V A N N R E N S I N G Tilgang til rent vann gjennom kjemisk felling. Hva skulle vi gjort uten tilgang på rent drikkevann? Heldigvis tar naturen hånd om en stor del av vannrensingen og gir oss tilgang på grunnvann, men i befolkningstette områder er det ofte ikke tilstrekkelige mengder. Dermed må vi supplere med vann fra innsjøer og elver, og ofte er vannet forurenset og krever rensing før det kan tas i bruk. Et trinn i denne prosessen er kjemisk felling. De vanligste vannforurensningene er nedbrytningsprodukter fra planter og dyr (humus), leire og grus, avfallsprodukter fra samfunnet (for eksempel sprøytemiddel), og sykdomsfremkallende bakterier og virus. Partiklene som forurenser vannet er veldig små - ofte noen tusendels millimeter - og har ofte en negativt ladet overflate. Dermed blir det vanskelig å skille dem fra vannet, størrelsen gjør at de ikke synker til bunnen (sedimentere) av seg selv, mens overflateladningen gjør at de ikke kan klumpe seg sammen. Vi ønsker at forurensningene skal klumpe seg samme og synke til bunnen. Nøytralisasjon Kjemikaliene som brukes ved flokking kalles fellingskjemikalier/flokkuleringsmiddel. Saltene som brukes er positivt ladet, og jo høyere ladning jo bedre evne har saltet til å nøytralisere partiklenes negative overflate. Aluminiumioner, Al 3+, og treverdige jernioner, Fe 3+, er med sine høye ladninger spesielt godt egnet. Når en elektrisk nøytralisasjon har skjedd kan andre krefter begynne å virke mellom partiklene (van der Waals eller London-krefter) slik at forurensningene skal klumpe seg sammen til større partikler og synke til bunnen.
Figur 1. De negative overflateladningene på partiklene får de til å frastøte hverandre. Aluminiumsionene nøytraliserer overflateladningene mens van der Waals krefter gjør at partiklene pakker seg sammen. For å få et så bra drikkevann som mulig må vi være i stand til å måle og kontrollere hvilke ioner og kjemiske forurensninger som fins i vannet. Vannets egenskaper bestemmes av en kombinasjon av de stoffene som er løst. De egenskapene man ser på er: Hardhet - krever mer såpe for å skumme og bestemmes av mengden Mg 2+ og Ca 2+ tilstede. ph - et mål på hvor surt eller basiskt vannet er. Turbiditet - et mål på hvor grumsete vannet er. Ledningsevne - sier noe om hvor mye ioner vannet inneholder. Figur 2. De ulike rensetrinnene som brukes i vannrensing.
Større partikler renses bort når vannet passer et rensegitter (sil). Deretter gjøres en alkalisering for å gi vannet best mulig ph-verdi før den kjemiske rensingen med flokkuleringsmiddel. Hvilket middel som brukes bestemmes av vanntypen, og man kan oppnå et veldig bra resultat. Når den kjemiske reaksjonen har skjedd og flokkene sedimenteres skjer det en avskilling. Det vil fortsatt være en liten mengde partikler igjen i vannet og vannet sendes derfor gjennom et raskt sandfilter. Vannet blir igjen alkalisert og deretter klorert for å beskytte korrosjon i vannledningene og forhindre bakterievekst. Det er viktig at drikkevannet ikke lukter eller smaker dårlig og renseprosessen komplementeres derfor med en langsomt sandfilter. Et aktivt kullfilter, som også minsker vannets innhold av miljøgifter kan også brukes. Aluminiumsulfat Aluminiumsulfat brukes for å tilsette de aluminiumionene som nøytraliserer de negative ladningene på partiklene. Calsiumoksid tilsettes slik at flokker av aluminiumshydroksid rengjør vannet gjennom koagulering. Aluminiumsulfat er et salt som forekommer naturlig som mineral, men kan også framstilles ved at leire og andre jordtyper behandles med svovelsyre. Aluminiumioner vil hydratiseres til Al(H 2 O) 6 3+ i vann. Den høye positive ladningen hos sentralatomet støter bort Tabell 1. Ulike former av aluminiumshydroksidkomplekser ved forskjellige ph verdier. hydrogenatomene i vannet slik at en protolyse kan skje Aluminiumioner i løsning gir en sur reaksjon. Aluminiumionene komplekseres let med hydroksidioner i løsning, og den enkleste varianten er Al(OH) 3 som er tungtløselig i vann. Et varierende antall hydroksidioner kan bindes til sentralatomet, alt avhengig av løsningens ph. Fordelingen av de ulike formene som funksjon av ph er gitt i Tabell 1.
Figur 3. Av diagrammet over ser det ut til at ph 6.3 er optimalt for at Al(OH) 3 (s) skal felle ut. Vannrensing med aluminiumhydroksid Kalsiumoksid reagerer med vann til kalsiumhydroksid: Siden løseligheten av kalsiumoksid er liten vil det meste bli liggende på bunnen. I likevekten mellom fast kalsiumoksid og vann dannes det med tiden en mettet løsning av Ca(OH) 2 (aq). Når man heller denne løsningen ned i det forurensede vannet blir det basisk, og dette gjør at lakmuspapiret blir blått. Når Al 3+ -ioner tilsettes vil disse reagere med hydroksidionene og et fast geléaktig aluminiumhydroksid dannes: Dette stoffet vil synke til bunnen og tar på veien med seg de løste partiklene og gir rent vann. Prosessen er veldig vanlig å bruke i vannrenseverk. Vannrensing med aktivt kull Når aktivt kull brukes kommer alle molekyler som er større enn vann til å absorberes på overflaten til kullet. Det aktive kullet har blitt varmet opp til over 900 C, og gjort at alle urenheter har forsvunnet. Kullet har også mange hulrom om gir en veldig stor overflate (>500 m 2 /g) og øker absorberingsevnen. Rensing med aktivt kull har den fordelen at det kan fjerne løst organisk materiale og ikke bare partikler.
Vannkjemiforsøk Utstyr: Begerglass/erlendmeyerkolbe, büchnertrakt, sandfilter, 50ml sprøyte og bomull. Kjemikalier: aktivkull, 7 % eddik, 0.1 M Al 2 (SO 4 ) 3 og mettet CaO løsning. 1. Fyll ett begerglass på 500 ml med 400ml vann 2. Tilsett en klype/spiseskjed jord i begeret og rør godt. Vannet skal være farget brun av jorden. 3. Filtrer vesken gjennom en Büchnertrakt uten filterpapir 4. Mål ut 50 ml CaO løsning og tilsett dette til begerglasset med den filtrerte væsken og rør om. 5. Sjekk løsningen med rødt lakmuspapir, papiret skal nå bli blått. Hvis løsningen ikke er basisk tilsettes litt mer CaO. 6. Mål opp 50 ml alunløsning (Al 2 (SO 4 ) 3 ), og tilsett dette gradvis i løsningen under forsiktig røring til en hvit gele dannes. 7. Følg med på løsningen i noen minutter og se hva som skjer. Rensing med raskt sandfilter 1. Hell ca 100 ml av den klare vannløsningen gjennom et raskt sandfilter i en Büchnertrakt for å fjerne rester av små partikler. 2. Hell vannet tilbake i et rent begerglass, vannløsningen skal være klar og uten partikler. Filtrering med aktiv kull 1. Sjekk ph på løsningen med lakmuspapir. 2. Tilsett 1,5 ml 7% eddik til de 100 ml med klart vann. Sjekk ph på løsningen etter at eddik ble tilsatt. 3. Lag en kolonne med aktivt kull: Bruk en 50 ml sprøyte. Fyll litt bomull i bunnen slik at aktivt kull ikke renner gjennom. Fyll aktivt kull opp til 30 ml, og legg så litt bomull på toppen. 4. Filtrer eddikvannet gjennom sprøyta med kullfilteret. 5. Filtrer løsningen en gang til gjennom sprøyta (to ganger totalt), og husk å bytte kullet mellom filtreringene. 6. Samle opp vannløsningen i et rent begerglass og mål ph med lakmuspapir, se om det er endring. Lukt også på løsningen om du kan lukte eddik.
Forklaring Store partikler sedimenterer av seg selv på grunn av tyngden sin, mens finere partikler kan forbli svevende i vannet i lang tid. Disse må derfor renses bort på en annen måte, og det er vanlig å gjøre dette kjemisk. Når aluminiumionene i alunløsningen reagerer med kalisumoksidløsningen dannes en geléaktig felling av aluminiumhydroksid. Utfelt aluminiumhydroksid synker til bunnen og tar samtidig med seg skitpartikler i vannet. Denne prosessen fjerner både små jordpartikler og bakterier. At det virkelig finnes hydroksidioner i CaO-løsningen, det vil si at den er basisk, påvises ved at lakmuspapiret blir blått. Når det renses med aktivt kull vil alle partiklene som er større enn vann feste seg på overflaten til kullet, og vannet vil bli renset for eddikmolekyler (slutter å lukte eddik).