Związki chemiczne używane do oczyszczania wody

W chemicznym oczyszczaniu wody może być używanych wiele substancji chemicznych. Poniżej podsumowane są rożne typy substancji stosowanych w chemicznym oczyszczaniu wody.

Algacydy

Algacydy to związki chemiczne, które po dodaniu do wody zabijają algi oraz algi niebieskie i zielone. Przykłady takich związków to: siarczan miedzi, sole żelaza, sole aminowe oraz chlorek "benzoalkonium". Algacydy są bardzo efektywne w zwalczaniu alg, lecz nie są bardzo użyteczne przeciwko "zakiwtom" alg w problemach środowiskowych.

Problem algacydów z większoscią alg polega na tym, że zabijają one wszystkie obecne algi, lecz nie usuwają one toksyn uwalnianych przez algi przed ich śmiercią.

Środki przeciw pienieniu się

Piana to masa bąbelków powstających kiedy pewne typy gazów są rozproszone w cieczy. Silny "film" cieczy otacza wówczas bąbelki tworząc duże pojemności nie-produktywnej piany. Tworzenie się piany to skomplikowany temat badań w chemii fizycznej, ale jest wiadome, że jej obecność powoduje poważne problemy w zachodzeniu procesów przemysłowych oraz w jakości produktów końcowych. Kiedy tworzenie się piany nie jest pod kontrolą, piana może zmniejszać zdolność pracy/pojemność sprzętu oraz zwiększać czas zachodzenia i koszty procesów.

Mieszanka środków przeciw tworzeniu się piany zawiera oleje połączone z niewielką ilością krzemionki. Związki te rozbijają pianę dzięki dwóm właściwościom krzemionki: niezgodność z systemem wodnym oraz łatwość rozprzestrzeniania się. Środki przeciw pienieniu się są dostępne albo w formie sproszkowanej lub jako emulsja czystego produktu.

Proszek
Środki przeciw pienieniu się w proszku jest to grupa produktów opartych na zmodyfikowanym polidimetylsiloksanie. Produkty te różnią się miedzy sobą podstawowymi właściwościami, lecz jako grupa bardzo dobrze zapobiegają powstawaniu piany w szerokim zakresie zastosowań i warunków.
Środki przeciw pienieniu się są chemicznie obojętne i nie reagują one z medium, w którym maja zapobiegać pianie. Nie mają zapachu, smaku; nie są lotne ani toksyczne oraz nie powodują korozji materiałów. Jedyna wada produktu sproszkowanego jest to, że nie może być on użyty w roztworze wodnym.

Emulsje
Emulsje środków przeciw pienieniu się są to emulsje wodne cieczy polidimetylsiloksanu. Mają one te same właściwości co forma sproszkowana. Jedyna różnica polega na tym że mogą być zastosowane w roztworach wodnych.

Biocydy

Patrz środki dezynfekujące

Szczegółowe informacje na temat biocydow są również tutaj dostępne

Związki do wody w bojlerach

Dotyczą on wszystkich związków używanych do następujących zastosowań:
· "Oxygen scavenging" (patrz niżej);
· Inhibicja tworzenia się kamienia;
· Zapobieganie korozji;
· Środki przeciw pienieniu się;
· Kontrola zasadowości.

Koagulanty

W odniesieniu do koagulantów, jony naładowane dodatnio z wysokimi wartościowościami są preferowane. Zwykle jony glinu i żelaza są stosowane, glinu jako Al₂(SO₄)^3- ("aluin") a żelaza jako FeCl₃ lub Fe₂(SO₄)^3-. Można zastosować także relatywnie tanią formę FeSO⁴, pod warunkiem że będzie ona utleniona do Fe³⁺ podczas napowietrzania.
Koagulacja w dużym stopniu zależy od dawki koagulantów, pH oraz stężenia koloidów. Aby dostosować pH Ca(OH)₂ jest dodatkowo stosowany jako flokulent. Dawki zwykle są w zakresie pomiędzy 10 a 90 mg Fe³⁺/ L, ale kiedy są obecne sole większa dawka musi być zaaplikowana.

Inhibitory korozji

Korozja to termin ogólny określający przechodzenie metalu w formę rozpuszczalną.
Korozja może prowadzić do zniszczenia ważnych elementów systemu bojlera, osiadania produktów korozji w istotnych powierzchniach wymiany ciepła, i ogólnego spadku wydajności.
Dlatego inhibitory korozji są często stosowane. Są to związki chemiczne, które reagują z powierzchnią metaliczną dając jej pewien poziom ochrony. Inhibitory często działają poprzez adsorbowanie się na powierzchni metalicznej, ochraniając ją za pomocą wytworzonego filmu.

Istnieje pięć rożnych rodzajów inhibitorów korozji. Są to:
1) Inhibitory pasywne ("passivators"). Powodują one przesunięcie potencjału korozji, zmuszając powierzchnie metaliczną do osiągnięcia zakresu pasywnego/biernego. Przykładami tych inhibitorów są aniony utleniające, takie jak chromian, azotyn i azotan oraz jony nie utleniające, takie jak fosforan i molibdenian. Inhibitory te są najbardziej efektywne i w związku z tym najbardziej rozpowszechnione w użyciu.
2) "Cathodic inhibitor". Niektóre z nich, takie jak związki arsenu i antymonu, działają poprzez utrudnianie rekombinacji i uwalniania wodoru. Inne, jony takie jak wapń, cynk lub magnez, mogą być strącane jako tlenki tworząc warstwę ochronną na powierzchni metalicznej.
3) Inhibitory organiczne. Wpływają one na całą powierzchnię korodujących metali kiedy są obecne w odpowiednim stężeniu. Inhibitory organiczne chronią metale poprzez tworzenie filmu (warstwy) hydrofobowej na powierzchni metalicznej. Inhibitory organiczne będę adsorbowane zgodnie z ładunkiem jonowym inhibitora oraz ładunkiem na powierzchni.
4) Inhibitory indukujące precypitację. Są to związki powodujące tworzenie się produktu strącania na powierzchni metalicznej, w ten sposób tworząc film ochronny. Najpopularniejsze inhibitory z tej kategorii to krzemiany i fosforany.
5) Lotne inhibitory korozji (VCI). Związki te przewodzone są w zamkniętym środowisku z powierzchnią korodującą dzięki ulatnianiu się ze źródła. Przykłady tych inhibitorów to morfolina, hydrazyna oraz lotne substancje stałe takie jak sole dicykloheksalaminy, cykloheksylaminy i heksametyloaminy. W kontakcie z powierzchnią metaliczną, postać gazowa tych soli ulega kondensacji i i hydrolizuje pod wpływem wilgoci uwalniając jony dające ochronę.

Środki dezynfekujące

Środki do dezynfekcji zabijają obecne nieporządane mikroorganizmy w wodzie. Istnieje wiele rożnych typów środków do dezynfekcji:
· Chlor (dawka 2-10 mg/L)
· Dwutlenek chloru
· Ozon
· Podchloryn

Dezynfekcja dwutlenkiem chloru
ClO₂ jest używany jako środek dezynfekujący pierwszego stopnia dla wód powierzchniowych z problemami nieprzyjemnego smaku i zapachu. Jest to skuteczny biocyd działający w stężeniach tak niskich jak 0.1 ppm i w szerokim zakresie pH. ClO₂ penetruje ścianę komórkową i reaguje z aminokwasami w cytoplazmie komórkowej zbijając mikroorganizm. Produktem ubocznym tej reakcji jest chloryn.
Dwutlenek chloru dezynfekuje wg tej samej zasady jak chlor. Jednak, w przeciwieństwie do chloru, dwutlenek chloru nie ma szkodliwego oddziaływania na ludzkie zdrowie.

Dezynfekcja podchlorynem
Podchloryn jest aplikowany w ten sam sposób co dwutlenek chloru i chlor. "Hypo" chlorowanie jest metoda dezynfekcji, która nie jest już powszechnie stosowana odkąd dowiedziono ze podchloryn użyty do dezynfekcji wody był powodem zwartości bromianów w wodzie.

Dezynfekcja ozonem
Ozon jest bardzo silnym medium utleniającym, z niezwykle krótka długością "życia". Składa się on z cząsteczek tlenu z dodatkowym atomem tlenu, towrząc O₃. Kiedy ozon wchodzi w kontakt ze składnikami odoru, bakterią lub wirusem, dodatkowy atom tlenu rozbija je natychmiastowo w procesie utleniania. Dodatkowa cząsteczka tlenu jest więc "zużyta" i pozostaje tylko cząsteczka tlenu.

Środki dezynfekujące mogą być użyte w wielu gałęziach przemysłu. Ozon jest używany przemyśle farmaceutycznym, w przygotowywaniu wody pitnej, w oczyszczaniu wody do rożnych procesów , w produkcji wody ultra-czystej i w dezynfekcji powierzchni.
Dwutlenek chloru jest głównie używany w procesie przygotowywania wody pitnej oraz w dezynfekcji rurociągów.

Każda technika dezynfekcji ma swoje specyficzne zalety i zakresy zastosowań. W poniższej tabeli niektóre zalety i wady są przedstawione:

Flokulanty

Aby wywołać tworzenie się produktów flokulacji w wodzie, która zawiera substancję zawieszoną, flokulanty polimerowe (polielektrolity) są dodawane. Promują one powstawanie wiązań pomiędzy cząsteczkami. Polimery te mają bardzo specyficzny efekt, zależny od ich ładunku, wagi molowej i stopnia cząsteczkowego rozgałęzienia. Polimery te są rozpuszczalne w wodzie a ich waga molowa waha się miedzy 10⁵ a 10⁶ g/ mol. Może być kilka ładunków elektrycznych na jednym flokulancie. Są polimery kationowe oparte na azocie, anionowe polimery oparte na jonach karboksylowych i jony obojnacze niosące zarówno ładunki dodatnie jak i ujemne.

Odczynniki neutralizujące (kontrola zasadowości)

W celu neutralizacji kwasów i zasad używany jest roztwór wodorotlenku sodu (NaOH), węglan wapnia lub zawiesina wapna (Ca(OH)₂) do podniesienia odczynu pH. Aby obniżyć pH używany jest rozcieniczony kwas siarkowy (H₂SO₄) lub rozcieńczony kwas chlorowodorowy (HCl). Dawka odczynników neutralizujących zależy od pH wody w zbiorniku reakcji. Reakcja neutralizacji powoduje wzrost temperatury.

Utleniacze

Procesy utleniania chemicznego używają (chemicznych) utleniaczy aby zredukować poziomy ChZT/BZT i aby usunąć organiczne i utleniające się nieorganiczne komponenty. W wyniku procesu materiały organiczne mogą zostać całkowicie utlenione do dwutlenku węgla i wody, chociaż często nie jest to konieczne.
Istnieje wiele związków utleniających. Przykłady to:
· Nadtlenek wodoru;
· Ozon;
· Połączenie ozonu & nadtlenku;
· Tlen.

Nadtlenek wodoru
Jest szeroko stosowany dzięki swoim właściwościom; jest bezpiecznym, skutecznym, silnym i wszechstronnym utleniaczem. Główne zastosowanie H₂O₂ to utlenianie w celu kontroli nieprzyjemnych zapachów oraz korozji, organiczne utlenianie, utlenianie metali i utlenianie związków toksycznych. Najtrudniejsze do utleniania związki mogą wymagać aktywacji H₂O₂ przy użyciu katalizatora, takiego jak żelazo, miedz, mangan lub inne związki metali.

Ozon
Ozonu nie stosuje się tylko jako środka do dezynfekcji; może on również ułatwiać usuwanie zanieczyszczeń z wody poprzez reakcje utleniania. Ozon oczyszcza wodę rozbijając zanieczyszczenia organiczne oraz przekształcając nieorganiczne zanieczyszczenia w formy nierozpuszczalne, które mogą potem być oddzielone na filtrze. System ozonowy może usunąć do około 25 rodzajów zanieczyszczeń.
Związki, które mogą być utlenione przez ozon to:
· Absorbowane organiczne halogenowe;
· Azotyn;
· Żelazo;
· Mangan;
· Cyjanki;
· Pestycydy;
· Tlenki azotu;
· Substancje powodujące nieprzyjemny zapach;
· Chlorowane węglowodory;
· PCB's (polichlorowane bifenyle).

Tlen
Tlen także może być stosowany jak utleniacz, np. do utleniania żelaza i manganu. Reakcje zachodząca podczas utleniania przez tlen są zwykle podobne.
Poniżej przedstawiono reakcje utleniania żelaza i manganu za pomocą tlenu :
2 Fe²⁺ + O₂ + 2 OH^- -> Fe₂O₃ + H₂O
2 Mn²⁺ + O₂ + 4 OH^- -> 2 MnO₂ + 2 H₂O

"Oxygen scavengers" (zapobieganie reagowaniu tlenu)

"Oxygen scavenging" oznacza zapobieganie reakcjom utleniania z udziałem tlenu. Większość naturalnie występujących związków organicznych ma lekko ujemny ładunek. Powoduje to że mogą one absorbować cząsteczki tlenu, ponieważ niosą one lekko dodatni ładunek. W ten sposób zapobiegają on zachodzeniu reakcji utleniania w wodzie lub innych cieczach.

Związki do tego celu są to zarówno produkty lotne, takie jak hydrazyna (N₂H₄) lub inne związki organiczne np. karbohydrazyna, hydrochinon, dietylohydroksyetanol, "methylethylketoxime", ale również sole nielotne takie jak siarczan sodu (Na₂SO₃) i inne związki nieorganiczne lub ich pochodne. Sole zawierają często związki katalizujące aby zwiększyć poziom reakcji z tlenem rozpuszczonym, takie ja np. chlorek kobaltu.

Związki do dostosowania pH

Woda miejska ma często dostosowane pH, aby zapobiegać korozji rurociągów oraz rozpuszczaniu się ołowiu w dostarczanej wodzie. Podczas oczyszczania wody dostosowanie pH może być również potrzebne. Wartość pH jest zwiększana lub zmniejszana poprzez dodatki zasad lub kwasów. Przykładem obniżenia pH jest dodatek kwasu chlorowodorowego w przypadku cieczy o odczynie zasadowym. Przykładem podnoszenia pH jest dodatek wodorotlenku sodu w przypadku kwaśnych cieczy.
pH będzie miało około 7 do 7.5 po dodaniu odpowiednich stężeń kwasów i zasad. Stężenie oraz rodzaj dodawanej substancji zależy do potrzebnego wzrostu lub spadku pH.

Związki do czyszczenia żywic

Żywice jonowymienne muszą być poddawane regeneracji po ich użyciu aby mogły być ponownie zastosowane. Za każdym razem jednak kiedy żywca jest użyta, pojawia się poważne osadzanie zanieczyszczeń. Zanieczyszczenie, które weszły do żywicy nie zostaną usunięte w procesie jej regeneracji. Dlatego właśnie żywice wymagają czyszczenia odpowiednimi związkami chemicznymi.
Związki chemiczne używane to np. chlorek sodu, chlorek potasu, kwas cytrynowy i dwutlenek chloru.
Dwutlenek chloru usuwa zanieczyszczenia organiczne z żywic jonowymiennych. Przed każdym czyszczeniem żywica powinna być zregenerowana. Po tym, roztwór o stężeniu dwutlenku chloru 500 ppm jest przepuszczany przez złoże żywicy i utlenia on zanieczyszczenia.

Środki przeciw kamieniowi (Antyskalanty)

Kamień to produkt strącania tworzący się na powierzchni w kontakcie z wodą. Strącanie dotyczy normalnie rozpuszczalnych związków, które w wyniku wzrostu temperatury przekształcają się w nierozpuszczalne. Niektóre przykłady kamienia to węglan wapnia, siarczan wapnia oraz krzemian wapnia.
Inhibitory kamienia to czynne powierzchniowo ujemnie naładowane polimery. Kiedy minerały przekraczają swoją wartość rozpuszczalności i zaczynają się łączyć, polimery są przyłączane. Struktura mineralna jest zakłócona i tworzenie się kamienia jest zatrzymane. Cząsteczki kamienia wraz z inhibitorami będą następnie rozproszone i pozostaną w zawiesinie.
Przykładami związków przeciwko tworzeniu się kamienia są estry fosforanowe, kwas fosforowy i roztwory kwasu poliakrylowego o niskiej wadze cząsteczkowej.

Terminologie o wodzie sprawdź w naszym Słowniku na temat wody