Wpływ twardości wody na usuwanie związków humusowych metodą ultradźwiękową

• Autorzy: Stępniak I.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2017.4.5

Warianty tytułu

EN

Impact of water hardness on humic compounds removal by ultrasonic method

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Badania miały na celu określenie wpływu twardości wody na skuteczność usuwania związków humusowych metodą ultradźwiękową. Problem ten rozpatrywano w kontekście możliwości wykorzystania ultradźwięków do oczyszczania wód zawierających badane naturalne domieszki organiczne, które komplikują procesy uzdatniania wody. Roztwór substancji humusowych (SH) o stężeniu 10 mg/l sporządzono z preparatu soli sodowej kwasów humusowych. Roztwory przygotowano na bazie wody o różnych stopniach twardości. Do sonifikacji badanych próbek wykorzystano dezintegrator ultradźwiękowy VCX 750 częstotliwości 20 kHz i mocy 750 W. Do oceny wpływu procesów mechanicznych i sonochemicznych na usuwanie SH z wody o różnej twardości badano zmiany zawartości rozpuszczonego węgla organicznego (RWO). Na podstawie przeprowadzonych badań potwierdzono istotny wpływ twardości wody na skuteczność usuwania substancji humusowych metodą ultradźwiękową. Wykazano także wpływ amplitudy drgań i czasu nadźwiękawiania decydujących o gęstości energii wprowadzonej do badanego ośrodka. Ponad 60% skuteczności procesu notowano w próbkach wody o średniej twardości i twardej. Najkorzystniejszy efekt usuwania SH stwierdzono dla wody twardej i wynosił on 65% (t = 1 min, A = 20 μm). Zwrócono uwagę na wodę bardzo twardą alkaliczną, w której SH są zdysocjowane, a kationy Ca2⁺ inhibitują powstawanie rodników. W tym przypadku badany proces był mniej skuteczny. Maksymalne parametry stosowanego pola ultradźwiękowego zasadniczo nie zwiększały efektów obniżenia RWO.

EN

The research aimed to determine the effect of water hardness on the efficiency of removing humic compounds by ultrasound method. This problem was considered in the context of the possibility of using ultrasounds for the treatment of waters containing the tested natural organic admixtures, which complicate water treatment processes. A solution of 10 mg/L humic substances (SH) was prepared from a sodium humic acid formulation. The solutions were prepared on the basis of deionized water, at five degrees of water hardness. The ultrasonic disintegrator VCX 750 with a frequency of 20 kHz and power of 750 W was used for sonification of the examined samples. The following ultrasonic parameters were used: sonication time of 1,5 and 10 minutes, vibration amplitude 20, 70 and 115 μm. The intensity of the ultrasonic field was sufficient to evoke the impact wave and form cavitation bubbles in the solution. Under these conditions, sonochemical oxidation processes occur, including the generation of free radicals responsible for reactions with high oxidation potential. The energy density determining the dose of ultrasound was from 5.9 to 509 kJ/L, depending on the ultrasonic parameters. To assess the impact of mechanical and chemical processes on SH removal from the water of different hardness, changes in the content of dissolved organic carbon (DOC) were studied. Based on the conducted tests, significant influence of water hardness on the effectiveness of removing humic substances by ultrasound was confirmed. Attention is paid to very hard alkaline water in which SH is dissociated, and Ca2⁺ cations inhibit radical formation. In this case, the sonochemical oxidation in the radical reactions was not intense. The influence of the vibration amplitude and the time of sonication decisive for the energy density introduced into the tested medium was also shown. Over 60% of the effectiveness of the process was recorded in samples of medium hard and hard water. The most favorable SH removal effect was found for hard water and it was 65% (t = 1min, A = 20 μm). In very hard water the process was less effective. The maximum parameters of the applied ultrasonic field did not substantially increase the effects of DOC reduction.

Słowa kluczowe

PL

ultradźwięki; uzdatnianie wody; substancje humusowe

EN

ultrasounds; water treatment; humic substances

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 20, nr 4
• Strony: 497--508
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., wykr.

Twórcy

autor

Stępniak I.

• Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Brzeźnicka 60A, 42-200 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Urbanowska A., Kabsch-Korbutowicz M., Naturalne związki organiczne w wodach i metody ich usuwania, Instal 2012, 6, 44-49.
• [2] Krupińska I., Problemy związane z występowaniem substancji humusowych w wodach podziemnych, Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Zielonogórskiego Inżynieria Środowiska 148, 2012, nr 28, 55-72.
• [3] Nowacka A., Włodarczyk-Makuła M., Sperczyńska E., Turek A., Zmiany stężenia ogólnego węgla organicznego w wodzie podczas procesów uzdatniania, Technologia Wody 2013, 1, 14-23.
• [4] Mołczan M., Biłyk A., Usuwanie substancji organicznych z wody w procesach wymiany jonowej, koagulacji i adsorpcji, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2006, 9, 2, 185-195.
• [5] Majewska-Nowak K., Kawiecka-Skowron J., Kabsch-Korbutowicz M., Urbanowska A., Skuteczność usuwania naturalnych i antropogenicznych barwnych substancji organicznych w procesie ultrafiltracji na membranach ceramicznych, Ochrona Środowiska 2010, 32, 4, 11-14.
• [6] Świderska R., Anielak A.M., Koagulacja wód powierzchniowych z udziałem substancji wspomagających, Rocznik Ochrony Środowiska 2004, 6, 139-158.
• [7] Yan W., Bao-You G., Xiu-Ming X., Wei-Ying X., The effect of total hardness and ionic strength on the coagulation performance and kinetics of aluminium salts to remove humic acid, Chemical Engineering Journal 2010, 160, 150-156.
• [8] Mason T.J., Joyce E., Phull S.S., Lorimer J.P., Potential uses of ultrasound in the biological decontamination of water, Ultrasonics Sonochemistry 2003, 10, 319-323.
• [9] Chemat F., Teunissen P.G.M., Chemat S., Bartel P.V., Sono-oxidation treatment of humic substances in drinking water, Ultrasonics Sonochemistry 2001, 8, 247-250.
• [10] Naddeo V., Belgiorno V., Napoli R., Behaviour of natural organic matter during ultrasonic irradiation, Desalination 2007, 210, 175-182.
• [11] Stepniak L., Kępa U., Stanczyk-Mazanek E., Influence of a high-intensity field on the removal of natural organic compounds from water, Desalination and Water Treatment 2009, 5, 29-33.
• [12] Mason T.J., Sonochemistry and sonoprocessing: the link, the trends and (probably) the future, Ultrasonics Sonochemistry 2003,10, 175-179.
• [13] Breitbach M., Bathen D., Influence of ultrasound on adsorption process, Ultrasonics Sonochemistry 2001, 8, 277-283.
• [14] Olesiak P., Stępniak L., Wpływ twardości wody i pH roztworów na efektywność sonosorpcji substancji humusowych na węglu aktywnym, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2013, 16, 3, 405-415.
• [15] Jiang Y., Petrier C., Waite T.D., Effect of pH on the ultrasonic degradation of ionic aromatic compounds in aqueous solution, Ultrasonics Sonochemistry 2002, 9, 163-168.
• [16] Stępniak L., Zastosowanie pola ultradźwiękowego do wspomagania procesu koagulacji w uzdatnianiu wody, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2006.
• [17] Mahvi A.H., Maleki A., Rezaee R., Safari M., Reduction of humic substances in water by application of ultrasound waves and ultraviolet irradiation, Iranian Journal of Environmental Health Science & Engineering 2009, 6, 4, 233-240.
• [18] Doosti M.R., Kargar R.,Sayadi M.H., Water treatment using ultrasonic assistance: A review, Proceedings of the International Academy of Ecology and Environmental Sciences 2012, 2(2), 96-110.
• [19] Kim I.K., Jung O.J., Sonochemical decomposition of humic substances in wastewater effluent, Bull. Korean Chem. Soc. 2001, 22, 10-16.
• [20] Goskonda S., Catalo J., Junk T., Sonochemical degradation of aromatic organic pollutants, Waste Management 2002, 22(3), 351-356.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).