Лекція 18. Хімія і екологія План лекції

1. Головні забруднювачі води.

2. Методи очищення води.

1. Біля 400 речовин можуть викликати забруднення води. Що стосується перевищення допустимих норм хоча би одного з трьох показників шкідливості: санітарно-токсикологічного, загальносанітарного чи органолептичного, вода вважається забрудненою. Забруднювачі: хімічні (нафта та природний газ, нафтопродукти, СПАВ (синтетичні поверхнево-активні речовини), пестициди, важкі метали, діоксини та інші), біологічні (віруси й інші хвороботворні мікроорганізми) і обов'язкові фізичні (радіоактивні речовини, тепло).

Причини забруднення поверхневих вод:

1. Скидання в водойми неочищених стічних вод.

2. Змив отрутохімікатів зливовими опадами.

3. Газодимові викиди.

4. Просочування нафти і нафтопродуктів.

Галузь промисловості	Переважний вид забруднюючих компонентів
Нафтогазовидобування, нафтопереробка	Нафтопродукти, СПАВ, феноли, амонійні солі, сульфіди
Лісова промисловість	Сульфати, органічні речовини, лігніни, смолисті і жирні речовини, азот
Машинобудування, металообробки, металургія	Важкі метали, зважені речовини, фториди, ціаніди, амонійний азот, нафтопродукти, феноли, смоли
Хімічна промисловість	Феноли, нафтопродукти, СПАВ, ароматні вуглеводні, неорганіка
Гірничодобувна, вугільна промисловість	флотореагенти, неорганіка, феноли, зважені речовини
Легка, текстильна, харчова промисловості	СПАВ, нафтопродукти, органічні барвники та інших.

Шляхи забруднення підземних вод: при просочуванні промислових і господарсько-побутових стоків зі схованок, ставків-накопичувачів, відстійників та ін., по затрубному простору несправних свердловин.

Природні джерела забруднення: сильно мінералізовані підземні води чи морські води, що потенційно можуть впроваджуватися в прісні незабруднені води при експлуатації водозабірних споруд й відкачування води з свердловин.

Забруднення водних екосистем – небезпека всім живим організмам і зокрема, людини. Найважливіша водоохоронна проблема – розробка і впровадження ефективних методів знезараження і очищення поверхневих вод, що використовуються для питного водопостачання.

Найпоширеніші домішки, що погіршують якість питної води:

1. Зважені речовини – нерозчинні у питній воді суспензії, емульсії; забруднення частинками глини, піску, мулу, водоростей тощо.

2. Органічні речовини природного походження – частинки ґрунтового гумусу, продукти життєдіяльності і розкладання рослинних і тварин організмів.

3. Органічні речовини техногенного походження – органічні кислоти, білки, жири, вуглеводи, хлорорганічні сполуки, феноли, нафтопродукти.

4. Мікроорганізми – планктон, бактерії, віруси.

5. Солі жорсткості – кальцієві і магнієві солі вугільної, сульфатної, хлоридної і нітратної кислот.

6. Сполуки Феруму і Мангану – органічні комплексні сполуки, сульфати, хлориди і гідрокарбонати.

7. Сполуки Нітрогену – нітрати, нітрити, аміак.

8. Розчинні у питній воді гази – сірководень, метан.

Вплив домішок на якість води:

1. Перешкоджає застосуванню для господарських, питних потреб.

2.Органічні речовини надають різноманітні запахи (землистий, гнильний, болотний, рибний, аптечний, нафтовий), підвищують забарвлення, піноутворення, надають несприятливий вплив на організм людини.

3.Мікроорганізми збільшують кількісь органіки, викликають захворювання: тиф, дизентерія, холера, поліомієліт.

4.Солі жорсткості роблять воду непридатною для господарських потреб. У жорсткої воді збільшується витрата мийних засобів при пранні, повільно розварюються м'ясо й овочі, виходять з ладу посуд і водонагрівачі.

5. Ферум і Манган надають воді неприємне червоно-коричневе чи чорне забарвлення, погіршують її смак, викликають розвиток залізобактерій. Надлишок Феруму в організмі збільшує ризик інфарктів, викликає захворювання печінки, знижує репродуктивну функцію організму.

6. При використанні питної води з нітратами у кількості понад 45 мг/л в людині синтезуються нітрозаміни, які викликають злоякісні пухлини.

7. Наявність у питній воді сірководню різко погіршує її якість, надає неприємного запаху, провокуючи розвитку серобактерій.

Господарсько-питна вода мусить бути нешкідлива здоров'ю людини, мати хороші фізичні, хімічні і санітарні показники.

2. У ріках і інших водоймах відбувається природний процес самоочищення води. Він повільний. Очищення стічних вод – їх обробка з метою руйнування чи видалення шкідливих речовин. Сировина – стічні води, продукція – очищена вода.

В основі деструктивних методів – процеси руйнування забруднюючих речовин. Продукти розпаду видаляються із води як гази, осади. Регенеративні методи –очищення стічних вод і утилізація цінних речовин, які виникають у комунальних відходах.

Методи очищення вод: механічні, хімічні, гідрохімічні, електрохімічні, фізико-хімічні й біологічні. Коли вони застосовуються разом, то метод очищення називається комбінованим. Застосування методу очищення визначається характером забруднення і мірою шкідливості домішки.

Механічні способи очищення застосовуються для очищення води від твердих та масляних забруднень. Методи: подрібнення великих за розміром забруднень у меньші за допомогою механічних пристроїв; відстоювання забруднень зі стоків за допомогою нафтовловлювачів, пісковловлювачей та ін. відстійників; розділення води та забруднювачів за допомогою центрифуг та гідроциклонів; усередненя стоків чистою водою з метою зниження концентрації шкідливих речовин та домішок до рівня, при якому стоки можна скидати у водойми або каналізацію; влучення механічних домішок за допомогою елеваторів, решіток, скребків та ін. пристроїв; фільтрування стоків через сітки, сита, спеціальні фільтри, а найчастіше – шляхом пропускання їх через пісок; освітлення води шляхом пропускання її через пісок або спеціальні пристрої, наповнені композиціями або мінералами, здатними поглинати завислі частки. Вибір схеми очищення води від завислих часток та нафтопродуктів залежить від виду та кількості забруднень, необхідного ступення очищення. Механічне очищення дозволяє виділяти з побутових стічних вод до 60-75% нерозчинних домішок, з промислових 95%, чимало з яких цінні домішки використовують у виробництві.

Хімічний метод: у стічні води додають різні хімічні реагенти, що у реакції з забруднювачами випадають у вигляді нерозчинних осадів; досягається зменшення нерозчинних домішок до 95% і розчинних до 25%. Нейтралізація застосовується для очищення стоків гальванічних, травильних та інших виробництв, де застосовуються кислоти та луги.

Гідромеханічні методи застосовують для вилучення з стічних вод нерозчинних грубодисперсних домішок органічних і неорганічних речовин шляхом відстоювання, фільтрування, центрифугування. Використовують різні конструктивні модифікації сит, решіток, відстійників, центрифуг і гідроциклонів.

Електрохімічні методи засновані на пропущенні через стічні води електричного струму: анодне окиснення, катодне відновлення, електрокоагуляція, електродіаліз. Під впливом електричного поля позитивно заряджені йони мігрують до катоду, а заряджені негативно – аноду.

Фізико-хімічні методи: коагуляція, флотація, адсорбційне очищення, йонний обмін, екстракція, зворотний осмос; з стічних вод видаляються тонкодисперсні і розчинені неорганічні домішки, руйнуються органічні і погано окислювальні речовини.

Біохімічні методи ґрунтуються на здібності мікроорганізмів використовувати органічні та деякі неорганічні (сірководень, сульфіди, амоніак, нітрати та ін.) речовини для харчування.

Освітлення – видалення із води зважених речовин. Реалізується фільтрацією води через пористі фільтроелементи чи через шар фільтроматеріалу. У осветлітелях і відстійниках вода уповільнює швидкість, унаслідок чого відбувається випадання в осад зважених частинок. З метою осадження дрібних колоїдних частинок, які можуть перебувати в підвішеному стані невизначено довгий час, до води додають розчин коагулянта (сульфат алюмінію, купорос чи хлорне залізо).

Коагуляція – обробка води спеціальними хімічними реагентами для укрупнення частинок забруднень. Робить можливими чи інтенсифікує очищення, знебарвлення, знезалізнення. Коагуляція домішок води – процес укрупнення дрібних колоїдних і зважених частинок, що відбувається унаслідок їх взаємного злипання під впливом сил молекулярного тяжіння.

Флотація – процес молекулярного прилипання частинок забруднень до поверхні розподілу двох фаз (вода–повітря, вода–тверда речовина). Процес очищення СПАР, нафтопродуктів, волокнистих матеріалів флотацією полягає в утворенні системи «частинки забруднень–бульбашки повітря», що спливає на поверхню та утилізується. За принципом дії флотаційні установки класифікуються: флотація з мехнічним диспергуванням повітря; флотація з подачею повітря через пористі матеріали; електрофлотація; біологічна флотація.

Зворотний осмос (гіперфільтрація) – процес фільтрування питної води через напівпроникні мембрани під тиском.

Сорбція – процес поглинання забруднень твердими та рідкими сорбентами (активованим вугілям, золою, дрібним коксом, торфом, селікагелем, активною глиною). Адсорбційні властивості сорбентів залежать від структури пор, їхньої величини, розподілу за розмірами, природи утворення. Активність сорбентів характерізується кількістю забруднень, що поглинаються на одиницю їхнього об’єму або маси (кг/м³).

Ультрафільтрація – мембраний процес розподілу розчинів, осмотичний тиск котрих малий. Застосовується для очищення питної води від високомолекулярних речовин, завислих частинок та колоїдів.

Електродіаліз – процес сепарації йонів солей в мембранному апараті, який здійснюється під впливом постійного електричного чтруму. Електродіаліз застосовується для демінералізації питної води. Основним обладнанням є електродіалізатори, що складаються з катіонітових та аніонітових мембран.

Окиснення – обробка води киснем повітря, гіпохлоритом натрію, перманганатом калію чи озоном (озонування). Обробка води окисником (чи комбінацією) робить можливими чи інтенсифікує знебарвлення, дезодорацію, знезаражування, знезалізнення, деманганацію.

Знебарвлення – видалення чи видозміна речовин, які надають воді колір. Реалізується різними методами, залежно причин забарвлення. Знебарвлення води можна досягнути коагулюванням, застосуванням різних окисників (хлор та його похідні, озон, перманганат калію) і сорбентів (активоване вугілля, штучні смоли).

Знезараження – знищення мікроорганізмів (бактерій, грибів, вірусів) шляхом обробкою води окисниками або УФ-випромінюванням. Знезараження води –   заключний етап підготовки води питної кондиції. Методи знезараження води:

1. Хлорування шляхом додавання хлору, діоксиду хлору, гіпохлориту натрію чи кальцію.

2. При озонуванні використовуються окисні і дезінфікуючі властивості озону.

3. Ультрафіолетове опромінення. Кишкова паличка, бацила дизентерії, збудники холери і тифу, віруси гепатиту і грипу, сальмонелла гинуть при дозі опромінення менш 10 мДж/см², а ультрафіолетові стерилізатори забезпечують дозу опромінення щонайменше 30 мДж/см².    

Знезалізнення/деманганація – перетворення розчинених сполук феруму і мангану в нерозчинні і видалення шляхом фільтрування, зазвичай, через спеціальні фільтроматеріали. Методи:

1.Аерірування – окиснення киснем повітря з наступним осадженням і фільтрацією. Реакція окиснення феруму вимагає досить багато часу і великих резервуарів, тому спосіб використовується лише у великих системах.

2.Каталітичне окиснення із наступною фільтрацією застосовується у високопродуктивних компактних системах. Суть методу: реакція окислення феруму відбувається на поверхні гранул спеціального фільтруючого середовища, що має властивості каталізатора (MnO₂). Ферум у присутності діоксиду мангану швидко окиснюється і осідає на поверхні гранул фільтруючого середовища. Потім більшість окисненого феруму вимивається в дренаж. Шар гранульованого каталізатора є фільтруючим середовищем.

Пом'якшення – заміна катіонів кальцію і магнію у питній воді на еквівалентну кількість катіонів натрію чи гідрогену. Вода фільтруэться через спеціальні йонообмінні смоли. Висока жорсткість води робить її непридатною у харчуванні, у газових і електричних парових котлах і бойлерах. Шар накипу в 1,5 мм знижує тепловіддачу на 15%, а шар завтовшки 10 мм – вже в 50%. Зниження тепловіддачі веде до підвищення витрати палива чи електроенергії. Найбільш ефективним засобом боротьби із високою жорсткістю є застосування автоматичних фільтрів – пом'якшувачів. У основі їхньої роботи лежить йонообмінний процес.

Знесолення – видалення із води розчинених солей на йонообмінних смолах чи фільтрування води через спеціальні плівки (мембрани), що пропускають лише молекули води.