PRORAČUN DOZA HEMIKALIJA ZA STABILIZACIJU VODE

Transcription

1 UD: 68./ Originalni naučni rad PRORAČUN DOZA HEMIALIJA ZA STABILIZACIJU VODE Prof. dr Dejan LJUBISAVLJEVIĆ, dipl.građ.inž., mr Branialv BABIĆ, dipl.građ.inž., Igor ŠUŠIĆ, apolvent Građevinki fakultet univerziteta u Beogradu, Bulevar kralja Alekandra 7, 000 Beograd, ljubiav@grf.bg.ac.yu REZIME U radu je izložena metodologija utvrđivanja agreivnog karaktera vode prema kalcijum karbonatu i način proračuna doza hemikalija za tabilizaciju vode tj. dovođenje vode u tanje da ne bude agreivna i ne pokazuje tendenciju italožavanja kalcijum karbonata. Prikazan je orginalni matematički model za analize, uz čiju pomoć u analizirane vode iz akumulacija Zlatibor, Gruža i buduće akumulacije Barje. Takođe u tetirane i vode pole tretmana na nekim potrojenjima za prečišćavanje vode za piće (Zlatibor, ragujevac, Lekovac). ljučne reči: LI index, agreivnot vode, prečišćavanje vode za piće. UVOD Akumulacije za vodonadbevanje u Srbiji grade e uglavnom u takozvanim rezervatima čite vode koji predtavljaju vršne delove livova vodotoka u Srbiji. Ove vode u meke vode a malom alkanošću i kao takve u uglavnom agreivne prema materijalima od kojih e grade objekti vodovodnih itema. Doadašnjim itraživanjima u vetu najviše je razvijena metodologija utvrđivnja agreivnoti prema kalcijum karbonatu pa e i u ovom radu ograničava amo na agreivnot prema materijalima koji adrže CaCO. alcijum karbonat e reće kod većine materijala (beton, azbet-cement, kreč) koji e primenjuju u izgradnji vodovodnih itema, a u literaturi () i (5) e napominje da voda koja nije agreivna prema CaCO nije agreivna ni prema većini otalih materijala (liveno gvožđe, čelik i dr.) pa e ova metodologija može matrati pouzdanom.. SISTEM UGLJENA ISELINA, BIARBO- NATI I ARBONATI (ARBONATNI SISTEM) U VODI I STABILIZACIJA VODE Većina prirodnih voda ima puferko vojtvo, zahvaljujući ravnoteži ugljena kielina - bikarbonati. U vodi e odvijaju ledeće reakcije: CO H O H CO =H - HCO () HCO - H - CO () H O H OH - () arbonatni item u vodi može e tretirati kao zatvoren termodinamički item, pošto je brzina hemijkih reakcija mnogo veća nego brzina razmene CO između vode i atmofere. Pošto amo mala frakcija CO u vodi prelazi u H CO uvodi e zbir (mol/l) CO i H CO i na taj način definiše H CO *. Sada e mogu napiati izrazi za kontante ravnoteže karbonatnog itema u vodi a: [ H [ HCO = (4) [ H CO * [ H [ CO = [ HCO (5) w = [H [OH - (6) Jednačine (4), (5) i (6) u napiane pod pretpotavkom da je item koji adrži karbonatne komponente u teorijkoj ravnoteži, pa u kontante, i w termodinamičke kontante ravnoteže. Većina prirodnih itema ima manji tepen razblaženja od idealnog ratvora, pa je tvarna aktivnot jona manja od njihove koncentracije, zbog međuobnog adejtva vih priutnih jonova. Zbog toga e u jednačinama umeto analitičkih koncentracija moraju taviti aktivnoti. VODOPRIVREDA , 8 (006) 9- p

2 Proračun doza hemikalija za tabilizaciju vode Dejan Ljubiavljević i aradnici Uvodeći korekciju aktivnoti u jednačine (4), (5) i (6) dobija e: ili = m[h m[hco = * [H CO m m[h d [CO = m[hco (7) (8) (9) = =[H [ CO - (0) d w = m [H m [OH - () w = w m =[H [OH - () gde je m koeficijent aktivnoti jednovalentnog jona a d koeficijent aktivnoti dvovalentnog jona. oeficijenti aktivnoti računati u po formuli Daviea: I log = AZ ( 0, I) () I gde je koeficijent aktivnoti a indekima m, d i t koji reprezentuju apolutnu vrednot valence jonova koji u od interea, tj. m za jednovalentne jonove, d za dvovalentne jonove i t za trovalentne jonove. Z je valenca jona koji e pomatra. A=,8 0 6 (D T) -/ (4) T - temperatura ratvora u tepenima elvina, D - dielektrična kontanta vode D=78, i I jonka jačina ratvora uzimajući u obzir ve priutne jone (mol/l). t I = C i Z i (5) i = C i - analitička koncentracija i-te uptance Z i - valenca i-te uptance U daljem tektu korišćen je Langelier-ov (96) izraz za jonku jačinu: I=(,5 0-5 ) (USO) (6) gde je USO - ukupni uvi otatak (mg/l). U izrazima (8), (0) i () indek označava da u termodinamičke kontante korigovane zbog temperature i jonke jačine. Potrebno je znati da je ph mera aktivnoti vodoničnog jona, tj. ph= - log ( m [H ), odnono ph 0 [H = (7) m Termodinamičke kontante ravnoteže u zavine od temperature i za njihovo izračunavanje mogu e korititi izrazi: 705 p = 5, logt 0,675T 545,56 (8) T 90,9 p = 0,079 T 6,498 (9) T 4787, p w = 7,log T 0,006T,80 (0) T gde je T-temperatura ratvora u elvinovim tepenima. Za poznavanje karbonatnog itema u vodi potrebno je poznavati koncentracije: H CO, HCO -, CO -, OH -, H. Dakle, pet nezavinih jednačina je potrebno da bi e računale komponente. To u tri jednačine: (8), (0) i (). Četvrta je poznata iz merenja ph vrednoti jednačina (7). Peta jednačina dobija e merenjem koncentracije neke od komponenti karbonatnog itema. Najčešće, to je alkalnot. Ukupna alkalnot je definiana kao broj molova vodonik jona potrebnih da prevedu jedan litar ratvora u ekvivalentni ratvor ugljene kieline (Loewenthal i Marai, 976). Pod pretpotavkom da je alkalnot natala zbog priutva jake baze u ratvoru ugljene kieline, važi: [Alk e =[CO - e [HCO - e [OH - e [H e () Pretvarajući ekvivalente u mole (jednovalentni joni u numerički ekvivalentni, izraženi kao moli ili kao ekvivalenti, dok je kod dvovalentnih jona odno ekvivalent/mol jednak /), može e napiati: [Alk=[CO - [HCO - [OH - [H () ili [Alk=[CO - /[HCO - /[OH - /[H () gde u ve koncentracije u mol/litar. Merenje ph vrednoti i alkalnoti omogućuje da e - odrede koncentracije H CO, HCO i CO -. Na rapolaganju u jednačine (0) i modifikovana jednačina (8). 78 VODOPRIVREDA , 8 (006) 9- p. 77-8

3 Dejan Ljubiavljević i aradnici Proračun doza hemikalija za tabilizaciju vode CO [H CO [HCO = (4) * [H * [H [HCO = (5) Zamenjujući jednačinu (4) u jednačini () i rešavajući bikarbonate, dobija e: [ Alk [OH [H [HCO = (6) [ [H Slično e mogu rešiti jednačine po CO - i H CO *. [CO [ Alk [OH [H = (7) [H [ [ * [ Alk [ OH [ H H CO = (8) [ [ H [ H. STABILNOST VODE Stabilnom vodom matramo vodu koja ne pokazuje niti težnju za italožavanjem CaCO niti agreivnot. U proizvodnji vode (za piće) teži e da voda tvori tanak film CaCO unutar cevi ditributivnog itema. Da bi bio efikaan ovaj film e mora kontroliati, inače bi preveliko italožavanje na cevima dovelo do dratičnog manjenja propune moći cevovoda. Ako je voda preatuirana a CaCO doći će do italožavanja CaCO. S druge trane, kad je voda nezaićena a CaCO, ona će ratvarati čvrt CaCO. Izraz za kontantu proizvoda ratvorljivoti CaCO je: = = [C [CO (9) d a Prema jednačini (7) CO - e može izraziti a: [CO [ Alk [OH [H = [ (0) [H [ odnono [CO [[ Alk [OH [H = [ () [H [ Ako () uvrtimo u (9) dobija e: = [C a [ [ [ Alk [OH [H [ [H [H () gde indek označava da e radi o ravnotežnoj koncentraciji H jona. Jednačina () izražava zavinot ratvorljivoti CaCO od ph i ukazuje da će e ratvorljivot povećati a manjenjem ph. Preuređujući jednačinu () i nakon logaritmovanja dobija e: -log[h =log -log -log[c a -log[[alk-[oh - [H log[ [ H () ako je ph = - log [ m [H p = - log p = - log[ca jednačina () potaje: ph = p pca p -log[[alk-[oh - [H log[ log m (4) [H oriteći jednačinu (4) ph pri aturaciji e može računati za vaku vodu a određenim adržajem Ca i alkalnoti. Izraz (4) e može pojednotaviti pošto u Loewenthal i Marai (976) zaključili da u u opegu ph između 6,5 i 9,5 članovi [H i [OH - u izrazu [[Alk-[OH - [H zanemarljivi i da je izraz /[H u izrazu [ /[H zanemarljiv pa u tom opegu ph jednačina (4) potaje: ph = p pca -p -log[[alk-log m (5) Pošto ph većine prirodnih voda pada u opeg od 6,5 do 9,5, jednačina (5) e obično koriti za proračun ph. Loewentthal i Marai (976) u izveli izraz za računanje p za CaCO u zavinoti od temperature t ( C). p =0,08t 8,0 (6) Ukoliko je tvarno ph manje od ph voda će biti agreivna prema CaCO. ontrolni parametar je Langelier-ov indek LI. LI= ph - ph (7) LI<0 - voda je agreivna prema CaCO LI>0 voda ima tendenciju italožavanja CaCO VODOPRIVREDA , 8 (006) 9- p

4 Proračun doza hemikalija za tabilizaciju vode Dejan Ljubiavljević i aradnici Stabilizacija vode podrazumeva dovođenje vode u ravnotežno tanje. Moguće je dodavanje kieline (HCl, H SO 4 ), baza (Ca(OH), NaOH), aerianje (deorpcija CO ) ili uduvavanje CO. oličine e određuju tako da LI bude između 0,0 i 0,5 (Schipper,98). 4. MATEMATIČI MODEL ZA ODREĐIVANJE DOZA HEMIA LIJA ZA STABILIZACIJU VODE Matematički model za određivanje doza hemikalija za tabilizaciju vode napravljen na Građevinkom fakultetu u Beogradu tretira karbonatni item u vodi kao zatvoren termodinamički item, pošto je brzina hemijkih reakcija mnogo veća nego brzina razmene CO između vode i vazduha. Uobičajena mera agreivnoti, odnono tendencije italožavanja CaCO je Langelierov indek tabilnoti (LI) [literatura. Smatra e da je voda tabilna ako je LI između 0 i 0,5. Baza matematičkog modela je potprogram za izračunavanje LI indeka. U matematičkom modelu e prvo računa LI indek za irovu vodu i komponente karbonatnog itema u vodi. U zavinoti od dobijenog rezultata za LI indek, u lučaju da je voda netabilna, određuje e da li je vodi potrebno dodavati kielinu ili bazu. Doze kieline ili baze e dobijaju iterativnim potupkom. Pri tome e u vakoj iteraciji računaju karbonatne komponente [literatura i LI indek. Potupak e završava kada LI indek dotigne vrednot između 0 i 0,5. U lučaju da amo dodavanje baze dovede do prekoračenja dozvoljenog ph (8,5), zajedno a dozom baze model određuje i dozu CO. Ulazni podaci za matematički model određuju e laboratorijki: ukupni uvi otatak, temperatura vode, ph, alkalnot, koncentracija kalcijuma u vodi koju želimo da tabilizujemo. U ovom matematičkom modelu za određivanje doza hemikalija za tabilizaciju vode razmatrane u ledeće hemikalije: kreč, natrijum hidrokid, natrijum karbonat, natrijum bikarbonat, ugljen diokid, hlorovodonična i umporna kielina. omponente karbonatnog itema u vodi, čiju ravnotežu popravljamo, reaguju a navedenim hemikalijama na ledeći način: Ca(OH) CO Ca (HCO - ) (8) NaOH CO NaHCO (9) Na HCO H O CO NaHCO (40) HCl HCO - H O CO Cl - (4) H SO 4 HCO - - H OCO SO 4 (4) Dodavanje natrijum bikarbonata i ugljen diokida direktno povećava koncentraciju bikarbonatnog jona i ugljen diokida repektivno. U iterativnom potupku za malu dozu hemikalije (korak iteracije), vaki put e računaju karbonatne komponente korigovane tehiometrijkim proračunom iz jednačina 8 do 4. U lučaju dodavanja baze, ako dođe do potrošnje priutnog CO, matematički model određuje i dozu imultanog dodavanja CO. Ito važi i za lučaj prekoračenja zahtevane vrednoti ph. Iterativni potupak e završava kada LI indek dotigne vrednot između 0,0 i 0,5. 5. PRIMERI 5.. VODA IZ AUMULACIJE ZLATIBOR 5.. PREČIŠĆENA VODA NA POSTROJENJU ZA PREČIŠĆAVANJE VODE ZA PIĆE ZLATIBOR 5.. VODA IZ AUMULACIJE GRUŽA 5.4. PREČIŠĆENA VODA NA POSTROJENJU ZA PREČIŠĆAVANJE VODE ZA PIĆE GRUŽA 5.5. VODA OJA PUNI BUDUĆU AUMULACIJU BARJE 5.6. VODA OJA PUNI BUDUĆU AUMULACIJU BARJE POSLE OAGULACIJE SA 50 mg/l Al (SO 4 ) x 8 H O Prilog 5. ULAZNI PODACI O VALITETU VODE IZ AUMULACIJE ZLATIBOR * TDS ( mg/l ) Temp. ( C ) ph Alkalinity ( mmol/l ) Ca ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) CO ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) ph LI Voda je agreivna. Doze i računki rezultati pri tabilizaciji a Ca(OH) Doza Ca(OH) ( mmol/l ) Doza CO ( mmol/l ) TDSr ( mg/l ) VODOPRIVREDA , 8 (006) 9- p. 77-8

5 Dejan Ljubiavljević i aradnici Proračun doza hemikalija za tabilizaciju vode phr Alkalinity ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) COr ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) phr LIr Prilog 5. ULAZNI PODACI O VALITETU VODE POSLE PREČIŠĆAVANJA VODE IZ AUMULACIJE ZLATIBOR OAGULACIJOM SA 50 mg/l ALUMINIJUM SULFATA TDS ( mg/l ) Temp. ( C ) ph Alkalinity ( mmol/l ) Ca ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) CO ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) ph LI Voda je agreivna Doze i računki rezultati pri tabilizaciji a Ca(OH) Doza Ca(OH) ( mmol/l ) Doza CO ( mmol/l ) TDSr ( mg/l ) phr Alkalinity ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) COr ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) phr LIr omentar: Potoje uređaji za doziranje kreča, ali ne rade a uređaji za doziranje CO ne potoje. Prilog 5. ULAZNI PODACI O VALITETU VODE IZ AUMULACIJE GRUŽA * TDS ( mg/l ) Temp. ( C ) ph Alkalinity ( mmol/l ) Ca ( mmol/l ) HCO ( mmol/l )...80 CO ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) ph LI Voda je agreivna Doze i računki rezultati pri tabilizaciji a Ca(OH) Doza Ca(OH) ( mmol/l ) Doza CO ( mmol/l ) TDSr ( mg/l ) phr Alkalinity ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) COr ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) phr LIr Prilog 5.4 ULAZNI PODACI O VALITETU VODE POSLE PREČIŠĆAVANJA NA POSTROJENJU PASIJEVIĆ- RAGUJEVAC TDS ( mg/l ) Temp. ( C ) ph Alkalinity ( mmol/l ) Ca ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) CO ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) ph LI Voda je agreivna Doze i računki rezultati pri tabilizaciji a Ca(OH) Doza Ca(OH) ( mmol/l ) Doza CO ( mmol/l ) TDSr ( mg/l ) phr Alkalinity ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l )....0 COr ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) phr LIr VODOPRIVREDA , 8 (006) 9- p

6 Proračun doza hemikalija za tabilizaciju vode Dejan Ljubiavljević i aradnici omentar: Izgrađeni u uređaji za doziranje kreča, ali e doziranje ne obavlja. Prilog 5.5 ULAZNI PODACI O VALITETU VODE OJA PUNI BUDUĆU AUMULACIJU BARJE LESOVAC TDS ( mg/l ) Temp. ( C ) ph Alkalinity ( mmol/l ) Ca ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) CO ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) ph LI Voda je agreivna Doze i računki rezultati pri tabilizaciji a Ca(OH) Doza Ca(OH) ( mmol/l ) Doza CO ( mmol/l ) TDSr ( mg/l ) phr Alkalinity ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) COr ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) phr LIr Prilog 5.6 ULAZNI PODACI O VALITETU VODE OJA PUNI BUDUĆU AUMULACIJU BARJE LESOVAC POSLE OAGULACIJE SA 50mg/l ALUMINIJUM SULFATA TDS ( mg/l ) Temp. ( C ) ph Alkalinity ( mmol/l ) Ca ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) CO ( mmol/l ) HCO ( mmol/l ) ph LI Voda je agreivna Doze i računki rezultati pri tabilizaciji a Ca(OH) Doza Ca(OH) ( mmol/l ) Doza CO ( mmol/l ) TDSr ( mg/l ) phr Alkalinity ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) COr ( mmol/l ) HCOr ( mmol/l ) phr LIr ZALJUČA Metodologija i matematički model mogu dobro polužiti za proračune potrebnih doza hemikalija za tabilizaciju vode a puferkim vojtvom uled priutva karbonata. Matematički model je ekperimentalno proveren na vodi iz akumulacije Zlatibor i rezultati u prikazani u literaturi 6, a metodologija je proverena i poređenjem a drugim metodama određivanja agreivnoti (mermerni tet), [literatura7. Doadašnja praka u Srbiji atojala e u dodavanju kreča za tabilizaciju vode. Ova metodologija je pokazala da je to moguće amo u izvenim lučajevima, dok je u nekim navedenim lučajevima potrebno dodavati CO. LITERATURA [ Langelier W.F. Effect of Temperature on the ph Natural Water,J.Am.Water Work Aoc., 8, [ Loewenthal R.E. i Maral G.V.R. Carbonate Chemitry of Aquatic Sitem Theory and Application, Ann Arbor Science Publicher, Ann Arbor MI, 976. [ Langelier W.F. The Analytical Control of Anti- Corroion Water Treatment,J.Am.Water Work Aoc., 8, [4 Benefield L.D., Jundikin J.F. i Weand B.L. Proce Chemitry Water and Watewater Treatment, Prentice Hall Inc, New Jerey, 98. [5 Schipper J.C. Water Quality and Treatment Internation Intitute for Environmental and Hydraulic Engineering, Delft, Holand, 98. (kripta) 8 VODOPRIVREDA , 8 (006) 9- p. 77-8

7 Dejan Ljubiavljević i aradnici Proračun doza hemikalija za tabilizaciju vode [6 Dejan Ljubiavljević, Branilav Babić: Matematički model za određivanje doza hemikalija za tabilizaciju vode, Zaštita vode 9, Neum 99. [7 Dejan Ljubiavljević, Olivera Šetakov: Mermerni tet kao pokazateljagreivnog karaktera vode, Voda i anitarna tehnika br CALCULATION OF CHEMICAL DOSES FOR WATER STABILIZATION by Dejan LJUBISAVLJEVIĆ, Branialv BABIĆ, Igor ŠUŠIĆ, Faculty of Civil Engineering, Belgrade, Summary In the paper the author deal with the problem of determing the aggreivne of water in ome of our reervoir, uch a Zlatibor, Gruža, and Barje. Thi i very important becaue the aggreive water caue many problem. It i analized how to tabilize the aggreive water. A mathematical model for the analize i decribed in paper, too. ey word: LI index, aggreivene of water, drinking water treatment Redigovano VODOPRIVREDA , 8 (006) 9- p