

2.1. METODE DE INVESTIGARE A RESURSELOR DE APA

2.2. COMPOZIȚIA FIZICO-CHIMICĂ ȘI CALITATEA APEI

2.3. TEHNICI APLICABILE ÎN OBȚINEREA APEI POTABILE

2.3.1. Sisteme de reținere a particulelor grosiere

2.3.2. Coagularea – flocularea

2.3.3. Filtrarea apei

2.3.4. Dezinfecția apei

III. INVESTIGAȚII DE LABORATOR

3.1. REACTIVE, MATERIALE, APARATE FOLOSITE ÎN EXPERIMENT

3.2. COLECTAREA PROBEI

3.2.1. CARACTERISTICA FÂNTÂNILOR

2.3. INDICII DE CALITATEA APELOR UTILIZATE ÎN DIVERSE DOMENII

2.3.1. Determinarea indicilor organoleptici

2.3.2. Determinarea indicilor chimici

2.3.2.1. Determinarea mineralizării, (mg/dm3)

2.3.2.2. Determinarea durității totale a apei potabile

2.3.2.3. Determinarea ionilor de amoniu

2.3.2.4. Determinarea ionilor de nitrați

2.3.2.5. Determinarea ionilor de sulfat

2.3.2.6. Determinarea ionilor de clor

IV. CONCLUZII

V. BIBLIOGRAFIA

CUPRINS

INTRODUCERE

I. REVISTA LITERATURII

1.1. PROPRIETĂȚILE FIZICO-CHIMICE ALE APEI.

1.2. APE POTABILE

1.2.1. Limpezirea apei

1.2.2. Corectarea calității apelor

1.2.3. Dezinfectarea apei

1.3. APE INDUSTRIALE

1.3.1. Dedurizarea apei

1.3.2. Demineralizarea apei.

1.4. APE REZIDUALE

II. METODE TEORETICE DE ANALIZĂ A APEI ÎN LABORATOR

2.1. METODE DE INVESTIGARE A RESURSELOR DE APA

2.2. COMPOZIȚIA FIZICO-CHIMICĂ ȘI CALITATEA APEI

2.3. TEHNICI APLICABILE ÎN OBȚINEREA APEI POTABILE

2.3.1. Sisteme de reținere a particulelor grosiere

2.3.2. Coagularea – flocularea

2.3.3. Filtrarea apei

2.3.4. Dezinfecția apei

III. INVESTIGAȚII DE LABORATOR

3.1. REACTIVE, MATERIALE, APARATE FOLOSITE ÎN EXPERIMENT

3.2. COLECTAREA PROBEI

3.2.1. CARACTERISTICA FÂNTÂNILOR

2.3. INDICII DE CALITATEA APELOR UTILIZATE ÎN DIVERSE DOMENII

2.3.1. Determinarea indicilor organoleptici

2.3.2. Determinarea indicilor chimici

2.3.2.1. Determinarea mineralizării, (mg/dm3)

2.3.2.2. Determinarea durității totale a apei potabile

2.3.2.3. Determinarea ionilor de amoniu

2.3.2.4. Determinarea ionilor de nitrați

2.3.2.5. Determinarea ionilor de sulfat

2.3.2.6. Determinarea ionilor de clor

IV. CONCLUZII

V. BIBLIOGRAFIA

INTRODUCERE

“Apei i-a fost dată puterea de a

deveni seva vieții pe pământ.”

(Leonardo da Vinci)

Apa este un element esențial pentru viața și procesele naturale. Are două dimensiuni ce sunt strâns legate – cantitatea și calitatea. Calitatea apei este asigurată prin caracteristicile sale fizice, chimice, biologice si estetice (aspect și miros). După proveniența sursei de apă, se identifică surse de suprafață (râuri, lacuri, apa mărilor și a oceanelor) și surse de adâncime (apa provenită din pânza freatică) [1].

Apa este unul dintre cele trei elemente fundamentale ale industriei, alături de materiile prime și energia. Apa este compusul chimic cel mai abundent și larg distribuit. Peste 71% din suprafața pământului o constituie oceanele, care conțin 97% din cantitatea de apă existentă. Mai mult de 2% se află sub formă de ghețari la cei doi poli și constituie peste 75% din apa curată a lumii. Din cei circa 1% rămași, o parte din apă se găsește la adâncimi foarte mari, astfel că numai 0,6% din totalul de apă al planetei este disponibil pentru om, apă care circulă din mare în atmosferă prin evaporare, pe uscat prin precipitații și înapoi la mare. Industria este primul mare consumator de apă, apoi irigațiile și municipalitățile. În funcție de utilizări, apele se împart în: – ape potabile, folosite în scopuri gospodărești; – ape industriale, utilizate practic în toate sectoarele industriale. Apa este un lichid cu proprietăți fizico-chimice deosebite față de compușii similari.

Apele devin potabile după tratamente de limpezire, aerare, îndepărtarea gustului și mirosului, dezinfectare. Apele industriale trebuie să fie lipsite de substanțe corozive și de compuși care dau duritate apei.

Scopul acestei lucrări este de a ne familiariza și de a studia

REVISTA LITERATURII

Proprietățile fizico-chimice ale apei.

Densitatea. Este 1,00 g/cm3 la 4oC și 0,9982 g/cm3 la 20oC pentru apa pură.

Culoarea. Apa pură este incoloră. În strat gros capătă o nuanță albăstruie. Culoarea brun-gălbuie care apare adesea este determinată de substanțele organice și produșii lor de descompunere.

Temperatura apei variază în funcție de proveniență.

Turbiditatea este determinată de prezența în suspensie a unor particule de argilă, nisip, substanțe organice etc., care împrăștie lumina.

Gustul și mirosul apei nu pot fi măsurate complet obiectiv, datorită sensibilității diferite a persoanelor la gust și miros. Gustul și mirosul sunt date de natura și concentrația substanțelor minerale și îndeosebi organice din apă.

pH-ul apei depinde de natura și concentrația substanțelor dizolvate.

Principalii constituenți minerali ai apei

Alcalinitatea. pH-ul celor mai multe ape nepoluate este cuprins între 8 și 6, fiind determinat de echilibrul chimic între ionii de carbonat și bicarbonat.

CO2 + H2O ↔ H+ + HCO3– ↔ 2H+ + CO32–

Aciditatea depinde de cantitatea de săruri dizolvate ce provin de la acizi tari și baze slabe.

Duritatea apelor este datorată prezenței sărurilor solubile ale metalelor alcalino-pământoase, în special calciu și magneziu. Duritatea poate fi temporară, când este determinată de bicarbonații de calciu și magneziu, și permanentă datorată celorlalte săruri solubile.

Cationii. Apele conțin ioni de sodiu și potasiu, calciu și magneziu. În urme: mangan, fier, aluminiu, metale tranziționale.

Anionii. Se regăsesc: halogeni, sulfați, nitrați, fosfați, borați, silicați.

Oxigenul. Solubilitatea oxigenului în apă depinde de presiunea parțială a oxigenului în aer, temperatura apei și conținutul mineral al apei. Este necesară prezența a cel puțin 5 mg/l în apele de suprafață pentru întreținerea vieții.

Compușii organici

Necesarul (sau consumul) de oxigen biochimic (NOB sau COB). Măsoară cantitatea de oxigen consumată de o probă păstrată timp de cinci zile la 20oC. Pierderea de oxigen este determinată de acțiunea bacteriană.

Necesarul de oxigen chimic (NOC) sau consumul chimic de oxigen (CCO). Este dat de cantitatea de oxigen necesară oxidării chimice a substanțelor organice. Se determină cu dicromat de potasiu și acid sulfuric. Oxigenul echivalent dicromatului consumat este luat ca o măsură a necesarului de oxigen chimic al probei.

C. Compoziția bacteriologică a apei

O examinare bacteriologică a apei este esențială pentru determinarea calității unei ape potabile sau pentru a determina contaminarea apei cu agenți patogeni. Testul bacteriologic implică detectarea bacteriilor care pot produce boli la oameni și animale.

Ape potabile

Sursele de apă sunt: apele de suprafață (izvoarele, râurile, lacurile și chiar apa de mare) și apele subterane, acestea din urmă având toate calitățile apei potabile. Celelalte ape trebuie tratate și corectate pentru a deveni ape potabile. La apele de suprafață este necesar să se corecteze unele proprietăți ca: turbiditatea, gustul, mirosul, caracteristicile bacteriologice cu ajutorul operațiilor de limpezire, deferizare, demagnetizare, degazare, decolorare, dezinfectare. Alegerea tratamentului este în funcție de calitatea apei.

1.2.1. Limpezirea apei

Apele de suprafață sunt, de obicei, tulburi datorită suspensiilor solide ca: mâl, argile, bacterii și virusuri. Procesul de limpezire include sedimentarea și filtrarea, cu sau fără coagulanți.

Sedimentarea sau decantarea poate constitui o primă etapă a procesului de limpezire, când apa conține suspensii fine, sau poate realiza o limpezire totală dacă particulele solide sunt prea mari. Sedimentarea particulelor din suspensie se produce sub acțiunea gravitației, în aparate numite decantoare.

Coagularea și flocularea. Pentru a îndepărta particulele coloidale din apă este necesară aglomerarea lor înaintea filtrării. Particulele foarte fine au o suprafață mare și o mare capacitate de adsorbție. De obicei adsorb ionii negativi din apă (carbonat, sulfat, fosfat), se încarcă negativ și nu se mai pot aglomera. Coagulanții, prin disociere, trebuie să pună în libertate ioni pozitivi, care să le neutralizeze și să permită aglomerarea și depunerea lor. Pe de altă parte, prin hidroliză, coagulanții trebuie să formeze precipitate floconoase care să antreneze particulele din suspensie prin absorbție. Cei mai utilizați sunt coagulanții anorganici: sulfat de aluminiu, sulfat feric, sulfat feros, aluminat de sodiu, clorură de aluminiu etc.

Filtrarea apei. Filtrarea urmărește reținerea celor mai fine suspensii din apă, care nu s-au depus prin decantare. Filtrarea poate urma după decantare simplă sau după coagulare-flocularedecantare. Ca materiale filtrante se utilizează nisip cuarțos, marmură, cărbune.

1.2.2. Corectarea calității apelor

După filtrare apele nu sunt întotdeauna proprii utilizării ca ape potabile datorită gustului, mirosului, culorii, alcalinității prea mari, mineralizării ridicate. În aceste cazuri apele sunt supuse unor operații de corectare a calității ca: aerare, degazare, deferizare, demanganizare, neutralizare, demineralizare etc.

Aerarea apei. Prezența aerului și dioxidului de carbon, dizolvate în apă, îi conferă gustul plăcut de apă proaspătă. Dacă apa conține puțin aer dizolvat este necesară aerarea înainte de distribuție. Aerarea îndepărtează gustul și mirosul neplăcut, oxidează materiile organice care ar putea intra în putrefacție, îndepărtează o mare parte din fierul și manganul conținut (care în prezența aerului precipită ca Fe(OH)3 și MnO2).

De ex., pentru fier:

2Fe(HCO3)2 + H2O + ½ O2 → 2Fe(OH)3 + 4 CO2 (2)

Procedeele de aerare se bazează pe realizarea unui contact cât mai intim între aer și apă: dispersia apei în aer (pulverizarea apei în aer) sau dispersia aerului în apă (barbotarea aerului comprimat prin plăci poroase, sau aerarea mecanică cu ajutorul unor rotoare cu palete). După aerare, precipitatul de hidroxid feric trebuie îndepărtat din apă. La un conținut scăzut de fier precipitatul poate fi eliminat simplu prin filtrare în filtre rapide obișnuite, cu nisip cuarțos. În cazul apariției de suspensii coloidale se aplică coagularea cu sulfat de aluminiu și apoi sedimentarea și filtrarea.

Îndepărtarea gustului, mirosului și culorii. Apele de suprafață pot avea un gust sau miros neplăcut, datorat unor săruri minerale sau unor produși de descompunere organică etc., sau dacă sunt poluate sau conțin gaze ca H2S, CH4. Îndepărtarea acestora se poate realiza prin adsorbție pe cărbune activat, oxidare cu clor, permanganat de potasiu sau ozon, sau prin aerare. Substanțele organice sunt, în general, îndepărtate prin adăugare de cărbune activ. Oxidarea cu clor, permanganat de potasiu sau ozon poate îndepărta gustul sau mirosul, dar în unele cazuri poate avea efect contrar. De exemplu, clorurarea compușilor fenolici duce la accentuarea gustului și mirosului neplăcut. H2S și CH4 pot fi îndepărtate prin aerare. Problema îndepărtării gustului și mirosului apei este dificilă și necesită tratări speciale pentru fiecare caz în parte. În cazul în care apele de suprafață au dizolvați acizi humici sau produse rezultate din descompunerea plantelor, au o colorație gălbuie sau maronie. Decolorarea apelor se realizează în procesul de filtrare peste cărbune activ, sau prin oxidare cu clor sau ozon.

1.2.3. Dezinfectarea apei

Dezinfectarea reprezintă distrugerea organismelor patogene, față de sterilizare care reprezintă eliminarea tuturor organismelor vii. Dezinfectarea se aplică apelor care în prealabil au fost limpezite și filtrate și se poate realiza prin procedee biologice, fizice sau chimice.

Procedeele biologice de dezinfectare a apei folosesc acțiunea membranei biologice, care se formează în filtrele lente de nisip și care rețin microorganismele.

Procedeele fizice de dezinfectare a apei folosesc agenți fizici care au acțiune de distrugere a microorganismelor, cum ar fi: căldura, radiațiile sonice și ultraviolete, radiațiile ionizante etc.

Dezinfectarea prin fierbere. Cantități mici de apă se pot dezinfecta prin fierbere. Apa fiartă nu mai conține gaze dizolvate, nu are duritate temporară. Procedeul este costisitor, iar apa fiartă are un gust neplăcut.

Dezinfectarea cu radiații sonice. Folosește vibrațiile elastice, ultrasunete, cu frecvențe mai mari de 16 000 Hz. Apa este supusă ultrasunetelor timp de 2-20 minute, când se creează în celula microbiană condiții de inhibare a metabolismului.

Dezinfectarea cu radiații ionizante gamma (γ). Aceste radiații sunt de natură electromagnetică, asemănătoare radiațiilor X, având o mare putere de penetrare. Se obțin cu ajutorul izotopilor radioactivi. Procedeul s-a utilizat experimental pentru dezinfectarea apelor reziduale puternic infectate (spitale, abatoare). Nu se cunosc, însă, urmările utilizării pe timp îndelungat asupra florei și faunei.

Dezinfectarea cu radiații ultraviolete. Radiațiile ultraviolete (radiații electromagnetice cu lungimi de undă între 16 și 400 Å) au o acțiune sterilizantă naturală asupra apelor de suprafață. Se obțin în lămpi de cuarț, prin descărcări electrice în vapori de mercur. Efectul bactericid în apa limpede este util pe o distanță de 20-25 cm. Lămpile de cuarț se montează direct în conducte, apa circulând de-a lungul lor.

Procedee chimice de dezinfectare a apei Aceste procedee folosesc drept agenți de dezinfectare reactivi chimici, cu dezavantajul că unii reactivi modifică caracteristicile organoleptice ale apei.

Dezinfectarea cu ajutorul microelementelor. Metale ca argintul și cuprul, chiar în concentrații foarte mici (sutimi de mg/L) au proprietatea de a distruge microorganismele, iar efectul bactericid crește cu creșterea concentrației, a temperaturii și a timpului de contact dintre apă și metal. Procedeul de dezinfectare cu ioni de argint se poate realiza, de ex., prin: filtrarea apei printr-un strat de nisip argintat, contactul direct al apei cu suprafețe metalice argintate sau dizolvarea în apă a unor săruri solubile de argint (AgF).

Dezinfectarea cu ajutorul ozonului. Aerul ozonizat are o puternică acțiune bactericidă. Ozonul este produs prin descărcări electrice (fără scântei) în aer uscat, dar metoda este scumpă datorită consumului mare de energie electrică.

Dezinfectarea cu permanganat de potasiu se bazează pe acțiunea oxidantă a KMnO4 și se aplică numai la dezinfectarea unor cantități mici de apă, datorită costului ridicat și datorită faptului că este necesar uneori să se îndepărteze excesul de permanganat prin precipitare și filtrare.

Dezinfectarea apei cu clor și substanțe clorigene. Mai poartă denumirea de clorinarea apei. Majoritatea instalațiilor practică dezinfectarea cu ajutorul clorului, deoarece necesită instalații simple și ieftine. În plus, clorul sigură apei un rezidual dezinfectant, care preîntâmpină orice contaminare ce ar putea apărea după dezinfectarea inițială. Când clorul gazos este adăugat la apă, au loc reacțiile:

Cl2 + H2O ↔ H+ + Cl- + HOCl (3)

HOCl ↔ H+ + OCl- (4)

În figura 1 este dată distribuția speciilor clorului în funcție de pH. Deoarece formele bactericide active sunt Cl2 și HOCl, se constată că la valori ale pH-ului mai mari de 7,6, mai puțin de 50% din clorul total se află într-o formă activă. Deoarece cele mai multe ape potabile sunt tratate și distribuite la valori ale pH-ului mai mari de 7,6 este nevoie, în scopul asigurării unei protecții adecvate, de cel puțin 0,3 mg/l clor rezidual în sistemul de distribuție. Acest fapt explică prezența mirosului de clor în unele ape potabile.

Figura 1. Efectul pH-ului asupra speciilor clorului.

Clorul poate fi adăugat la apa brută, înaintea oricărui tratament – preclorinare – sau adăugat în diferite puncte ale instalației, și din nou după toate tratamentele – postclorinare. În afară de clor se utilizează, în mai mică măsură sau în cazuri speciale, dezinfectarea cu substanțe clorigene:

– clorura de var, care rezultă din acțiunea clorului asupra varului stins:

Ca(OH)2 + Cl2 → CaOCl2 + H2O (5)

acționează tot prin intermediul acidului hipocloros:

2 CaOCl2 + 2 H2O → CaCl2 + Ca(OH)2 + 2HOCl (6)

– hipocloriții de calciu și sodiu acționează tot prin intermediul acidului hipocloros:

Ca(OCl)2 + H2O → Ca(OH)2 + 2HOCl (7)

NaClO + H2O → NaOH + HOCl (8)

Se utilizează cu randament ridicat, dar sinteza lor este dificilă. În unele cazuri se utilizează în loc de clor iodul sau fluorul. Iodul are avantajul unui potențial de oxidare mai scăzut decât clorul, permițând un rezidual în sistem, în plus fiind solid este mai ușor de utilizat. Începând din 1950, multe țări practică introducerea fluorului în apa potabilă. S-a constatat o reducere semnificativă a cariilor dentare prin menținerea unui rezidual de fluor de circa 1,0 mg/l. Sursa cea mai comună de fluor o reprezintă fluorura de sodiu, fluorosilicatul de sodiu Na2SiF6 sau acidul hexafluorosilicic H2SiF6.

1.3. Ape industriale

Apa utilizată în industrie provine din surse foarte variate: râuri, lacuri, izvoare, mări și oceane. Cantitatea și gradul de tratament aplicat apei variază foarte mult de la o industrie la alta, de la o instalație la alta. În industria chimică, condițiile de calitate impuse apei sunt determinate de diferitele utilizări: materie primă, agent de răcire, solvent, agent de încălzire etc. Apele terestre provin din ploaie sau zăpadă. Acestea dizolvă din atmosferă CO2, O2, N2 și antrenează suspensii coloidale microscopice. Pe pământ apele dizolvă o serie de substanțe minerale ca: silicați și carbonați de calciu, fier și magneziu, sulfați, cloruri, azotați, fosfați de magneziu, sodiu, potasiu etc. Majoritatea acestor minerale sunt insolubile în apă, însă datorită prezenței dioxidului de carbon carbonații alcalino-pământoși și alte săruri insolubile se dizolvă parțial sub formă de bicarbonați. Apele naturale conțin, deci, cantități variabile de săruri dizolvate. Prezența în apa naturală a acestor substanțe dizolvate o face improprie utilizării, ca atare, în industrie. Unele substanțe, ca de exemplu MgCl2 și CO2, produc coroziunea instalațiilor:

MgCl2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2HCl (9)

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 (10)

FeCl2 + Mg(OH)2 → Fe(OH)2 + MgCl2 (11)

care continuă acțiunea de corodare.

Reacțiile produse de CO2:

Fe + ½ O2 + 2CO2 + H2O → Fe(HCO3)2 (12)

2Fe(HCO3)2 + ½O2 + H2O → 2Fe(OH)3 + 4CO2 (13)

Dioxidul rezultat continuă acțiunea sa corozivă. Apele dure depun, în cazul utilizării lor la cazanele de abur, cruste pe pereții cazanelor și conductelor, care conduc la înfundarea conductelor. Supraîncălzirile locale sau șocurile pot crăpa crustele și evaporarea bruscă în contact cu peretele fierbinte duce la explozii.

Figura 2. Corodarea pereților metalici și depunerea de cruste pe conducte datorită sărurilor prezente în apă.

De aceea apele naturale, pentru a putea fi utilizate ca ape industriale, sunt supuse unor tratamente de purificare și corectare a calității lor prin următoarele operații: sedimentare, tratare cu coagulanți, filtrare, dezinfectare, degazare, dedurizare, demineralizare, desiliciere. Operațiile de sedimentare, coagulare, filtrare, și dezinfectare se fac în aceleași condiții și cu aceeași aparatură ca la apa potabilă.

1.3.1. Dedurizarea apei

Duritatea unei ape reprezintă conținutul total de săruri de calciu și magneziu, exprimat în grame de carbonat sau oxid de calciu pe unitatea de masă de apă, denumite grade de duritate. Gradul german reprezintă duritatea unei ape care conține 1,0 g CaO la 100 000 g apă (sau 0,719 g MgO). Conținutul de săruri de calciu și magneziu sub formă de bicarbonați constituie duritatea temporară, Dt. Prin fierbere aceștia se descompun:

Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O (14)

Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O (15)

Duritatea permanentă, Dp, exprimă conținutul de săruri de calciu și magneziu ale acizilor tari (cloruri, sulfați, azotați).

Duritatea totală, DT, este suma durității temporare și permanente:

DT Dt D p

Apele dure trebuie dedurizate total sau parțial. Dedurizarea parțială, denumită și decarbonatare, se realizează când se înlătură numai sărurile care conferă duritate temporară. Aceasta se poate realiza prin încălzire sau tratare cu lapte de var:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O (16)

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O (17)

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O (18)

Dedurizarea totală constă în îndepărtarea tuturor sărurilor de calciu și magneziu, utilizându-se reactivi chimici sau schimbători de ioni.

Dedurizarea apei prin metode care utilizează reactivi chimici Se aplică, de obicei, la apele dure și urmărește reducerea durității înaintea dedurizării prin metoda cu schimbători de ioni. Reactivii cei mai utilizați sunt laptele de var și carbonatul de sodiu, metoda fiind cunoscută sub numele de metoda var-sodă. Metoda are la bază precipitarea calciului sub formă de carbonat de calciu și a magneziului ca hidroxid de magneziu. Reacțiile care au loc în diferite etape ale procesului sunt:

Reacția CO2 liber cu varul adăugat:

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O (19)

Deși nu duce la dedurizare, această reacție are loc preferențial, deoarece CO2 este acidul cel mai tare din sistem.

Reacția bicarbonaților de calciu și magneziu cu lapte de var:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O (20)

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O (21)

Reacția celorlalte săruri solubile de calciu cu soda:

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4 (22)

Reacția celorlalte săruri solubile de magneziu cu varul și soda:

a. MgSO4 + Ca(OH)2 →Mg(OH)2 + CaSO4 (23)

b. CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4 (24)

Este o reacție în două trepte, deoarece reacția 4-a produce o sare de calciu parțial solubilă care trebuie să reacționeze cu CO32- în scopul precipitării calciului. Cantitățile de var și sodă necesare se vor calcula din stoechiometria acestor reacții. Rezultă că eliminarea sărurilor de magneziu este mai scumpă decât a celor de calciu, necesitând cantități duble de reactanți. Înainte de tratarea chimică, apa este analizată pentru determinarea cantităților de var și sodă necesare purificării. Purificarea prin metoda var-sodă nu este completă. Se poate îmbunătăți purificarea dacă se completează acest tratament astfel: – se adaugă un mic exces de Na2CO3, care micșorează solubilitatea carbonaților de calciu și magneziu; – se face o nouă purificare cu fosfat trisodic, când precipită fosfații de calciu și magneziu, mai puțin solubili și mai ușor de decantat decât carbonații corespunzători:

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 →Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3 (25)

3CaCO3 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3 (26)

3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4 (27)

3MgCO3 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 + 3Na2CO3 (28)

3MgCl2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 + 6NaCl (29)

În cazul apelor cu duritate mică (duritatea permanentă cel mult egală cu duritatea temporară), se poate folosi hidroxid de sodiu. Au loc reacțiile:

CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O (30)

Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O (31)

Mg(HCO3)2 + 4NaOH → Mg(OH)2 + 2 Na2CO3 + 2H2O (32)

MgSO4 + 2NaOH → Mg(OH)2 + Na2SO4 (33)

Una dintre problemele majore ale dedurizării cu var-sodă este îndepărtarea precipitatului (noroiului) produs. Metodele principale au fost depozitarea în lagune, deversarea în cursul râurilor sau în sistemul canalelor sanitare, dar aceste metode au rezultate poluante. O metodă de îndepărtare pentru instalațiile mari este recalcinarea, adică regenerarea varului din CaCO3, prin calcinare. În cazul în care Mg(OH)2 a precipitat împreună cu CaCO3, este necesar să se îndepărteze magneziul înaintea recalcinării.

Dedurizarea apei prin metoda cu schimbători de ioni Aceste metode utilizează schimbători de ioni, cationiți, în forma acidă RH sau forma sodiu, RNa. Schimbătorul de ioni se obține prin copolimerizarea stirenului cu divinilbenzen, urmată de sulfonarea inelelor benzenice ale polimerului. Atunci când substituentul la nucleu este gruparea sulfonică –SO3H, ionul de schimb este protonul (H+), iar când substituentul este gruparea sulfonică sub forma sării sodice (–SO3Na), ionul de schimb este Na+.

În cazul formei acide, RH, apa rezultată are un conținut în acizi minerali echivalent cu duritatea permanentă a apei brute și poate avea caracter coroziv. Se utilizează când apa are duritate permanentă mică. În cazul formei sodiu, RNa, se obține o apă dedurizată care poate fi alcalină când apa brută are duritate temporară mare. Au loc reacțiile:

– ciclul hidrogen:

2HR + Ca(HCO3)2 → CaR2 + 2H2O + 2CO2 (35)

2HR + Mg(HCO3)2 → MgR2 + 2H2O + 2CO2 (36)

2HR + CaCl2 → CaR2 + 2HCl (37)

2HR + MgCl2 → MgR2 + 2HCl (38)

2HR + CaSO4 → CaR2 + H2SO4 (39)

2HR + MgSO4 → MgR2 + H2SO4 (40)

Schimbătorul epuizat se regenerează prin tratare cu o soluție de HCl 5-7%:

CaR2 + 2HCl → 2RH + CaCl2 (41)

MgR2 + 2HCl → 2RH + MgCl2 (42)

– ciclul sodiu:

2NaR + Ca(HCO3)2 → CaR2 + 2NaHCO3 (43)

2NaR + Mg(HCO3)2 → MgR2 + 2NaHCO3 (44)

2NaR + CaCl2 → CaR2 + 2NaCl (45)

2NaR + MgCl2 → MgR2 + 2NaCl (46)

2NaR + CaSO4 → CaR2 + Na2SO4 (47)

2NaR + MgSO4 → MgR2 + Na2SO4 (48)

Regenerarea schimbătorului se realizează cu o soluție 10% clorură de sodiu:

CaR2 + 2NaCl → 2RNa + CaCl2 (49)

MgR2 + 2NaCl → 2RNa + MgCl2 (50)

Pentru obținerea unei ape dedurizate neutre se utilizează două variante ale procesului de dedurizare. Într-o primă variantă, apa dedurizată prin ciclul hidrogen se amestecă cu apa dură până la neutralizare, după care este introdusă în ciclul sodic. La amestecarea apei dure cu apa acidă, au loc reacțiile:

Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2H2O + 2CO2 (51)

Mg(HCO3)2 + 2HCl → MgCl2 + 2H2O + 2CO2 (52)

Ca(HCO3)2 + 2H2SO4 → CaSO4 + 2H2O + 2CO2 (53)

În a doua variantă, apa dură se împarte în două fluxuri: unul trece prin coloana cu ciclul sodic (NaR), celălalt prin ciclul acid (HR), cei doi efluenți neutralizându-se prin amestecare, când au loc reacțiile:

NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2 (54)

2NaHCO3 + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O + 2CO2 (55)

1.3.2. Demineralizarea apei.

Demineralizarea apei reprezintă operația de îndepărtare totală a tuturor anionilor și cationilor din apă. Această operație se realizează prin diferite procedee, cum ar fi distilarea sau schimbul ionic. Distilarea, cel mai simplu procedeu, constă în evaporarea apei și condensarea vaporilor. Este un proces scump, de aceea se aplică numai unor cantități mici de apă. Apa mai conține o cantitate mică de CO2, care se elimină prin barbotare cu abur.

Demineralizarea prin schimb ionic, sau deionizarea apei, se realizează prin trecerea apei, în etape succesive, prin coloane cu cationit puternic acid și anionit puternic bazic, sau invers.

2HR + Ca(HCO3)2 → CaR2 + 2CO2 + 2H2O (56)

2HR + CaCl2 → CaR2 + 2HCl apă acidă (57)

2HR + MgSO4 → MgR2 + H2SO4 apă acidă (58)

Apa acidă rezultată este neutralizată prin trecerea peste anionit:

ROH + HCl → RCl + H2O (59)

2ROH + H2SO4 → R2SO4 + H2O (60)

Regenerarea se realizează cu acid mineral, HCl, H2SO4, pentru cationit și cu bază, NaOH, pentru anionit:

Ca2R + H2SO4 → 2HR + CaSO4 (61)

RCl + NaOH → ROH + NaCl (62)

1.4. Ape reziduale

Apele reziduale sunt apele care rezultă în urma diferitelor utilizări și se pot împărți în ape reziduale de canal (sau municipale) și ape reziduale industriale. Apele reziduale conțin 99,95% apă și numai 0,05% impurități, care sunt substanțe organice sau anorganice, solubile sau insolubile, degradabile sau nedegradabile, a căror evacuare în apele curgătoare poate ridica probleme serioase. Apele industriale, în funcție de gradul de impurificare, fie se amestecă cu apele reziduale municipale și se tratează împreună, după care se deversează în râuri, fie se tratează separat și se reutilizează în procesul industrial.

Tratamentul apelor reziduale. O schemă de principiu pentru tratarea apelor reziduale este redată în figura 3.

Tratamentul primar constă din orice operații ca sedimentare sau sitare, care îndepărtează particulele peste mărimea coloidală. De asemenea, îndepărtează 30-60% din necesarul de oxigen biochimic (COB sau NOB).

Tratamentul secundar asigură îndepărtarea materiilor coloidale sau dizolvate și reduce în continuare NOB. Acest tratament este un tratament biologic, prin creșterea microorganismelor care utilizează reziduurile din apă ca aliment.

Tratamentul terțiar se aplică în cazul reutilizării apei în industrie.

Tratamentul primar Colectarea apelor reziduale se realizează, în cele mai multe cazuri, prin scurgere sub acțiunea gravitației. Este necesară îndepărtarea obiectelor mari, care se face cu grătare și site. Depunerile sunt depozitate în gropi sau gunoi sau sunt incinerate.

Apele reziduale trec apoi în decantoare, în care se depun solidele mai mici, Aceste decantoare au fundul în pantă, iar viteza de circulație este mică. Se pot adăuga și coagulanți pentru îndepărtarea suspensiilor mai fine.

Tratamentul secundar Este o epurare biologică, ce se realizează în două variante: naturală (a) și artificială (b).

a. Se realizează pe filtre cu nisip, ca la apa potabilă, pe suprafața cărora se formează membrana biologică.

b.1. Primul tip de epurare biologică artificială se realizează prin filtrare prin diferite medii minerale ca piatră spartă, zgură, cărămidă, cocs. Bucățile de piatră, cele mai utilizate, se împachetează suficient de lejer pentru a permite circulația curentului de apă de jos în sus și prezintă suficiente deschideri pentru a preîntâmpine obturarea cu noroi biologic. Pe filtru, după o perioadă de timp, se formează o masă microbiană care va mineraliza și stabiliza reziduurile. Materialele din apă vor fi la început adsorbite și apoi asimilate de microorganisme pentru sinteză și energie. Totuși, este necesară și o îndepărtare continuă a microorganismelor, altfel întreg filtrul se va înfunda (colmata).

b.2. Al doilea tip de epurare biologică artificială se face prin procese cu nămol activ. În aceste procese, față de procesul anterior, floculele de nămol activat sunt în suspensie în curentul de apă în mișcare. Procesul are la bază constatarea că, după o aerare prelungită a apelor de canal, se dezvoltă flocule din diferite microorganisme, care au fost denumite nămol activ sau activat. Deoarece acesta este un proces strict aerob, necesarul de oxigen este mare și dificil de satisfăcut datorită solubilității mici în apă. Aerul introdus are trei funcțiuni: transferă oxigenul la apa reziduală și menține condițiile aerobe; produce amestecarea intimă a floculelor și apei de canal și menține floculele în suspensie. O parte din nămol este recirculat și are rolul de a accelera creșterea floculelor de bacterii. Cantitatea de nămol recirculat variază între 10 și 30%, în funcție de conținutul de suspensii în apele de canal. Deoarece procesul cu nămol activ este un proces microbiologic, prezintă mare importanță factorii care promovează sau inhibă creșterea. Cei mai importanți sunt: pH-ul și temperatura. pH-ul determină natura microorganismelor care predomină în sistem.

Figura 3. Stație de epurare a apelor cu nămol activ.

Fermentarea nămolului. Nămolul putrescibil colectat trebuie să fie îndepărtat ieftin și eficient. Separarea lui se face cu filtre rotative (fig. 4). Nămolul brut conține 95% apă, dar această apă este greu de îndepărtat.

Fermentarea nămolului este efectuată în scopul reducerii volumului și a numărului de patogeni. Nămolul proaspăt este de culoare gri, cu miros dezagreabil datorită tiolilor și poate fi ușor pompat. Nămolul fermentat este de culoare neagră, granular. Fermentarea nămolului este un proces realizat de microorganisme, cinetica și timpul de realizare a procesului fiind dependente de temperatură.

Figura 4. Separarea nămolului activ cu ajutorul filtrelor rotative (stânga); nămol fermentat (dreapta).

Gazul de nămol care ia naștere în timpul fermentării conține majoritar metan, dar și CO2 și urme de hidrogen sulfurat. Se produce suficient gaz pentru încălzirea nămolului la temperatura necesară, încălzirea clădirii instalației, producerea de apă caldă.

Îndepărtarea nămolului. Nămolul fermentat este inert, dar conține încă multă apă. El poate fi deshidratat prin încălzire sau filtrare, după care trebuie depozitat.

Tratamentul terțiar Se aplică în scopul reutilizării apelor după tratare, ca ape industriale. Profunzimea și gradul de tratament necesar depind de tipul de reutilizare. Tratamentele primar și secundar nu sunt eficiente; după tratamentul secundar apele conțin necesar de oxigen biochimic și chimic, care continuă un ciclu natural de descompunere. Apele conțin, de asemenea, compuși cu fosfor și azot și substanțe organice ca insecticide, agenți activi de suprafață, pesticide. Tratamentul terțiar al apelor uzate poate include una sau mai multe din următoarele operații:

Clorinarea. Acest proces se aplică și apelor după tratamentul secundar, în scopul reducerii bacteriale. În unele cazuri, însă, numai clorinarea cu cantități corespunzătoare de clor poate furniza ape ce pot fi reutilizate.

Precipitarea cu agenți chimici. În acest proces se formează compuși insolubili, iar precipitatul format se separă din apă. Îndepărtarea fosfaților se poate realiza prin adăugare de săruri duble de aluminiu sau fier. Se formează fosfați insolubili, care se adsorb pe flocoanele de hidroxizi metalici.

Spumarea și separarea spumei. Tratamentul secundar nu poate să îndepărteze și să descompună detergenți grei ca ABS (alchilbenzensulfonați). Procesul de separare a spumei se bazează pe abilitatea agenților activi de suprafață, ca ABS, de a se colecta la interfața lichid – gaz (spumă). Spuma astfel formată concentrează solidele în suspensie prin mecanismul flotației.

Adsorbția pe cărbune activ. Tratarea apelor reziduale cu cărbune activ pare să devină unul din cele mai importante procese ale tratamentului terțiar. Apa este trecută printr-o coloană cu cărbune activ particule. Conținutul organic al apei scade pe măsura înaintării în strat.

Regenerarea cărbunelui se face în cuptoare la 70-80oC cu apă sau aer, dar se pierde o mică parte din cărbune.

Epurarea apelor reziduale prin schimb ionic. Schimbătorii de ioni se utilizează la tratarea apelor reziduale înainte de a fi deversate în mediu, dacă conțin concentrații mici de compuși toxici, la tratarea apelor ce vor fi reutilizate sau la tratarea apelor reziduale ce conțin compuși are pot fi recuperați. Astfel, de ex.:

– apele reziduale acide sau alcaline, care rezultă în procesele tehnologice de fabricare a acizilor și bazelor, trebuie neutralizate înaintea deversării în râuri. Apele acide se pot epura pentru recuperarea acizilor, trecând aceste ape peste un anionit slab bazic, care reține acizi.

2ROH + H2SO4 → R2SO4 + 2H2O (63)

ROH + HCl → RCl + H2O (64)

ROH + HNO3 → RNO3 + H2O (65)

Regenerarea schimbătorului se face cu o soluție amoniacală

(NH4OH):

R2SO4 + 2NH4OH → (NH4)2SO4 + 2ROH (66)

RNO3 + NH4OH → NH4NO3 + ROH (67)

RCl + NH4OH → NH4Cl + ROH (68)

– apele amoniacale de la fabricile de amoniac se epurează cu ajutorul cationiților puternic acizi. Rășina epuizată se regenerează cu soluție de HNO3 10%, rezultând soluții de azotat de amoniu care pot fi utilizate ca îngrășământ:

RH + NH4OH → NH4R + H2O (69)

NH4R + HNO3 → RH + NH4NO3 (70)

– apele reziduale care conțin mercur sunt epurate de mercurul foarte toxic prin tratarea cu rășini cationice puternic acide în forma

R2Ca:

R2Ca + Hg2+ → R2Hg + Ca2+ (71)

Regenerarea cationitului se face cu acid azotic sau clorhidric 10%. Dacă rășina utilizată este foarte ieftină, atunci ea se arde și rezultă mercur metalic. – apele reziduale cu crom, la un conținut mai mare de 30 mg/l crom au efect letal. Aceste ape rezultă de la băile de cromare, pasivizare, instalațiile de purificare a gazului de sinteză etc. Cromul hexavalent din apele reziduale se poate îndepărta prin tratare cu anioniți:

2ROH + CrO42- → R2CrO4 + 2OH- (72)

Regenerarea anionitului se realizează cu soluție de NaOH:

R2CrO4 + 2NaOH → Na2CrO4 + 2ROH (73)

METODE TEORETICE DE ANALIZĂ A APEI ÎN LABORATOR

[NUME_REDACTAT] tehnice de protecție a apelor, sursele de apă se clasifică funcție de calitatea și utilizarea lor în următoarele categorii [2]:

Categoria I: ape destinate alimentărilor cu apă în sistem centralizat a aglomerărilor urbane, unităților cu profil alimentar, industriei farmaceutice, amenajări piscicole.

Categoria II: ape destinate pentru industrie, urbanism, irigații.

Categoria III: apa brută netratată utilizată în transport.

În tabelul 1 sunt menționați indicatorii de calitate pentru diferite categorii de apă.

Tabelul 1. Indicatori de calitate pentru diferite tipuri de apă

Compararea valorilor indicilor de calitate permite evidențierea specificului diferitelor categorii de apă și duce la concluzia că tehnologiile de obținere a apei potabile trebuie adaptate caracteristicilor și specificului sursei utilizate.

2.1. Metode de investigare a resurselor de apa

Calitatea apei nu rămâne constantă în timp, ea poate varia din cauza multor factori fie produși de om (factori antropici), fie de origine naturală. Analizele chimice reflectă starea momentană a apei [3]. Oricât de mare ar fi frecvența de analiză a parametrilor gradul avansat al preciziei determinărilor, acestea furnizează informații orientative [4].

În practică se determină indicatorii chimici specifici prezentați în tabelul 2.

Tabelul 2. Indicatorii de bază pentru calitatea apei potabile

Analizele care stabilesc calitatea apei sunt redate mai jos:

– Determinarea temperaturii. Determinarea temperaturii se realizează direct la sursa de apă, dacă condițiile de teren o permit. În cazul în care acest lucru nu este posibil, se prelevează o probă de 1-1,5 L de apă și se decelează temperatura imediat după recoltare. Pentru determinare se folosesc termometre cu mercur sau cu semiconductor.

– Determinarea pH-lui. Determinarea pH-lui se realizează prin procedeu electrochimic și constă în măsurarea forței electromotoare a unei celule conductometrice alcătuită dintr-un electrod de sticlă și unul de referință. Metoda este aplicabilă tuturor probelor de apă cu pH-ul cuprins între 3–10.

– Determinarea conținutului de oxigen dizolvat. Determinarea conținutului de oxigen se realizează prin metoda electrochimică cu ajutorul unei celule electrochimice ce comunică cu proba printr-o membrană semipermiabilă la gaz.

– Determinarea consumului biochimic de oxigen după n zile (CBO5). Consumul biochimic de oxigen reprezintă cantitatea de oxigen consumata de microorganisme intr-un interval de timp, pentru descompunerea biochimica a substanțelor organice conținute in apa. Timpul standard este de cinci zile la temperatura de 20°C.

– Determinarea consumului chimic de oxigen CCOCr. Consumul chimic de oxigen se definește ca fiind concentrația masică de oxigen, echivalentă cu cantitatea de dicromat de potasiu consumată de materiile dizolvate și aflate în suspensie.

– Determinarea conținutului de amoniu. Determinarea amoniului în apă se realizează pe cale spectrofotometrică, prin reacția ionului amoniu cu ionii de salicilat și hipoclorit în prezența nitrozo-pentacianoferatului III de sodiu. 

– Determinarea conținutului de nitriți. Se realizează pe cale spectrală, cu ajutorul unui spectrofotometru cu absorbție atomică pentru concentrații de nitriți de până la 0,25mg/L. Principiul metodei constă în reacția ionilor nitrit cu reactivul 4-aminobenzen-sulfonamida în prezența acidului ortofosforic pentru a rezulta o sare de diazoniu, care formează un complex de culoare roșie cu N(1-naftil)-etilen–diamina diclorhidrat. Se măsoară apoi absorbanța la 540 nm.

– Determinarea conținutului de azotați. Se realizează pe cale spectrometrică, pe baza reacțiilor între 2,6-dimetilfenol și acidul sulfuric, având ca produs de reacție 4–nitrozo-2,6-dimetilfenol. Măsurarea spectrofotometrică se realizează la lungimea de undă de 324 nm.

– Determinarea suspensiilor. Determinarea suspensiilor solide  din apa se realizează prin metoda filtrării pe creuzete filtrante sub presiune sau sub vid. 

– Determinarea conductivității electrice. Conductivitatea electrică este măsura curentului condus de ionii prezenți în apă și depinde de concentrația lor, temperatura soluției și de viscozitate. Dispozitivul utilizat în determinări se numește conductometru și exprimă acest parametru în micro–Siemens (μS).

– Determinarea conținutului de cloruri. Determinarea utilizează  metoda Mohr, pe principiul precipitării ionilor de argint cu ionii clorură, adăugarea unui mic exces de ioni de argint și formarea cromatului de argint cu ionii cromat drept indicator.

– Determinarea alcalinității totale și permanente a apei. Alcalinitatea (A) se definește ca fiind capacitatea cantitativă a mediilor apoase de a reacționa cu ionii de hidrogen. Alcalinitatea  la punctul de viraj al roșului de metil este o măsură arbitrară a alcalinității totale(AT) a apei care se obține prin titrare până la virajul roșului de metil (pH=4.5). Alcalinitatea la punctul de viraj al fenolftaleinei (alcalinitatea permanentă) (AP) se atribuie  arbitrar la măsurarea prin titrare până la punctul de viraj al fenolftaleinei (pH=8.3) și reprezintă alcalinitatea unei ape corespunzătoare totalității hidroxizilor și jumătate din conținutul de carbonați.

– Determinarea agenților de suprafață anionici. Metoda se bazează pe determinarea indicelui de albastru de metilen (MBAS), utilizând un spectrofotometru cu selector pentru variație discontinuă. Principiul constă în formarea în mediu alcalin a sărurilor colorate  dintre  albastru de metilen și agenții de suprafață anionici, extracția acestor săruri cu cloroform și tratarea acidă a soluției cloroformice, eliminarea complexului, substanța anionică-albastru de metil, din soluția alcalină și agitarea extractului cu soluție acidă de albastru de metilen.

2.2. Compoziția fizico-chimică și calitatea apei

Compoziția și calitatea apelor naturale este determinată de totalitatea substanțelor minerale și organice, a gazelor dizolvate, a particulelor aflate sub formă de suspensii și a organismelor vii prezente [6].

Indicatori organoleptici și fizici:

Culoarea apelor se datorează substanțelor dizolvate și se determină în comparație cu etaloane preparate în laborator sau în raport cu apa bidistilată, unitatea de măsură fiind gradul platino-cobalt.

Mirosul apei se clasifică în:fără miros, cu miros neperceptibil, cu miros perceptibil unui specialist, cu miros perceptibil unui consumator, cu miros puternic  și cu miros foarte puternic.

Gustul apei se clasifică utilizându-se denumiri convenționale cum ar fi:

Mb – ape cu gust mineral bicarbonato-sodic;

Mg – ape cu gust magnezic;

Mn – ape cu gust mineral metalic;

Ms – ape cu gust mineral sărat;

Oh – ape cu gust organic hidrocarbonat;

Om – ape cu gust organic pământos;

Ov – ape cu gust organic gazos.

Turbiditatea apei se manifestă prin lipsa de transparență a acesteia și se datorează prezenței substanțelor în suspensie fin divizate (argilă, nisip, substanță organică) care împiedică razele de lumină să se propage liber. Acestea se pot separa prin metode fizice: filtrare, centrifugare, sedimentare. Turbiditatea apei se determină pe cale optică cu un dispozitiv numit turbidimetru, cu ajutorul căruia se măsoară  transparența probei în raport cu un etalon pe bază de formazină. Unitatea de măsură este gradul NTU sau NFU (grade nefelometrice de turbiditate).

pH-ul- reprezintă un factor important care determină capacitatea de reactivitate a apei, agresivitatea acesteia, capacitatea de a constitui medii pentru dezvoltarea diferitelor organisme.

Conductivitatea apelor constituie unul din indicatorii cei mai utilizați în aprecierea gradului de mineralizare a apelor. Conductivitatea electrică este influențată în mod direct de concentrația totală a ionilor în apă (cationic și anionic). Unitatea de măsură este Ω-1cm-1. Dispozitivul de măsură este un conductometru bazat pe o punte Wheatstone.

Radioactivitatea apei – reprezintă capacitatea acesteia de a emite radiații permanente de tip: alfa, beta și gamma. Substanțele radioactive induc prin expunere îndelungată și la nivele ridicate, mutații genetice ireversibile și boli de radiație, de obicei letale. Acestea nu pot fi utilizate în scopuri de alimentare casnică și industrială.

2.3. Tehnici aplicabile în obținerea apei potabile

În figura 1 este prezent fluxul de tratare a apei dintr-o sursă de adâncime.

Figura 1. Schema bloc a fluxului de tratare a apei din sursa de adâncime: 1- captare din puț de adâncime, 2-bloc de aerare, 3-filtre rapide cu nisip, 4-sistemul de dezinfecție( clor gazos, dioxid de clor)

În figura 2 este prezentat fluxul de tratare a apelor de suprafață(râu sau lac):

Figura 2. Schema bloc de tratare convențională a apei din surse de suprafață: 1-priza de captare, 2-sistemul de admisie a apei, 3-blocul de injecție a reactivilor de tratare,4-gospodaria de reactivi, 5-tanc de reacție, 6-decantoare, 7-filtre cu cărbune activat,  8-filtre cu nisip, 9-sisteme de tratare specială a apei (osmoza inversă, dedurizare, oxigenare, deferizare), 10- stația de clorare (dozare clor, generare și dozare dioxid de clor), 11-rezervorul de apă potabilă.

2.3.1. Sisteme de reținere a particulelor grosiere

În scopul protejării mecanice a instalațiilor de tratare, de obiectele plutitoare antrenate de apele de suprafață (corpuri plutitoare, resturi vegetale și animale), în punctele de captare a apei brute, se dispun grătare și site. Grătarele servesc pentru îndepărtarea din apă a impurităților grosiere care pot forma depuneri greu de evacuat și care ar bloca utilajele. Materialele reținute, cu dimensiuni mai mari decât interstițiile dintre bare, formează ele însele straturi filtrante. Pentru reținerea impurităților de dimensiuni mai mici se utilizează site statice sau mobile. Deznisiparea are ca scop reținerea în bazine special amenajate a nisipului și reprezintă prima treaptă de limpezire în procesul de tratare a apei [13,14].

Figura 3. Deznisipator orizontal: 1- camera de liniștire, 2-grătare pentru reținerea suspensiilor plutitoare grosiere, 3-camera de sedimentare, 4-praguri, stavilare, 5-dispozitive de evacuare a nisipului.

2.3.2. Coagularea – flocularea

Dimensiunea impurităților din apa brută variază de la 10-7 mm la circa 1 mm. O parte din aceste particule pot fi separate prin sedimentare, iar o altă parte din impurități având dimensiuni și viteze de sedimentare prea mici nu pot  fi separate din apă pe această cale [15]. Din acest motiv este nevoie să se recurgă la agregarea lor în particule mai mari, ce pot fi îndepărtate prin coagulare și sedimentare. Particulele foarte fine sunt încărcate electric și se resping între ele [13, 16]. 

Conform concepției stratului dublu electric există un strat de adsorbție, care aderă direct la nucleu, denumit „strat fix” sau „Helmholtz”și un strat difuz, care este format din contraioni. Schema unei particule coloidale este prezentata in figura 11. Particulele coloidale din apa, încărcate negativ, au potențial, numit potențial „ZETA”[13,17,18]. Valoarea potențialului Zeta a apelor din Romania se situează în intervalul: -10mV si -30 mV. Coloizii fiind încărcați negativ, aceasta le conferă stabilitate, nu sedimentează și se mențin în echilibru mult timp. Destabilizarea echilibrului coloidal se realizează prin neutralizarea sarcinilor electrice ce conduce la formarea unor particule mai mari, denumite „flocoane”capabile să sedimenteze.

Figura 4. Modelul stratului dublu electric

Destabilizarea coloizilor se poate realiza prin tratarea apei cu ioni metalici, eficiența sporind cu creșterea  valenței ionilor metalici. În practică se folosesc sărurile de metale trivalente pe bază de Fe(III) și Al(III) [13,19,20]. Se remarcă clorura ferică și sulfatul de aluminiu.

Reactivul pe bază de fer(III) cel mai utilizat în tratarea apelor de suprafață îl constituie FeCl3⋅6H2O, ce se prezintă sub formă de cristale brune, foarte higroscopice, în practică utilizându-se sub formă de soluție concentrată (40%).

Reacția de hidroliză a FeCl3 în prezența HCO-3 din apa brută este:

FeCl3 + HCO3- ↔ Fe(OH)3↓ + 3Cl- + 3CO2 (1)

Figura 5. Flocoane formate în tancul de reacție, utilizând reactiv de coagulare FeCl3, în Complexul de [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT]

În noua tehnologie au fost înlocuiți unii reactivi de tratare: s-a renunțat complet la utilizarea sulfatului de aluminiu (Al2(SO4)3, acesta fiind implicat în declanșarea sindromului Allzenheimer, înlocuindu-se cu clorura ferică (FeCl3).

Agenții de floculare, substanțe cunoscute și sub denumirea de adjuvanți, sunt utilizați în procesul de coagulare-floculare, cu scopul de a realiza o mărire a dimensiunilor flocoanelor și a vitezei de sedimentare. Adjuvanții utilizați în coagulare-floculare sunt de origine minerală sau de origine organică [21]. Adjuvanți minerali, din această grupă fac parte: silicea activă (silicat de sodiu neutralizat cu H2SO4), silico-aluminat (silicat de sodiu activat cu sulfat de aluminiu), argile (bentonita, caolin), nisip fin, cărbune activ, carbonat de calciu, kiselgur.

2.3.3. Filtrarea apei

Filtrarea constituie procedeul de limpezire avansată a apei, constând în trecerea acesteia printr-o masă de material poros denumit strat filtrant [13]. Filtrarea este utilizată ca ultimă etapă de limpezire în procesul de obținere a apei potabile. Stratul filtrant poate fi caracterizat ca strat granular sau strat poros. Filtrele din materiale granulare se clasifică după natura materialului filtratant ce poate fi: nisip cuarțos, antracit, cărbune activ granular, cocs metalurgic.

Figura 6. Schema funcțională a unui filtru rapid deschis: 1-conducta de alimentare cu apa brută, 2- strat drenant care susține stratul de nisip, 3- strat de nisip filtrant,4-conducta de evacuare a apei filtrate.

Tehnica filtrării prin cărbune activ granular. Cărbunele activ este un material solid, pe bază de cărbune amorf, cu suprafața specifică și o capacitate de absorbție deosebit de mare [27]. Calitatea cărbunelui activ este exprimată prin parametrul: “indice de iod” (Iodine #), acesta fiind o măsură a cantității de iodură absorbită de cărbunele activ, în unități de greutate. Materia primă din care se obține cărbunele activ performant  poate fi coaja de nucă de cocos, lemn (mangal), lignit, turbă, deșeuri petroliere, care prin carbonizare lentă în absența aerului și activare prin injectarea de gaze oxidante la temperaturi foarte înalte conduc la un cărbune activat cu o suprafață de adsorbție ce variază între 500 – 1500 m2/g[28,29]. Injectarea gazului asigură formarea structurii poroase, creând o suprafață mare de contact [13]. Cărbunele activ se poate utiliza sub formă de granule (cu spectru granulometric de 2 – 6 mm) în filtre rapide de tip deschis și sub formă de pulbere sau pudră (cu spectru granulometric 0.1-0.5mm), utilizat sub formă de soluție de pudră de cărbune activ în procesele de absorbție chimică și corectarea parametrilor organoleptici ai apei.

Există mai multe tipuri de adsorbție ce pot fi luate în considerație [13, 30]:

–  adsorbție fizică,acumularea poluanților realizându-se la zona de separație lichid–solid, bazată pe interacțiuni de tip Van der Waals [13,30]

–  chemosorbție, compușii poluanți fiind atrași și fixați numai de centri activi, legături ce implică transfer electronic [13,30]

Adsorbția combinată cu procesele biologice se realizează atunci când cărbunele granular prezintă și activitate biologică, la suprafața granulei creându-se o membrană biologică prin dezvoltarea unor microorganisme ce vor consuma substanța organică din apă [30,31]. 

Pe măsură ce cărbunele activ adsoarbe compușii poluanți, capacitatea de adsorbție scade [13], din acest motiv impunându-se regenerarea lui.

Din rezervorul de apă filtrată, apa este preluată de pompele de transfer și pompată spre  filtrele cu cărbune activ. Filtrarea prin bateriile de cărbune activ are ca scop principal corectarea proprietăților organoleptice ale apei (gust, culoare, miros, reținerea ultimilor poluanți chimici). Cărbunele activ are proprietăți adsorbante mari, datorită faptului că este în stare granulară, iar suprafața specifică este mare. La interfața de separație apă-suprafața granulei se creează o membrană microbiologică, în care se desfășoară practic fenomenele de adsorbție biochimică.

2.3.4. Dezinfecția apei

Apa brută, până a fi supusă tratării, intră în contact cu atmosfera terestră, solul, diferiți poluanți, cu o anumită încărcare microbiologică, existând riscul transmiterii unor boli digestive periculoase pentru sănătatea omului. Din acest motiv se impune distrugerea și eliminarea acestor microorganisme din apă,prin dezinfecție cu agenți chimici puternic oxidanți sau cu agenți fizici. Eliminarea totală a agenților patogeni din apă (bacterii, alge, spori, viruși) se realizează prin sterilizare [13].

Procedeele de dezinfecție a apei se pot clasifica astfel [13]:

– procedee fizice: ce utilizează anumite forme de energie cu putere de pătrundere mare precum: razele U.V., razele X,  razele gamma, câmpul ultrasonic, radiația infraroșie, microundele.

– procedee chimice: ce utilizează reactivi chimici puternic oxidanți precum: clor, dioxid de clor, ozon, apă oxigenată sau ioni ai unor metale grele (argint, cupru). 

Procesul de dezinfecție se realizează în două faze [32]:

– pătrunderea dezinfectantului prin peretele celular

– denaturarea protoplasmei enzimatice

Inactivarea bacteriilor se realizează prin degradarea membranei citoplasmatice și creșterea permiabilității acesteia, urmată de o oxidare a enzimelor implicate în respirație. În cazul virușilor, acțiunea dezinfectantului se manifestă la nivelul acizilor nucleici, în timp ce la protozoare, fenomenele  ce au loc sunt mai puțin cunoscute.

2.3.4.1. Dezinfecția prin clorare (cu clor și derivați clorurați)

Pentru clorinare se utilizeaza clorul gazos și substanțele clorigene (clorura de var, cloraminele, dioxidul de clor, hipocloritul de sodiu)[13]. Introdus în apă clorul generează oxigen care acționează asupra substanțelor organice și microorganismelor, distrugându-le. În contact cu apa, clorul formează acidul hipocloros și acidul clorhidric conform reacției:

Cl2+H2O → HOCl +HCl (3)

Acidul hipocloros este instabil si se descompune în oxigen activ și acid clorhidric, conform reacției:

HOCl → HCl +O (4)

Dezavantajul major a dezinfecției cu clor gazos o prezintă produșii secundari de reacție din categoria trihalometanilor (THM), ce rezultă în urma reacției clorului cu substanțele organice din apă, cloroform, diclorometan ( presupuși a fi agenți cancerigeni[13,27,33]). 

Cloraminele pot fi utilizate în dezinfecția apei potabile, având efect bactericid mai scăzut decât al clorului. La hiperclorare apar subproduși de reacție, precum halometanii, compuși presupuși periculoși [13,34-35].

O alternativă la dezinfecția cu clor gazos o constituie dioxidul de clor[36], care prezintăproprietăți specifice: caracter  puternic oxidant, capacitate de a reduce, până la eliminarea  totală a ionilor de fer și de mangan din apă, îndepărtarea mirosurilor și gusturilor neplăcute, reducerea turbidității, a culorii, o puternică acțiune biocidă asupra bacteriilor, virusurilor, protozoarelor în  contact scurt cu apa [37]. Dezinfecția cu dioxid de clor este foarte apreciată pentru că posedă proprietăți biocide, nu reacționează cu amoniacul din apă, nu generează halometani, nu prezintă toxicitate remanentă (fapt ce permite utilizarea în spitale, industria alimentară, piscicultură și floricultură).

S-a introdus tratamentul preoxidativ cu dioxid de clor (ClO2), având proprietăți superioare oxidative față de clorul gazos, cu avantajul major -cantitatea de halometani generați, presupuși cancerigeni, în urma reacției cu apa au valori minime.

Oxidarea intermediară cu dioxid de clor  conduce la modificarea parametrilor biologici ai apei, reducând prezența algelor și a altor microorganisme acvatice. Totodată, oxidarea intermediară reduce substanțial cantitatea de Cl2 introdusă în compartimentul de apă potabilă la dezinfecția finală. 

2.3.4.2. Dezinfecția cu ozon

Ozonul este oxidantul cel mai puternic folosit pentru potabilizarea apei, principalul său avantaj fiind lipsa totală a produșilor secundari de reacție specifici tratamentului cu clor [13]. Ozonul este preparat din aer uscat sau oxigen sub efectul radiației ultraviolete sau a descărcărilor electrice de înaltă tensiune cuprinse între 4– 30 KV, conform reacției chimice [38,18]:

3O2 ↔ 2O3 + 34,5 cal/mol

Figura 7. Generatoare orizontale de ozon, Stația de Tratare a Apei de la [NUME_REDACTAT] Valley USA

Ozonul este stabil numai la temperaturi foarte ridicate, iar la temperatură normală se descompune cu degajare de căldură și molecula de oxigen, eliberându-se al treilea atom de oxigen sub formă activă, conferind ozonului proprietăți oxidante[13,38,39]:

O3 + H2O → 2HO∙ +O2          (5)

O3 + HO∙ → O2- ∙ + HO2∙       (6)

  Tratarea cu ozon permite eliminarea unor germeni rezistenți la alți agenți convenționali de dezinfecție. Timpul de contact este  scurt (cca. 4 minute), asigurând distrugerea în proporție de 90% a microorganismelor contaminante.

2.3.4.3. Dezinfectanți fizici

Radiațiile cu o anumită lungime de undă au proprietăți penetrante remarcabile, ceea ce le pretează pentru procesul de dezinfecție, cele mai utilizate fiind radiațiile ultraviolete, nucleare (în special cele gamma) și câmpul de radiație ultrasonic [27].

2.3.4.3.1. Dezinfecția cu radiații UV

Lungimea de undă a radiației UV la care se manifestă efectul bactericid este cuprins între 2500 – 2800 Ǻ [27,40]. Radiația UV este capabilă să distrugă microorganismele, într-un mediu lipsit de oxigen, fără a fi implicat vreun proces chimic, acțiunea bactericidă manifestându-se prin efect distructiv  la nivel de ADN și ARN[41]. Apa supusă tratamentului prin  iradiere, trebuie să îndeplinească anumite cerințe: să circule cu viteză redusă, turbiditatea nu trebuie să depășească 2-3° NTU, iar înălțimea apei în compartimentul de iradiere nu trebuie să depășească 15- 20 cm.

INVESTIGAȚII DE LABORATOR

3.1. Reactive, materiale, aparate folosite în experiment

3.2. Colectarea probei

În timpul ce se i-a proba de apă trebuie să fie respectate următoarele cerințe:

Localitatea și timpul luării probei trebuie să excludă unele elemente de poluare, deoarece proba reflectă compoziția reală a apei din sursa respectivă;

Din momentul când se ia proba și până la analiza ei trebuie să fie un interval mic, din motivul să nu se petreacă careva schimbări în calitatea ei.

Cantitatea de apă necesară pentru determinarea componenților individuali este diferită și depinde de metoda folosită. Proba de apă pentru analiză poate fi luată în vase de polietilenă și sticlă. Una din condițiile principale este curățenia vasului și dopului. Înainte de a lua proba, vasul se clătește cu apă distilată și apoi cu apă destinată pentru analiză, apoi se umple cu apă și se lasă să curgă până atinge temperatura mediului.

Pentru a primi careva transformări în componența chimică a apelor, se recomandă conservarea probelor de apă.

Destul de repede se schimbă temperatura, pH-ul, iar acesta duce la modificarea și a altor componenți ce se pot sedimenta sau invers, din forma insolubilă trec în soluție (săruri de etc.), în proba neconservată se pot desfășura unele procese biochimice sub influența microorganismelor ce duc la oxidarea sau reducerea unor componenți (nitrați, sulfați, ioni de fier).

De asemenea, proprietățile organoleptice ca mirosul, gustul, transparența, colorația cu timpul se pot schimba, iar alți componenți () se pot absorbi pe pereții vasului sau invers, din sticlă pot trece în apă ().

Deoarece nu există o formulă universală de conservare a apei, adecvată pentru toți ingredienții, se efectuează o conservare specifică a fiecărui component.

Pentru a evita rezultatele false întocmai se repetă acele reguli prevăzute de Regulament. Probele erau păstrate în frigider, iar apoi se foloseau când temperatura devenea egală cu temperatura camerei.

Tabelul 3. Condiții de conservare a probei de apă.

3.2.1. Caracteristica fântânilor

Tabelul 4. Caracteristica fântânelor

fotografii

2.3. Indicii de calitatea apelor utilizate în diverse domenii

Una din regiunile relativ sărace în apă este [NUME_REDACTAT]. Pe teritoriul ei anual se formează circa 1,32 km3 de apă. Din resursele de apă ce se formează pe teritoriul republicii unui locuitor îi revine 0,32 mii m3 de apă (în prezent sunt formate peste 6200 de sonde și funcționează peste 5600 fântâni arteziene formate în orizonturile subterane adânci) din fântâni și izvoare din orizontul freatic. Apa, inclusiv cea subterană, este un solvent excelent. Grație acestui fenomen apa dizolvă diverși compuși chimici, pe care apa îi conține. Prezența acestora și concentrația lor determină calitatea apei. Așa dar, apa trebuie să corespundă utilizării sale. De exemplu: apa pentru răcirea motorului unui tractor poate fi apreciată drept calitativă dacă nu conține acizi și săruri dizolvate ce pot defecta motorul. La spălarea fructelor este important faptul ca apa să nu conțină substanțe toxice (pesticide). Apa pentru irigare este nevoie să fie curată căci plantele sunt sensibile la prezența sau absența unor sau altor compuși.

Cele mai stricte cerințe sunt înaintate față de apa potabilă. Apa potabilă sau apa bună de băut, trebuie să corespundă, de rând cu cerințele normative ale caracteristicilor organoleptice (culoarea, gustul, mirosul) și normelor fizico-chimice și biologice care nu vor dăuna sănătății după consum.

Normele menționate au fost stabilite în baza multiplelor probe de laborator completate cu datele observării îndelungate privind acțiunea calității apei asupra sănătății omului.

Acest complex de date a servit la stabilirea standardului de Stat pentru apă potabilă, care reflectă setul de cerințe față de mirosul, culoarea și gustul apei, concentrația substanțelor dizolvate în apă și prezența microorganismelor în ea.

Pentru apa potabilă de la punctele de recepționare se înaintează așa cerințe:

conținutul substanțelor suspendate în apa bazinelor reziduale nu trebuie să depășească 0,25 – 0,75 mg/dm3;

mineralizarea totală a apei potabile se află la limitele dintre 600-1000 mg/dm3;

apa nu trebuie să conțină miros și gust specific cu intensitatea mai mare de două puncte;

culoarea apei nu trebuie să se schimbe în coloana de apă cu înălțimea de 10-;

după deversarea apelor reziduale în bazinul respectiv temperatura apei nu trebuie să depășească 3˚C față de temperatura celei mai călduroase luni de vară;

după deversarea apelor reziduale, cantitatea oxigenului dizolvat în bazin pentru orice perioadă a anului nu trebuie să fie mai joasă de 4 mg/dm3 în proba limită până la orele 12 de zi;

necesitatea biochimică a oxigenului (NBO) la 20˚C pentru cea cu menire gospodărească de aprovizionare cu apă potabilă, nu trebuie să depășească 3 mg/dm3;

apa nu trebuie să conțină agenți patogeni mai mult decât limita admisibilă a substanțelor radioactive și nocive.

Standardul da [NUME_REDACTAT] potabilă este folosit pentru controlul calității apei în sistemele centralizate de aprovizionare. Calitatea apei în sursele decentralizate (fântâni, izvoare, râuri) este controlată în corespundere cu [NUME_REDACTAT] elaborat de [NUME_REDACTAT] și trebuie să corespundă următoarelor norme (mg/dm3).

Tabelul 5. Concentrația maximă admisibilă a unor substanțe

Pentru estimarea calității și gradului de poluare a apei apare necesitatea cercetărilor în stabilirea compoziției chimice a apelor naturale. Probele de apă au fost colectate din diferite surse naturale în diferite perioade. Prelucrarea probelor colectate s-a efectuat folosind diverse metode fizico-chimice de analiză. Criteriile principale de apreciere a calității apei sunt indicii organoleptici și chimici [9].

2.3.1. Determinarea indicilor organoleptici

Calitatea apei se apreciază prin indici organoleptici:

Mirosul la temperatura de 20˚C și prin încălzirea până la 60˚C;

Gustul la temperatura de 20˚C;

Culoarea după scara dicromat-cobaltată;

Transparența dup scara Snellen;

Substanțe de suspensie;

Temperatura.

Determinarea mirosului – mirosul la apă e cauzat de prezența substanțelor aromatice ce pătrund pe cale naturală prin apele de scurgere în apele naturale ce conțin substanțe anorganice, mirosul poate fi cauzat de sulfura de hidrogen. Pentru determinarea mirosului, mai întâi se stabilește caracterul mirosului (de putregai, castraveți, de mâl) și apoi intensitatea lui.

Pentru a determina mirosul apei într-un balon (volum de 300 ml) se iau 200 ml probă analizată. Balonul se acoperă cu un dop și se agită, apoi dopul se ridică și se determină mirosul. Mirosul poate fi și de proveniență artificială. Cele de proveniență artificială se clasifică după substanțele cu miros asemănător; de fenol, cloroform, petrol, clor.

Intensitatea mirosului se apreciază după sistemul de 5 grade. Rezultatele analizei sunt prezentate în tabel. Intensitatea mirosului la probele cercetate din diferite surse naturale uneori întrece limita de 2 grade. Aceasta poate să dăuneze consumatorului, din unele surse apa nu poate fi folosită în alimentare.

Tabelul 6. Intensitatea mirosului apei

Determinarea gustului – gustul la ape este provocat de prezența substanțelor de proveniență naturală. Apele subterane au un gust specific cauzat de existența substanțelor anorganice (săruri de fier, mangan, magneziu, sodiu precum și de prezența clorurilor, carbonaților).

Gustul se determină în momentul luării probei în felul următor: apa se ia în gură în porții mici și se aruncă. Se remarcă (notează) prezența gustului sărat, dulciu, amar, acru sau gust specific de leșie (bazic), fieric, metalic etc. Apa fără careva gust specific se notează mai puțin de 2 baluri.

Determinarea colorației – apele naturale pure sunt incolore. Colorația e provocată de prezența substanțelor chimice și a combinațiilor fierului (III). Astfel de ape au colorație galbenă sau cafenie. Substanțele ce cauzează colorația apelor subterane pătrund în apele curgătoare de pe terenuri. Apele folosite ca potabile – colorația lor nu întrece 20. importanța igienică a colorației exprimă următorul:

la colorația mai mare de 35˚, apa este limitată în alimentație;

Tabelul 7. Substanțele și concentrațiile lor ce atribuie apei gust specific

mărirea colorației în apele naturale semnează poluarea lor;

colorația reprezintă ingredientul ce determină decolorarea efectivă la conductele de apă.

Colorația se determină prin metoda fotocolorimetrică prin compararea probei cu soluția standard a scării dicromat-cobaltate. Intensitatea culorii ei se exprimă în grade. Curba de calibrare se construiește după colorația scării dicromat-cobaltate. Măsurile se efectuează în cuve de la lungimea de .

Determinarea transparenței – există câteva metode de determinare a transparenței:

„după cruce” – determinarea transparenței prin această metodă constă în măsurarea înălțimii (în cm) a coloanei de apă într-un tub cu diametrul de și lungimea de . La fundul tubului, pe dop se află un disc de porțelan cu o cruce din 2 linii negre cu grosimea și câte un punct negru () în fiecare pătrime de disc. Fundalul discului se luminează cu o lampă puternică (30 W). Proba de apă se toarnă în tub până la nivelul când crucea nu se vede, apoi se varsă până când punctele de pe disc încep să se vadă. Ochiul observatorului se află cu mai sus decât capătul de sus al tubului.

„după litere” – proba se toarnă într-un cilindru gradat (intervalul de ) cu înălțimea de și diametrul de 2,5-, se agață și se stabilește la o depărtare de deasupra unor litere cu înălțimea de . Se adaogă sau se ia apă din cilindru până apar literele. Determinarea se efectuează într-o încăpere bine luminată dar nu la soare. Transparența apei corespunde înălțimii coloanei de apă din cilindru (în cm).

Substanțe în suspensie – apele naturale conțin unele substanțe anorganice și organice sub formă de particule suspendate, din care cauză ele devin tulburi. Aceste particule sunt de nămol, acid silicic, hidroxizi de fier și aluminiu, coloizi organici, microorganisme. Substanțele din suspensii se determină după cantitatea depunerilor timp de o zi într-un cilindru a unei coloane de apă de .

Depunerile se apreciază cantitativ(lipsește, neînsemnat, vădit, remarcabil, numeros) și calitativ (nisipos, argilos, nămolos, cristalin, sub formă de fulgi).

Substanțele în suspensie pot fi determinate gravimetric cu filtrul de hârtie „linia albastră” cântărind preventiv într-o fiolă. Fiola cu filtru și sedimentul se usucă până la masa constantă la 150˚C. Cantitatea substanțelor în suspensie se calculează după formula:

unde: X – cantitatea substanțelor suspendate în suspensie, mg/dm3;

m1 – masa fiolei cu filtru uscat până la filtrare, mg;

m2 – masa fiolei cu filtru uscat după filtrare, mg;

V – volumul probei, ml.

Determinarea temperaturii – apelor naturale se efectuează nemijlocit la luarea probei. Înainte de a lua proba, balonul se ține în apa din sursa naturală în timp de un min. pentru a egala temperatura lui cu cea a apei. Măsurile se efectuează cu ajutorul termometrului lui Celsius, introdus în apă timp de 5 min., apa la temperatura 8-15˚C posedă proprietăți răcoritoare și de a potoli setea. Cu ridicarea temperaturii (mai înaltă de 25˚C) aceste proprietăți se agravează, iar t=35˚C apa devine neplăcută și provoacă reflex de vomitare.

Tabelul 8. Indicii organoleptici pentru sursele cercetate (grade)

2.3.2. Determinarea indicilor chimici

Rezultatele obținute în baza analizelor efectuate în laborator din sursele respective, pe parcursul anilor 2014-2015 sunt prezentate în tabelele 9 și 10.

Tabelul 9. Valorile medii anuale a unor indici chimici ale apelor testate pe parcursul anului 2014

Tabelul 10. Valorile medii anuale a unor indici chimici ale apelor testate pe parcursul anului 2015

2.3.2.1. Determinarea mineralizării, (mg/dm3)

Mineralizarea reprezintă masa sărurilor ce se conțin într-un dm3 de apă (mg/dm3).

Efectuarea analizei: 250-500 ml apă-probă se toarnă într-o capsulă de porțelan uscată bine și se evaporă la baia de apă până la sec. Apoi capsula cu reziduu uscat se răcește și se cântărește. Masa reziduului (x) se determină după formula:

unde: a – masa capsulei cu rezidiul uscat, mg;

b – masa capsulei goale, mg;

V – volumul probei, luat pentru analiză, dm3.

după masa reziduului se face concluzia despre gradul de mineralizare a apei. Apa ce conține mai puțin de 100 mg/dm3 săruri face parte din categoria de apă potabilă.

Figura 1. Variația mineralizării în diferite surse de apă naturală, pe parcursul anilor 2012-2013 (toamnă-primăvară)

Analizând rezultatele investigațiilor incluse în tabelele 9, 10 și figura 1 în ce privește mineralizarea apelor testate constatăm:

mineralizare apelor analizate se află în intervalul 550-2020 mg/dm3;

o mineralizare majoră a fost depistată în apele fântânei amplasată pe teritoriul primăriei, care constituie 2020 mg/dm3 și întrece de câteva ori concentrația maximă admisibilă pentru apa potabilă;

cea mai mică mineralizare au apele din fântâna amplasată pe teritoriul școlii, care constituie 550 mg/dm3.

2.3.2.2. Determinarea durității totale a apei potabile

Duritatea este cauzată de prezența sărurilor de calciu și magneziu în apă. Așa ape se numesc dure. Duritatea totală se compune din duritatea carbonică temporară sau permanentă.

Duritatea carbonică este cauzata de cantitatea ionilor de , echivalentă conținutului ionilor de hidrogenocarbonat () în apă. Duritatea totală se determină prin metoda complexometrică. Metoda se bazează pe folosirea complexonului Trilon B, ce formează compuși stabili cu ioni de și în apă. Determinarea se efectuează prin titrarea în mediul soluției bazice (pH=10) în prezența indicatorului negru de ereocrom.

Trilon B reprezintă sarea de sodiu a acidului etilendiamintetraacetat și formează complecși stabili cu ionii metalelor bi- și trivalente.

Soluția de Trilon B – 0,005 N (sarea de sodiu a acidului etilendiamin-tetraacetat) de Trilon B se dizolvă într-un litru de apă.

Soluția tampon clorură de amoniu se dizolvă într-un volum oarecare de apă distilată. La soluția obținută se adaugă 50 ml soluție de amoniac de 25 %, ce s-a obținut se adaugă în apa distilată până la 500 ml.

Soluția de indicator. cromogen albastru se dizolvă în 20 ml de soluție tampon și volumul se aduce cu apă distilată până la 100 ml sau alcool etilic.

Sulfură de sodiu. de se dizolvă în 100 ml apă distilată.

Efectuarea analizei: Într-un balon se introduc 100 ml apă-probă, la care se adaugă 5 ml soluție tampon și 7-8 picături de indicatori ereocrom negru. Se agită bine soluția și atent se titrează cu soluție de trilon B de 0,05 N până la trecerea culorii violete în culoarea albastră. Duritatea totală se determină după formula

;

Unde V – volumul soluției de trilon B cheltuit la titrare, ml;

N – normalitatea soluției de trilon B, molechiv/dm3;

V1 – volumul probei de apă, ml.

Figura 2. Schimbarea durității totale în diferite surse pe parcursul

anilor 2012-2013

Rezultatele denotă că în unele fântâni apele posedă o duritate mare. Cea mai înaltă duritate o au apele din fântâna amplasată pe teritoriu primăriei, care constituie 22 mmolech/dm3, ce întrece aproape de trei ori concentrația maximă admisibilă.

2.3.2.3. Determinarea ionilor de amoniu

Determinarea ionilor de amoniu în apele naturale se determină cu ajutorul reactivului lui Nessler în mediu bazic, conform ecuației:

În formă ionică:

În rezultatul reacției se formează compusul iodură de mercuramoniu colorat în galben-brun.

Modul de lucru:

Într-un balonaș se introduc 10 ml de apă pentru analiză, se adaogă 0,2 ml soluție sarea Segnette cu partea de masă de 50 % și 0,2 ml reactiv Nessler. Se agită și peste 10 min. se măsoară densitatea optică la fotocolorimetru, la lungimea de undă . În cuva de , față de proba zero.

Conținutul ionului de amoniu se determină după curba de calibrare care se construiește astfel:

Prepararea soluției de lucru – 5 ml din soluția obținută standard, se diluează cu apă distilată până la 500 ml. Soluția conține 5 mg H de azot. La soluție se adaugă 1 ml cloroform. Apa distilată folosită la prepararea soluțiilor și în lucru trebuie fiartă timp de 30 min. și răcită.

Pregătirea soluției standard – de clorură de amoniu uscată se dizolvă în apă distilată și se aduce volumul până la 500 ml.

Pregătirea curbei de calibrare în 7 balonașe cotate de 100 ml se i-au 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 ml soluție de lucru ce conține următoarele concentrații de azot: 0,05; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 mg/dm3, apoi se adaugă reagenți și cu apă distilată se aduce până la 100 ml. La fotocolorimetru se determină densitatea optică și se construiește curba de calibrare ce reprezintă corelația dintre densitatea optică și concentrația ionilor de amoniu reprezintă o linie dreaptă.

Figura 3. Variația conținutului ionului de amoniu în apele testate pe parcursul anilor 2012-2013 (valori medii anuale) în funcție de amplasarea sursei acvatice

Rezultatele obținute ne arată că conținutul ionului de amoniu în apele testate pe parcursul anilor 2012-2013 variază de la 0,5-2,5 mg/dm3. O cantitate mare de ioni de amoniu, care depășește valoarea maximă admisibilă a fost depistată în apele fântânei amplasate pe teritoriul primăriei, care constituie 2,5 mg/dm3.

2.3.2.4. Determinarea ionilor de nitrați

Metoda se bazează pe reacția de reducere a ionilor până la și proprietatea nitriților de a forma cu reactivul Griess un compus diazonic de culoare roză. Intensitatea culorii este proporțională cu concentrația nitraților din probă.

Prepararea soluțiilor

Soluția reactivului Griess de 3%;

Soluția standard de – recristalizat se dizolvă în apă distilată la 1 dm3 soluție, 1 ml soluție conține 0,1 mg azot-nitrat;

Soluția de lucru – 10 ml soluție standard se trece într-un balonaș de 100 ml și se adaogă apă distilată până la cotă, 1ml soluție conține 0,01 mg azot-nitrat;

Soluția de acid acetic de 10 – se prepară din acid acetic glacial prin diluarea lui cu apă distilată în raport 1:10;

Amestecul reducător – se amestecă și se mărunțește praf de zinc și sulfat de mangan (II) în raport de 1:100 și se cântărește porțiuni a câte 100 mg;

Pregătirea curbei de calibrare – în șapte balonașe cotate de 100 ml se introduce: 0,1; 5; 10; 15; 20; 25 ml soluție de lucru ce conține următoarele concentrații de azot-nitrat: 0; 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 mg/dm3. apoi se adaogă câte 100 mg amestec reducător și 2 ml soluție de acid acetic. Cu apă distilată se umplu balonașele pe jumătate, se adaogă până se dizolvă. Apoi se adaogă 2 ml reactivul Griess și apă distilată până la cotă. Peste 10-15 min. se înregistrează densitatea optică la fotocolorimetru în cuvă de la lungimea de undă și se construiește curba de calibrare a corelației dintre densitatea optică și concentrația ionilor de .

În intervalul concentrației de azot-nitrat cercetate, corelația dintre densitatea optică și concentrația ionilor de reprezintă o linie dreaptă.

Modul de lucru:

Într-un balonaș cotat de 100 ml se introduc 10 ml apă naturală și pe jumătate apă distilată, se adaogă amestec reducător, se agită și peste 10 min. se adaogă 2 ml reactivul Griess și apă distilată până la cotă. După 10-15 min. se măsoară densitatea optică și după curba de calibrare se determină conținutul ionilor în apă naturală.

Figura 4. Variația cantitativă a ionilor de nitrați în funcție de amplasarea sursei acvatice pe parcursul anilor 2012-2013

Analizând rezultatele investigațiilor incluse în tabelele 9, 10 și figura 4 în ce privește cantitatea ionilor de nitrați a apelor testate concluzionăm:

ionii de nitrați în apele analizate se află în intervalul 35-55 mg/dm3;

o concentrație mare de ioni de nitrați a fost depistată în apele fântânei amplasată pe teritoriul grădiniței, care constituie 55 mg/dm3 și întrece puțin concentrația maximă admisibilă pentru apa potabilă;

2.3.2.5. Determinarea ionilor de sulfat

Sulfații se conțin în toate apele naturale și pot fi determinați după reacția:

Proba trebuie să fie transparentă. Apele tulburi se filtrează.

Pregătirea soluției de – gelatină se dizolvă în 200 ml apă distilată prin încălzire fără a o fierbe până la dizolvarea completă a gelatinei. În soluția de gelatină obținută se dizolvă . peste 2 ore soluția poate fi folosită;

Pregătirea soluției de – se dizolvă în apă distilată și se aduce volumul până la un litru;

pregătirea soluțiilor scară-standard – în 9 balonașe se iau 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, ml de soluție de . Se aduce volumul lor cu apă distilată până la 20 ml și se adaogă 2 ml în gelatină și 1 ml 0,5 N. Soluțiile obținute corespund concentrațiilor: 0; 2,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5; 20 mg/dm3.

Modul de lucru:

În 20 ml de apă-probă se toarnă 2 ml soluție și 1 ml de 0,5 N. După 30 min. se măsoară extincția la lungimea de undă .

Figura 5. Variația cantitativă a ionilor de sulfați pe parcursul anilor 2012-2013 (toamnă-primăvară)

Din tabelele 9, 10 și fig. 5 în ce privește cantitatea ionilor de sulfați în apele testate concluzionăm:

cantitatea de sulfați a apelor analizate se află în intervalul 305-390 mg/dm3;

o cantitate majoră a fost depistată în apele fântânelor amplasate pe teritoriul primăriei, care este de 380 mg/dm3, ce nu întrece cantitatea maximă admisibilă pentru apa potabilă.

2.3.2.6. Determinarea ionilor de clor

Ionii de clor sunt prezenți în toate apele naturale. Pentru determinarea ionilor de clor se folosește reacția cu ionii de argint. Clorura de argint se sedimentează sub formă de precipitat alb conform ecuației.

În calitate de indicator se folosește soluția de cromat de potasiu de 10 % care după sedimentarea totală a ionilor de clor formează cu azotatul de argint un sediment de culoare roșie-brun:

Modul de lucru:

Într-un balonaș se introduc 100 ml apă-probă și adăugăm 10 picături soluție și se titrează cu soluție de azotat de argint de 0,01 N până la apariția culorii brune. Conținutul ionilor de clor (mg/dm3) se determină după formula:

unde: V – volumul soluției de folosit la titrare, ml;

N – normalitatea soluției de , molechiv/dm3;

35,5 – masa molară a echivalentului la ionii de , g/molechiv;

1000 – calculat la .

Figura 6. Variația cantitativă a clorurilor (mg/dm3) în funcție de amplasarea sursei acvatice (toamnă-primăvară)

Dacă facem analiza datelor obținute (tab. 9 și 10) referitor la concentrația ionilor de clor în sursele analizate putem concluziona:

cantitatea de cloruri în apele analizate se află în intervalul 42-175 mg/dm3;

o cantitate majoră a fost depistată în apele fântânelor amplasate pe teritoriul primăriei, care este de 175 mg/dm3, ce nu întrece cantitatea maximă admisibilă pentru apa potabilă.

CONCLUZII

1. Am realizat documentarea despre etapele potabilizării apei brute.

2. Am identificat materialele, ustensilele necesare și am făcut un plan care a ridicat diverse probleme, dar care au fost rezolvate folosind cunoștințe de chimie, fizică, biologie, educație tehnologică și TIC.

BIBLIOGRAFIA

A. Urdă, E. Angelescu, I. Săndulescu – [NUME_REDACTAT] Generală, partea I, [NUME_REDACTAT] din București, 2002 (reeditată 2005).