Ing. ON TOUR_Leerkracht

Transcriptie

1 Ing. ON TOUR_Leerkracht WATERZUIVERING Industrieel Ingenieur Chemie, Biochemie, Milieukunde UGent Campus Kortrijk Graaf Karel de Goedelaan Kortrijk

2 Voorwoord Deze workshop wordt georganiseerd door de vakgroep Industriële Biologische Wetenschappen (IBW) aan de UGent Campus Kortrijk. De vakgroep IBW staat bekend voor de opleidingen Bachelor en Master of Science in de Industriële Wetenschappen: biochemie, chemie en milieukunde, opleidingen die leiden tot de beroepstitel industrieel ingenieur biochemie, chemie en milieukunde. Industrieel ingenieurs zijn ingenieurs die vooral toepassingsgerichte kennis verwerven die zij kunnen gebruiken om bestaande toepassingen en ontwerpen te verbeteren of om systemen te optimaliseren in een specifieke bedrijfs of sectorcontext. Als industrieel ingenieur milieukunde ben je in staat om heel concrete en duurzame oplossingen te formuleren voor de actuele milieuproblemen waar bedrijven mee geconfronteerd worden, zoals het vermijden of verminderen van waterverontreiniging. Dit kan bijvoorbeeld door de optimalisatie van waterzuiveringsinstallaties. Het optimaliseren van een coagulatie en flocculatie systeem voor een waterzuivering wordt in deze workshop bestudeerd. Er is van deze workshop een inleidende lesvideo ter beschikking. Raadpleeg Heb je bepaalde reagentia niet voor handen? Contacteer ons via en dan zoeken we samen naar een oplossing. Meer informatie over onze opleiding kan je terugvinden op volgende website: kortrijk/nl. Wil je meer weten over ons onderzoek, dan kan je een kijkje nemen op de website 2 van 15

3 Leerplandoelen Deze workshop voldoet aan volgende leerplandoelen: Richting Leerplan Leerplandoelstelling TSO Chemie LICAP BRUSSEL D/2005/0279/05 Methoden voor zuivering van afvalwater en productie van drinkwater aangeven en TSO Biotechnische wetenschappen 2003/14//4/R/SG /2h/III/ /D POV TSO Techniek wetenschappen VVKSO BRUSSEL D/2014/7841/025 TSO Techniek wetenschappen 2004/166 GO verklaren. Waterverontreiniging: kleinschalige waterzuiveringsinstallaties. AD6 Het benutten van neerslagreacties bij de waterzuivering. Zuivering van afvalwater. Lesdoelstellingen De leerlingen kunnen zelf verwoorden hoe het komt dat de vervuilende deeltjes neerslaan. De leerlingen kunnen experimenteel bepalen wat de optimale concentratie van polyelektrolyt is. De leerlingen kunnen experimenteel bepalen wat de optimale concentratie van FeCl 3 is. De leerlingen kunnen het algemeen verloop, met behulp van de tekening, van de waterzuivering in eigen woorden verwoorden. VOETen De leerlingen blijven, ondanks moeilijkheden, een doel nastreven. De leerlingen gedragen zich respectvol. De leerlingen dragen actief bij tot het realiseren van gemeenschappelijke doelen. De leerlingen nemen verantwoordelijkheid op voor het eigen handelen. 3 van 15

4 1. Inleiding Ongeveer de helft van ons drinkwater is afkomstig van grondwater en de andere helft van oppervlaktewater. Oppervlaktewater is een verzamelnaam van al het water uit sloten, kanalen, grachten en rivieren. Zowel grond als oppervlaktewater hebben verschillende behandelingen nodig vooraleer ze als kwaliteitsvol drinkwater bij u thuis uit de kraan komt. Drinkwater moet voldoen aan de kwaliteitsnormen op fysisch, bacteriologisch en chemisch gebied (Watergroep, 2015); (Waterportaal, 2015). Het oppervlaktewater moet meer gereinigd worden dan grondwater. Het oppervlaktewater wordt aangetast door het afvalwater van huishoudens en bedrijven, zodat complexe en duurdere behandelingsmethoden nodig zijn (Vlaamse milieumaatschappij, 2013). In Europa werd er op 23 oktober 2000 een nieuwe kaderrichtlijn voor water opgesteld. Er werden tot 2013 enkele kleine wijzigingen en correcties aangebracht. De maatregelen betreffende het waterbeleid werd op het niveau van de Europese Unie goedgekeurd. De kaderrichtlijn streeft naar een goede toestand van de Europese rivieren, meren en grondwater, met andere woorden het verslechteren van de Europese waterlichamen wordt tegengegaan. De kaderrichtlijn omvat specifiek de richtlijn (EUR Lex, 2015): Bescherming van alle soorten water Herstellen van ecosystemen Daling van vervuiling in waterlichamen Duurzaam watergebruik door particulieren en bedrijven Verbruik Er wordt jaarlijks in Vlaanderen ongeveer 350 miljoen m³ verbruikt door de gezinnen voor huishoudelijk gebruik. Het huishoudelijk waterverbruik van de laatste generaties ligt veel hoger dan vroeger. De 'vuile' was wordt sneller gewassen en we nemen vaker een bad of douche dan vroeger. Bij kleinere gezinnen wordt er verhoudingsgewijs meer water per persoon verbruikt dan bij grote gezinnen. Denk maar aan het afwassen met een halfvolle afwasmachine. Het gemiddeld dagelijks verbruik per persoon wordt weergegeven in figuur 1 en is gelijk aan 120 liter (Vlaamse Milieumaatschappij, 2015). Figuur 1: Gemiddeld dagelijks verbruik per persoon (Watergroep, 2015); (Aquafin NV, 2015) 4 van 15

5 2. Waterbehandeling Figuur 2: Schematische voorstelling van waterbehandeling (Techno Ki(d)ts, 2010) In figuur 2 wordt een waterzuivering schematisch weergegeven. Het oppervlaktewater komt uit een zorgvuldig geselecteerd en gecontroleerde rivier, beek of kanaal. Het vast materiaal dat aanwezig is in het oppervlaktewater, zoals bladen, blikjes, worden via roosters verwijderd. Nu zijn er nog kleine ongewenste opgeloste organische en anorganische stoffen aanwezig. Deze stoffen worden niet verwijderd door filters of microzeven. Om dit te verwijderen wordt er een chemisch product, namelijk coagulant, toegevoegd. Voorbeelden van coagulanten zijn ijzertrichloride of polyelektrolyt. Deze chemisch producten zorgen voor een coagulatie, zie punt 3.1. Na de coagulatie en de bezinking wordt het water verder gezuiverd met behulp van filters (EMIS, 2015). Niet alle opgeloste ongewenste stoffen worden verwijderd met behulp van coagulatie. Reststoffen zoals bestrijdingsmiddelen, detergenten, ongewenste geuren en smaken worden verwijderd met behulp van de actieve kool filters of met behulp van ozon. De allerlaatste stap in een waterzuivering is het desinfecteren van het water. In België wordt er altijd gebruik gemaakt van chloor (De Watergroep Vlaamse Maatschappij voor Watervoorziening CVBA, 2011); (VITO, 2012) Coagulatie en flocculatie (vlokvorming) Het doel van coagulatie is het destabiliseren van een colloïdale oplossing, zodat vervuilende stoffen kunnen samenklonteren tot vlokken. Coaguleren vindt plaats door het toevoegen van een coagulant, bijvoorbeeld FeCl 3, PAC (polyaluminiumchloride) of korte moleculaire polymeren. Een coagulant is een stof met een zeer sterke positieve lading (BBT Kenniscentrum, 2001); (VITO, 2015). 5 van 15

6 Afvalwater is een colloïdaal mengsel van negatieve gestabiliseerde deeltjes die aanwezig zijn in het water. De negatieve gestabiliseerde deeltjes in het water zijn in het bezit van een ladingsdubbellaag, weergegeven in figuur 3. Rond de negatieve deeltjes circuleren er een aantal positief geladen andere deeltjes die weer omgeven zijn door een diffuse laag van negatief geladen deeltjes. Door deze verdeling van lading stoten de deeltjes elkaar af en blijven ze in oplossing. Door het inbrengen van sterk geladen deeltjes (de coagulant) wordt deze ladingsdubbellaag sterk verstoord en worden gestabiliseerde deeltjes gedestabiliseerd. De destabilisatie zorgt ervoor dat er vlokken ontstaan. Er kunnen flocculanten of vlokmiddelen worden toegevoegd om grotere vlokken te verkrijgen. Grote vlokken worden afgescheiden door bezinking (VITO, 2015). Figuur 3: Ladingsdubbellaag (KNAW/KNCV, 2001) Indien afvalwater behandeld wordt met coagulatiemiddelen, dan zijn de voorafgaandelijke labotesten, namelijk jartesten, vereist. Het doel van de coagulatie flocculatietesten is: 1) Het reduceren van opgeloste, gesuspendeerde, colloïdale en niet bezinkbare stoffen in het water, door middel van coagulatie flocculatie, gevolgd door een bezinkingsfase. 2) Het bepalen van de optimale werkomstandigheden, hoeveelheden en chemicaliën voor een zuivering Turbiditeitsmeter Tijdens het practicum wordt er gebruik gemaakt van een turbiditeitsmeter, meer bepaald HI98703, weergegeven in figuur 4. Een turbiditeitsmeter meet de turbiditeit of met andere woorden de troebelheid van een vloeistof. De HI98703 is ontworpen voor het meten van waterkwaliteit. 6 van 15

7 Figuur 4: Hanna instrument turbiditeitsmeter (Hanna Instruments, Inc., 2015 ) Voor gebruik moet het toestel eerst gekalibreerd worden zodat de meting van het onbekende staal betrouwbaar is. Het kalibreren gebeurt aan de hand van vier standaarden, hoe hoger de nefelometrische turbiditeitswaarde (NTU of Nephelometric Turbidity Unit), hoe minder helder de oplossing is. Voor het meten van de turbiditeit bestaan er heel veel soorten eenheden de NTU waarde is afkomstig van de manier waarop de turbiditeit gemeten wordt. De Nephelometrische meetprincipe is gebaseerd op het meten van het verstrooide licht met een golflengte van 860 nm onder een hoek van 90 C, dit is weergegeven in figuur 5. Figuur 5: Schematische voorstelling van de turbiditeitsmeter (Hanna Instruments, Inc., 2015 ) (Nederlands) Het licht dat uitgezonden wordt door een wolfraamlamp wordt door een lens en filter gefilterd. Het gefilterd licht gaat door de oplossing die in een cuvet aanwezig is. Een deel van het licht wordt door de oplossing verstrooid. Dit verstrooid licht, veroorzaakt door de partikels, wordt opgemeten door de detector die zich onder een hoek van 90 C bevindt ten opzichte van de lamp. Een ander deel van het licht wordt door de oplossing doorgelaten en wordt opgemeten door de detector die in lijn staat met de lamp. De NTU waarde wordt berekend op basis van de verhouding tussen de metingen van de detectoren (Fondriest Environmental Inc., 2015 ). 7 van 15

8 3. Practicum 3.1. Materiaal en reagentia Materiaal Chronometer Gegradueerde pipetten (5 10 ml) Maatbeker ( ml) Maatcilinder (200ml) ph meter Pipetteerballon Roerstaaf of roer magneetjes Turbidimeter Reagentia Gedestilleerd water IJzer(III)chlorideoplossing (FeCl3) (0,4%) Natriumhydroxideoplossing (NaOH) (0,1 M) Polyelektrolyt (1,0 g/l) Synthetisch waterstaal (kaolien, synthetisch waterstaal en methyloranje) Veiligheidsfiches zijn terug te vinden op de laatste pagina 3.2. Jar-test Ieder waterstaal is anders daarom moet je eerst testen bij welke concentratie en met welk coagulatiemiddel en /of polyelektrolyt je de beste coagulatie en vlokvorming verkrijgt Test 1. Polyelektrolytoplossing Meet de ph van het waterstaal (Dit kan klassikaal gemeten worden). Meet 200ml synthetisch waterstaal af in een maatcilinder. Breng de 200 ml waterstaal (synthetisch waterstaal) over in één maatbeker van 600ml. Voeg aan de maatbeker de aangewezen polyelektrolytoplossing toe volgens tabel 1. Na de toevoeging van de elektrolytoplossing onmiddellijk krachtig mixen gedurende 30 sec. Vervolgens traag roeren aanhouden tot je vlokvorming waarneemt. Laat de oplossing 10 minuten bezinken. Breng, na 10 minuten, 10ml supernatans (bovenste vloeistoflaag) over in een cuvet of proefbuis. Meet de turbiditeit en noteer je resultaat in tabel 1. 8 van 15

9 Tabel 1: Testoplossing met polyelektrolyt Beker Aantal ml polyelektrolyt stockoplossing Turbiditeit (NTU) 1 1 ml 114 (Waarden variëren) 2 2 ml ml 111 (De laagste waarde) 4 4 ml ml ml Test 2. FeCl3 oplossing Meet 200ml synthetisch waterstaal af in een maatcilinder. Breng de 200 ml waterstaal (synthetisch waterstaal) over in één maatbeker van 600ml. Voeg aan de maatbeker de aangewezen FeCl 3 oplossing toe volgens tabel 2. Na de toevoeging, van FeCl 3 oplossing, onmiddellijk krachtig mixen gedurende 30 seconden. Meet de ph en corrigeer de ph m.b.v. NaOH (0,1M) tot een ph van 7 à 8. Na het corrigeren van de ph onmiddellijk krachtig mixen gedurende 30 seconden. Vervolgens traag roeren aanhouden tot je vlokvorming waarneemt. Laat de oplossing 10 minuten bezinken. Breng, na 10 minuten, 10ml supernatans (bovenste vloeistoflaag) over in een cuvet of proefbuis. Meet de turbiditeit en noteer je resultaat in tabel 2. 9 van 15

10 Tabel 2: Testoplossing met FeCl 3 oplossing Beker Aantal ml FeCl 3 oplossing ph dosage FeCl 3 na ph na toevoegen NaOH oplossing Volume NaOH (0,1M) (ml) Turbiditeit (NTU) 1 1 ml ±6,45 ±8, ,5 2 2 ml ±6,10 ±9,24 2,25 5, ml ±5,43 ±8,12 2,75 4, ml ±3,67 ±7,99 3,5 4, ml ±3,10 ±8, , ml Afval: Gootsteen 10 van 15

11 4. Besluit Hoe komt het dat de vervuilende deeltjes neerslaan? De vervuilende deeltjes slaan neer uit de colloïdale oplossing omdat de colloïdale deeltjes gedestabiliseerd worden door de toevoeging van een coagulant (polyelektrolyt of ijzertrichloride). Een coagulant is een stof met een zeer sterke positieve lading. Door de positieve lading vlokken de negatieve vervuilende deeltjes samen en slaan ze neer. Welke oplossing heeft de laagste turbiditeit na toevoeging van polyelektrolyt? Beker: 3 (afhankelijk van startoplossing) Welk volume polyelektrolyt werd er aan de helderste oplossing toegevoegd? 3ml (afhankelijk van startoplossing) Wat is de concentratie van polyelektrolyt in het waterstaal? Vb. Toevoeging van 3 ml poly elektrolyt zorgt voor de meeste vlokvorming (NTU waarde is het laagst) C1*V1 = C2*V2 C1 = 1 g/l V1 = 0,003 l V2 = 0,203l C2 = (C1*V1)/V2 = (1*0,003)/0,203 = 0,015 g/l Stockoplossing Toevoeging Totaal Concentratie in totaal stockoplossing volume volume C1 (g/l) V1 (l) V2 (l) C2 (g/l) 1 0,001 0,201 0, ,002 0,202 0, ,003 0,203 0, ,004 0,204 0, ,005 0,205 0,0244 De concentratie van polyelektrolyt na toevoeging van 3ml is gelijk aan 0,015g/l. 11 van 15

12 Welke oplossing heeft de laagste turbiditeit na toevoeging van FeCl 3? Beker: 4 (afhankelijk van startoplossing) Welk volume FeCl 3 werd er aan de helderste oplossing toegevoegd? 4ml (afhankelijk van startoplossing) Wat is de concentratie van FeCl 3 in het waterstaal? Concentratie 0,4% FeCl 3, 0,4% = 100 =,, /,, /, /,, = 0,0247 mol/l Vb. Toevoeging van 4 ml FeCl 3 zorgt voor de meeste vlokvorming (NTU waarde is het laagst) C2 = 0,0005 mol/l Stockoplossing Toevoeging 0,4% FeCl3 Totaal volume Concentratie in totaal volume C1 (mol/l) V1 (l) V2 (l) C2 (mol/l) 0,0247 0,001 0,201 0,0001 0,0247 0,002 0,202 0,0002 0,0247 0,003 0,203 0,0004 0,0247 0,004 0,204 0,0005 0,0247 0,005 0,205 0,0006 Vul onderstaande figuur aan zonder te kijken in de werkbundel. 12 van 15

13 Bibliografie Aquafin NV. (2015). In een rioolwaterzuiveringsinstallatie. Retrieved juli 16, 2015, from Aquafin: BBT Kenniscentrum, E. v. (2001). Gids waterzuiveringstechnieken. Academia Press. De Watergroep Vlaamse Maatschappij voor Watervoorziening CVBA. (2011). Van oppervlaktewater tot drinkwater. Retrieved september 14, 2015, from EMIS. (2015). Flotatie door middel van lucht. Retrieved september 21, 2015, from door middel van lucht EUR Lex. (2015, juli 30). Water van goede kwaliteit in Europa (EU Richtlijn Water). Retrieved September 21, 2015, from lex.europa.eu/legalcontent/nl/txt/?uri=uriserv:l28002b Fondriest Environmental Inc.. (2015 ). Measuring Turbidity, TSS, and Water Clarity. Retrieved juli 16, 2015, from water quality/turbidity sensors meters and methods/ Hanna Instruments, Inc. (2015 ). Hanna instruments. Retrieved juli 16, 2015, from turbidity portablemeter.html?id=010002&prodcode=hi% KNAW/KNCV. (2001). Stabiliteit van colloïden. Retrieved April 13, 2015, from van colloiden Techno Ki(d)ts. (2010). Yumpu. Retrieved April 3, 2015, from technologie practica technokidts/21 VITO. (2012). Chloor. Retrieved september 21, 2015, from VITO. (2015). Energie en milieu informatiesysteem voor het Vlaamse Gewest. Retrieved April 2, 2015, from en flocculatie Vlaamse milieumaatschappij. (2013). MIRA. Retrieved April 3, 2015, from oppervlaktewater/ Vlaamse Milieumaatschappij. (2015). Drinkwaterbalans voor Vlaanderen Retrieved september 21, 2015, from voorvlaanderen 2014 Watergroep, D. (2015). De Watergroep: Water, vandaag en morgen. Retrieved April 3, 2015, from 13 van 15

14 Deze les wordt gesponsord door 14 van 15

15 IJzer(III)chloride (0 aq) FeCl 3 CAS WGK 1 Mr: 162,21 Mijn instelling Methyloranje CAS Gevaar H 301 Giftig bij inslikken. P NA INSLIKKEN: onmiddellijk een ANTIGIFCENTRUM/arts/ raadplegen. WGK 2 Mr: 327,34 Mijn instelling Kaoline CAS WGK 0 Mijn instelling Natriumhydroxide NaOH 0,1 mol/l CAS WGK 1 Mr: 40 Mijn instelling