Složení a vlastnosti přírodních vod

Transkript

Úprava podzemních a povrchových vod
Úprava podzemních a povrchových vod – 1. přednáška
Úprava podzemních a povrchových vod 2/0, Zk (3 kr.)
Martin Pivokonský
Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i.
Tel.: 233 109 068
e‐mail: [email protected]
Texty přednášek na:
Zkouška:
www.pivokonsky.wz.cz
1. Písemný test
2. Ústní pohovor Pivokonský, ÚŽP PřF UK
Program přednášky
1.
2. 3. 4. 5. 6.
8. 9. 10. 11.
12. 13. 14. Složení a vlastnosti přírodních vod z hlediska úpravy pitné vody, požadavky na jakost pitné vody
Disperzní soustavy a jejich stabilita, koagulace hydrofilních a hydrofobních koloidů, stanovení optimální dávky koagulantu – sklenicová zkouška
Tvorba separovatelných agregátů, vliv míchání na charakter a strukturu agregátů, vlastnosti agregátů s ohledem na jejich separaci, test agregace
Praktická ukázka sklenicové zkoušky
Jednostupňová a dvoustupňová separace agregátů, separace usazováním, čiřiče, separace agregátů pomocí FLGM a flotace Separace agregátů filtrací (teorie filtrace, filtrační materiály, druhy filtrace a typy filtrů, délka filtračního cyklu, kalová kapacita filtrů, praní filtrů)
Membránové procesy při úpravě vody
Odželezňování a odmanganování vody
Biologické metody úpravy vody, odstraňování amoniaku a dusičnanů
Oxidace organických látek přítomných ve vodě, odstraňování organických látek adsorpcí
Desinfekce vody (sloučeniny chloru, ozón, UV záření atd.), vedlejší produkty desinfekce
Dostupnost pitné vody, vývoj spotřeby vody, balené vody atd.
Exkurze
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
Doporučená literatura
Pivokonský, M., a kol.: Tvorba suspenze při úpravě vody. Teorie a praxe. Sovak, Praha, 2011.
Bache, D. H., Ross, G.: Flocs in water treatment. IWA Publishing, London, 2007.
Bratby, J.: Coagulation and flocculation in water and wastewater
treatment. IWA Publishing, London, 2008.
Tesařík, I., a kol.: Vodárenství. SNTL, Praha, 1985.
Pitter, P.: Hydrochemie. Vydavatelství VŠCHT Praha, 2009.
Stumm, W., Morgan, J. J.: Aquatic chemistry. Wiley, New York, 1996.
Úprava vody
Úprava vody
cílem úpravy vody = odstranění nežádoucích příměsí z vody a její hygienické zabezpečení
Základní schéma technologie úpravy vody
z povrchových zdrojů
adsorpce,
membránové
procesy
!!! ne všechny technologické prvky musejí být nutně zahrnuty do procesu úpravy vody, v závislosti na kvalitě surové vody mohou být některé vynechány
Složení a vlastnosti přírodních vod
1. Fyzikálně chemické vlastnosti vody
– struktura molekuly vody, vodíkové můstky, rozpouštění a hydratace, hustota, viskozita, povrchové napětí, vodivost, tepelné vlastnosti atd.
2. Chemické složení
a) minerální látky – chemismus Al, Fe, Mn, Si, N, Ca a Mg
b) NOM – huminové látky, AOM
Viz. přednáška hydrochemie, ZS 2011/12
Disperzní systémy
Analyticky disperzní (rozpuštěné látky) – Ø < 10‐8 m
mangan; nízkomolekulární organické látky (peptidy, fulvokyseliny ...);
mikropolutanty = pesticidy, polychlorované bifenyly (PCB), polyaromatické
uhlovodíky (PAU), těžké kovy, ...
huminová voda
Koloidně disperzní ‐ Ø = 10‐6 ‐ 10‐8 m hlinitokřemičitany, amorfní oxid křemičitý, huminové kyseliny, polysacharidy, proteiny, řasy, sinice, bakterie, viry
sinice Microcystis sp.
(Hracholusky, 2003)
Hrubě disperzní (nerozpuštěné látky) ‐ Ø > 10‐6 m
zrna písku a půdy, nerozložený biologický materiál, mikroorganismy
Koloidní disperze
= heterogenní systémy složené z několika fází
– jednotlivé dispergované částice nejsou volné molekuly, ale shluky mnoha molekul, kterým lze přisoudit veškeré termodynamické
vlastnosti fáze
– vznik fázového rozhraní je podmíněn nerozpustností (velmi malou rozpustností) jedné fáze ve druhé
– vlastnosti: vysoký stupeň disperzity, rozptyl světla, opalescence (Tyndallův jev), pomalá difúze, malý osmotický tlak, možná dialýza, agregátní nestálost, Brownův pohyb, obvykle elektroforetické
vlastnosti
– často mezi koloidy řadíme i pravé roztoky vysokomolekulárních látek, ALE částice v nich obsažené se neskládají z množství malých molekul jsou to jednotlivé molekuly
Koloidní disperze
1) hydrofobní koloidy
– nemají schopnost molekulárně interagovat s vodou (např. pomocí
vodíkové vazby) => mají ostře vymezené fázové rozhraní
– jsou tvořeny převážně anorganickými látkami, nevznikají samovolně a bez dodatečné stabilizace jsou termodynamicky nestálé
2) hydrofilní koloidy
– mohou molekulárně interagovat s vodou, fázové rozhraní je rozprostřeno do větších šířek
– většinou jsou tvořeny vysokomolekulárními organickými látkami, vznikají
samovolným rozpouštěním a jsou termodynamicky stabilní – často se označují jako „koloidní roztoky“
Koloidní disperze
3) asociativní (micelární) koloidy
– vznikají spojováním molekul povrchově aktivních látek – jsou tvořeny jak lyofilní tak lyofobní částí
– v povrchových vodách např. soli mastných kyselin nebo saponáty
(alkylsulfáty, alkylbenzensulfonany)
4) gely
– mají schopnost přecházet z kapalné formy do pevného stavu – tvorba
pevných trojrozměrných síťových struktur
– tvořit gely mohou některé lyofobní a řada lyofilních koloidů, např. intracelulární polysacharidy
o jílové minerály (hlinitokřemičitany), amorfní oxid křemičitý, hydratované oxidy kovů (hydrolyzovaná destabilizační činidla)
o mikroorganismy (řasy, sinice)
o huminové látky, polysacharidy, proteiny
AFM snímek huminových kyselin nanesených na povrch slídy pomocí „spin‐coating“
SEM snímek huminových částic na 100‐nm Nuclepore filtru
Copyright Forschungszentrum Dresden
Copyright Forschungszentrum Dresden
Koloidní látky ve vodách
proteiny a koloidní částice
Richardson, W. D., Mills, A. D., Dilworth, S. M., Laskey, R. A. and Dingwall, C. (1988): Cell 52, 655–664. Copyright Cell Press
částice kaolínu
Copyright http://toxics.usgs.gov/
Copyright Dentisse, Inc., Indiana
Koloidní látky ve vodách
hydratovaný oxid železitý
kaučukové částice
Copyright Max‐Planck‐Institut für Polymerforschung, Mainz
Původ povrchového náboje koloidních částic
většina částic obsažených ve vodě nese povrchový náboj
– charakter a velikost náboje určuje povahu a míru interakcí mezi částicemi = ovlivňuje jejich agregátní stabilitu
– původ náboje je dán:
a) rozpouštěním iontů
b) povrchovou ionizací
c) izomorfní substitucí
d) specifickou adsorpcí iontů
Rozpouštění iontů
málo rozpustné sloučeniny (uhličitan vápenatý, jodid stříbrný atd.)
– rozdílná rozpustnost iontů
Ag+ větší tendence vstupovat do vodné fáze než I‐ , částice AgI
pozvolna získávají záporný náboj
– změnou koncentrace Ag+
(např. přídavkem AgNO3) nebo I‐ (např. přídavkem NaI)
lze měnit povrchový náboj AgI tak, že celkový povrchový náboj částice bude nulový – izoelektrický bod (IEB)
Pozn. Pokud se na náboji povrchu podílejí pouze H+ a OH- ionty – nulový bod náboje (NBN)
Povrchová ionizace – organické látky
– kyselé nebo zásadité funkční skupiny na povrchu, které v závislosti na pH mohou přijímat nebo odevzdávat protony (H+)
– např. proteiny obsahují kyselé karboxylové (COOH) i zásadité aminové
(NH2) skupiny – disociace v závislosti na pH roztoku
– nízké PH – karboxylové skupiny nedisociují
0
– aminové skupiny jsou protonované
– vysoké PH – karboxylové skupiny disociují
+
-
– aminové skupiny nejsou protonované 0
R
C H
N H
O H
C
+
3
O
R
C H
N H
O
C
+
3
O
R
C H
N H
N B N
ro s to u c í p H
O
C
2
O
Povrchová ionizace – organické látky
– izoelektrický bod = hodnota pH, při které je počet kladně nabitých a záporně nabitých skupin v rovnovážném stavu
Povrchová ionizace – oxidy kovů
– např. Al2O3, Fe2O3, TiO2
tvorba amfoterních skupin Al‐OH, Fe‐OH
na jejich povrchu
+
M OH2
M OH
M O
NBN
rostoucí pH
Izomorfní substituce
– přebytek náboje koloidních částic (jílové minerály – kaolinit)
– střídání tetraedrických vrstev Si s oktaedrickými vrstvami Al
– ve vstvách křemíku mohou být kationty Si4+ nahrazeny kationty Al3+ a ve vrstvách hliníku kationty Al3+ např. Mg2+
– výměna Si za Al vede k přebytku záporného náboje, který musí být vyvážen vhodným počtem kompenzujících kationtů, např. Ca2+ (nejsou v mřížce kaolinitu, zůstávají pohyblivé)
– tzv. kation‐výměnné vlastnosti jílů
Specifická adsorpce iontů
– v případě, že koloidní částice nemá vlastní náboj ani ionizovatelné
skupiny může získat náboj specifickou (tj. jinou než elektrostatickou)
adsorpcí iontů z roztoku
– např. adsorpce iontů povrchově aktivních látek
– hydrofobní uhlovodíková část
minimalizuje kontakt s vodou adsorpcí na hydrofobní koloidní částici bez náboje a hydrofilní ionizovaná část s nábojem určuje náboj koloidní částice
Stabilita koloidních částic
Kinetická (sedimentační) stabilita
= schopnost disperzní soustavy uchovávat rovnoměrné rozdělení částic v celém objemu = odolnost částic vůči působení gravitačního nebo odstředivého pole
při nezměněném stupni disperzity
hrubé disperze (nízký stupeň disperzity) = kineticky nestálé, sedimentují
analytické disperze (vysoký s. d.) = kineticky vysoce stálé, nesedimentují
koloidní disperze = přechodné, leží mezi dvěma výše uvedenými extrémy Agregátní stabilita = schopnost disperzního systému zachovávat stupeň své disperzity = schopnost odolávat procesům, které vedou ke vzájemnému spojování ve větší kineticky nestálé agregáty – určena povahou interakcí mezi koloidními částicemi při jejich srážkách
• převažují‐li přitažlivé síly  částice agregují do větších celků
• převažují‐li odpudivé síly  systém zůstává v dispergovaném stavu
Interakce mezi částicemi
1) nekovalentní interakce
o
o
o
o
o
van der Waalsovy síly
elektrická dvojvrstva hydrofobní efekt
hydratační efekt
interakce s polymery
 stérické interakce
 polymerní můstky
 depleční interakce
2) chemická (kovalentní) vazba
= univerzální přitažlivé síly krátkého dosahu působící mezi všemi atomy, molekulami, ionty, koloidními částicemi i makroskopickými objekty
– vyplývají ze tří typů interakcí dipól‐dipól:
• Keesomovy‐van der Waalsovy (orientační) síly
= interakce mezi polárními molekulami, tj. dvěma permanentními dipóly
• Debyeovy‐van der Waalsovy (indukční) síly
– permanentní dipól indukuje opačný dipól v druhé molekule • Londonovy‐van der Waalsovy (disperzní) síly
= interakce indukovaný dipól – indukovaný dipól – působí mezi všemi atomy a molekulami včetně neutrálních (např. CO2) –
– nulový průměrný dipólový moment, ale nenulový okamžitý dipólový moment
vyplývající z nesymetrického uspořádání elektronů kolem jádra
o energie vdW interakcí = nepřímo úměrná šesté mocnině vzdálenosti částic (molekul, atomů)
E ( h)  
 ij 
1
4 0 2
 ij
h6
E(h) = potenciální energie interakce
h
= vzdálenost mezi dvěma molekulami ij = Londonova konstanta
záporné znaménko => přitažlivé síly  pi2 p 2j
3 0i 0 j hP i j 
2
2
 pi  0 j  p j  0 i 




2  i   j 
 3k BT
0 = permitivita vakua, pi, pj = molekulární dipólové momenty, kB = Boltzmannova konstanta, T = teplota, 0i a 0j = elektrické polarizovatelnosti, hP = Planckova konstanta, i a j = absorpční frekvence
kvantifikace vdW interakcí – dva teoretické přístupy:
o Hamaker – mikroskopický přístup
o Lifshitz – makroskopický přístup
van der Waalsovy síly ‐ Hamaker
Hamakerův přístup – předpoklad: přitažlivá síla mezi dvěma částicemi (každá se skládá z mnoha atomů) je suma interakcí mezi každými dvěma atomy v těchto částicích
energie interakce na jednotku plochy (!)
mezi 2 rovinnými povrchy z různých materiálů vzdálenými délku h ve vakuu
A12
E a ( h)  
12h 2
s použitím Derjaguinovy aproximace byly odvozeny vztahy pro
celkovou interakční energii [J] mezi dalšími objekty
plocha – koule A a
E (h)   12
6h
dvě různé koule
 aa A
E (h)    1 2  12
 a1  a2  6h
dvě stejné koule
E ( h)  
A12 a
12h
dva různé válce A12 a1a2
E ( h)  
6h
van der Waalsovy síly ‐ Hamaker
určení Hamakerovy konstanty
A11   N 11
2
A12   N 1 N 2 12
2
1
2
A12   A11 A22 
1
2
A11, A22 = Hamakerova konstanta pro interakci dvou stejných materiálů ve vakuu
A12 = Hamakerova konstanta pro interakci dvou různých materiálů ve vakuu
N1 a N2 = počet molekul na jednotku objemu ve dvou různých materiálech
12 = Londonova konstanta pro interakci molekul z materiálů 1 a 2
interakce dvou rozdílných fází (materiálů 1 a 2) v kapalině (vodě) (3) A132  A12  A33  A13  A23
interakce dvou identických fází (1) v kapalině (vodě) (3) 
A131  A
1/ 2
11

1/ 2 2
33
A
van der Waalsovy síly ‐ Lifshitz
Lifshitzův přístup – atomová struktura koloidů není uvažována; pevné látky a kapaliny jsou brány jako kontinuální media; obecné výrazy pro interakční energii i nadále platí, mění se jen způsob určení Hamakerovy konstanty interakce dvou různých, resp. stejných, materiálů (1,2) ve vakuu
27 hP 1 2  n12  1  n22  1 
 2
 2

A12 
32  1   2   n1  2  n2  2 
A11 
 n 1 
27

hP 1 
64
n  2
2
1
2
1
2
pokud 1 ~ 2 => A12 = geometrický průměr A11 a A22
A12  A11 A22
interakce dvou pevných látek (1,1) v daném mediu (3) – zjednodušeně: 2
A131  A 0  A 0




2
 1   3 
3hP e n12  n32
3
 
 k B T 
3/ 2
4
16 2 n12  n32
 1   3 
kB = Boltzmannova konstanta
T = absolutní teplota
1,3 = permitivita pevné fáze a oddělujícího media
e = absorpční frekvence atomu (frekvence oběhu elektronu)
n1,2,3 = indexy lomu pevných fází a oddělujícího media
vdW síly – Hamaker vs. Lifshitz
Hamaker ‐ příklad:
CCl4
 ~ 150.10‐78 J.m‐6 (Londonova konstanta)
N = 0,6.1028 m‐3 (počet částic na jednotku objemu)
Hamakerovy konstanty většiny kondenzovaných fází leží v rozsahu (0,4 – 4).10‐19 J
=> A ~ 5,3.10‐20 J
Lifshitz – příklad: CCl4
1 = 2,24; 3 = 1 (permitivita)
e = 2,7.1015 s‐1 (absorpční frekvence)
n1 = 1,460; n3 = 1 (index lomu)
2
A131  A 0  A 0
kB = 1,38.10‐23 J.K‐1
hP = 6,626.10‐34 J.s
T = 293,15 K (20 °C)




2
 1   3 
3hP e n12  n32
3
 
 k B T 
3/ 2
4
16 2 n12  n32
 1   3 
=> A ~ 5,16.10‐20 J
van der Waalsovy síly ‐ retardace
Keesomovy a Debyeovy interakce = elektrostatické povahy Londonovy interakce = elektromagnetické povahy => podléhají relativistickému efektu retardace („zpožďování“) Geometrie
dvě plochy
dvě plochy
plocha – koule
Výraz pro energii vzájemné interakce
A
E a ( h)  
12h 2
A  5,32h 
E ( h)  
1 

 
12h 2 
Aa
E ( h)  
6h
(1)
1
Podmínky
neretardované,
nekonečná tloušťka
(2)
retardované,
pouze L-vdW
(3)
neretardované,
DA, h<<a
(4)
retardované, pouze
L-vdW, DA, h<<a
1
plocha – koule
A a  14h 
E ( h)  
1 

6h 
 
dvě koule
 aa  A
E (h)   1 2 
 a1  a 2  6h
(5)
neretardované,
DA, h<<a
dvě koule
 a a  A  5,32h 
 
E (h)   1 2  1 
ln1 


a

a
h
h
6
5
,
32


2 
 1

(6)
retardované, pouze
L-vdW, DA, h<<a

Složení a vlastnosti přírodních vod

Transkript

Podobné dokumenty

Seminar UZP - Pivokonský

18. 7. 2011

Nanočástice jako ekologicky akceptovatelné

zde - Krasec

schönox qw

Jarní zelenina Jarní zelenina

MAGNETICKÁ ÚPRAVA VODY

ibuprofen rekrystalizační rozpouštědlo

ibuprofen rekrystalizační rozpouštědlo

Struktura látek

O Korálové vodě na Karlově Univerzitě

VODOHOSPODÁŘSKÉ INŽENÝRSTVÍ A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Studium přípravy a aplikačních možností nanočástic stříbra

Průmyslové technologie II - EnviMod

Technické využití drahých kamenů

Fyzika biopolymerů

+ E

Interakce mezi částicemi, destabilizace, sklenicová

Klimova

Survey of contaminated sites

CO 2 a jeho iont. formy, pH, NK. Tlumivá kapacita

1 T7TVO05 ODŽELEZOVÁNÍ A ODKYSELOVÁNÍ PODZEMNÍ VODY