Szukasz systemu uzdatniania wody? Sprawdź produkty dostępne w sklepie internetowym lub napisz do eksperta!


Choć o węglu organicznym nie mówi się tak często, jak o innych zanieczyszczeniach występujących w wodzie, jego redukcja z wody jest niezwykle ważna. Nie tylko w przypadku wody przeznaczonej na cele spożywcze, ale też do wykorzystania w różnych branżach przemysłowych. Czym właściwie jest węgiel organiczny i jak go usuwać z wody?

Węgiel organiczny (0W0/TOC) – czym jest?

Ogólny węgiel organiczny (OWO), czyli inaczej Total Organic Carbon (TOC) jest to parametr służący opisywaniu zanieczyszczeń organicznych (związków węgla). Zanieczyszczenia organiczne mogą pochodzić z bardzo różnych źródeł. To między innymi: cukry proste, dwucukry, ropa naftowa, PCW, pochodne tworzyw sztucznych, benzochinon, mocznik, oleje, smary, rozpuszczalniki organiczne. Substancje organiczne mogą pochodzić z wody zasilającej, na przykład w postaci zanieczyszczeń biologicznych. Niejednokrotnie bywają efektem złuszczania lub wymywania składników obecnych w systemach oczyszczania bądź dystrybucji wody. Powodem bytowania substancji organicznych w wodzie może być także występowanie biofilmu w zamkniętym obiegu wodnym.

Naturalne substancje organiczne mają spory wpływ na właściwości fizykochemiczne i organoleptyczne wody. Ich obecność w wodzie nie jest pożądana z licznych powodów. Za jeden z najważniejszych uznawane jest pogorszenie właściwości wody użytkowej (w przemyśle wody technicznej i technologicznej). Te związki mają wpływ na jej smak, barwę, zapach. Zakłócają procesy samooczyszczania wody oraz równowagę biologiczną. Najbardziej  niepokojący wydaje się być fakt, że naturalne substancje organiczne są prekursorami ubocznych produktów dezynfekcji. Do ich powstania dochodzi w wyniku utleniania związków organicznych przy obecności chloru lub ozonu.

Usuwanie naturalnych związków organicznych jest bardzo istotne do prawidłowego funkcjonowania procesów uzdatniania wody. Na przykład w przypadku filtracji na węglu aktywnym naturalne substancje organiczne mogą konkurować z innymi zanieczyszczeniami, doprowadzając tym samym do obniżenia efektów całego procesu. Ponadto związki organiczne blokują powierzchnię membran oraz żywic jonowymiennych, prowadząc do znaczącego spadku efektywności tych procesów.

Pochodzenie naturalnych substancji organicznych

Naturalne substancje organiczne pochodzą z mikrobiologicznego rozkładu cząsteczek pochodzenia roślinnego oraz zwierzęcego. Za wzrost materii organicznej odpowiada także biomasa martwych mikroorganizmów. Oprócz naturalnych źródeł pochodzenia substancji organicznych są jeszcze antropogeniczne. Związki mogą powstawać w wyniku przedostawania się do wody odpadów, ścieków gospodarczych oraz przemysłowych, chemikaliów medycznych, rolniczych, ubocznych produktów procesów przemysłowych.

Naturalne substancje organiczne są mieszanką związków o różnych właściwościach. Wielkocząsteczkowe substancje humusowe stanowią główną składową naturalnych substancji organicznych. Do pomiaru stężenia stosowane są różne metody, jednak zdecydowanie najczęstszą są pomiary stężeń ogólnego węgla organicznego. To pozwala na określenie wszystkich związków organicznych w wodzie.  Dane stanowią sumę zawartości rozpuszczonego węgla organicznego oraz występującego w formie zawieszonej.

Jeżeli wykryte wartości OWO będą zbyt wysokie, konsekwencją może być uszkodzenie generatorów pary i energii. W przypadku branży farmaceutycznej zanieczyszczenie partii produktów, ponadto mniejsza  wydajność produkcji elementów półprzewodnikowych i już wcześniej wspomniane spadki efektywności urządzeń uzdatniających wodę, działających w zakładach.

Pomiary OWO – gdzie są stosowane i do czego służą?

Pomiary OWO wykorzystywane są w różnych sektorach. Ogólnie rzecz ujmując są one ostrzeżeniem  przed możliwością wystąpienia awarii bądź problemów uniemożliwiających prawidłowe działanie konkretnych zakładów i przeprowadzanych w nich procesów. Oto przykłady:

  • Woda pitna dostarczana przez zakłady wodociągowe – jak już wspomniałem wcześniej, węgiel organiczny może reagować ze środkami chemicznymi, wykorzystywanymi podczas dezynfekcji wody. Po zetknięciu z chlorem mogą powstawać między innymi chloryny i bromiany. Te związki przejawiają działanie kancerogenne. Pomiar OWO jest potrzebny do oceny, czy warto usuwać węgiel organiczny tuż przed dezynfekcją. Niekiedy jest to niezbędne i znacznie minimalizuje ryzyko zagrożenia odbiorców pod tym kątem
  • Zakłady farmaceutyczne – woda jest niezbędnym surowcem w procesach wytwarzania wielu leków. Istotne jest utrzymanie najwyższych standardów higienicznych. Jakość wody jest normowana specjalnymi przepisami dla tej gałęzi. Określają one między innymi dopuszczalne stężenia węgla organicznego. Zbyt duża ilość mogłaby spowodować wzrost szkodliwych bakterii. Przyjęty limit ogólnego węgla organicznego wynosi 500 ppb C
  • Elektrownie – organiczny węgiel to jeden z potencjalnych związków, który może przyspieszać i powodować zachodzenie korozji, a przez to przyspieszać uszkodzenie drogiego sprzętu stosowanego w tego typu zakładach. Kontrola OWO pozwala więc na ograniczanie strat finansowych i wspomaga odpowiednie działanie urządzeń, wykorzystujących w swojej pracy wodę. Przy wytwarzaniu energii i pary można odwołać się do trzech dokumentów. Pierwszym z nich jest Polska Norma PN-EN 12952-12:2006, mówiąca o maksymalnym stężeniu 200 ppb. Kolejny to VGB – VGB-S-010-T-00;2011-12.EN wskazująca na maksymalne stężenie ogólnego węgla organicznego na poziomie 100 ppb. Podobne wskazania zostały zapisane w amerykańskim EPRI.
  • Półprzewodniki – woda wykorzystywana jest w procesach produkcji mikroprocesorów oraz układów scalonych. Potrzebna jest taka o najwyższej jakości, ultraczysta. Procesory i obwody stają się coraz mniejsze, a co za tym idzie, do jakości wody należy przykładać jeszcze większą wagę. Wszystko w celu zapobiegania uszkodzeniu tych małych układów. Maksymalna dopuszczalna ilość ogólnego węgla organicznego to < 1ppb C

Usuwanie ogólnego węgla organicznego

Usuwanie naturalnych substancji organicznych z wody (w tym między innymi: związki humusowe, białka, lipidy, węglowodany, barwniki roślinne) może zachodzić za pomocą: koagulacji, adsorpcji, utleniania chemicznego, procesów membranowych, procesów wymiany jonowej.

W procesie usuwania ogólnego węgla organicznego stosowany jest węgiel aktywny. Dzięki zastosowaniu tego rodzaju rozwiązania z wody usuwane są na przykład produkty uboczne utleniania chemicznego czy dezynfekcji, niektóre wirusy i zanieczyszczenia nieorganiczne. Najczęściej wykorzystywany jest węgiel aktywny w postaci ziarnistej bądź granulowanej. O skuteczności działania decyduje pojemność adsorpcyjna, wielkość powierzchni właściwej, wielkość i rozkład porów. Przeczytaj więcej: Węgiel aktywny, czyli adsorpcja doskonała

Stosowanie utleniania do usuwania związków organicznych ma na celu całkowitą mineralizację oraz wytworzenie dwutlenku węgla i wody. Związki organiczne praktycznie nigdy nie ulegają całkowitej mineralizacji, przez co przyczyniają się do wtórnego zanieczyszczania wód. Posiadają skomplikowaną budowę w związku z czym są trudniejsze do usuwania od związków nieorganicznych. Najchętniej do procesów utleniania wykorzystuje się chlor, dwutlenek chloru, nadtlenek wodoru, ozon – te utleniacze są uznawane za najlepszy sposób poprawy efektywności usuwania związków organicznych w dalszych procesach uzdatniania wody. W efekcie ich działania wielocząsteczkowe struktury związków organicznych rozpadają się na te o mniejszej masie, przez co są łatwiejsze w redukcji. Przebieg procesu utleniania warunkuje kilka czynników: rodzaj budowy i stężenia utlenianego składnika wody, rodzaj oraz dawka zastosowanego utleniacza, czas kontaktu, odczyn, temperatura, obecność innych zredukowanych zanieczyszczeń.

Do usuwania naturalnych związków organicznych można zastosować proces wymiany jonowej. Wynika to z faktu, że znaczna część makrocząsteczek organicznych ma charakter jonowy. W celu redukcji związków organicznych z wody wykorzystywane są żywice anionowymienne. Zastosowanie wymiany jonowej daje możliwość wykorzystania różnych mechanizmów separacji związków organicznych. Jeśli związki organiczne występują w postaci makroanionów, największą rolę odgrywa proces wymiany jonowej. Jest to podyktowane występowaniem oddziaływań elektrostatycznych pomiędzy grupami jonowymi żywicy i grupami funkcyjnymi makrocząsteczek. Jeśli jednak cząsteczki związków organicznych występują w formie niezdysocjowanej lub roztwór posiada dużą siłę jonową, efekt oczyszczania osiągany jest dzięki fizycznej sile adsorpcji żywicy jonowymiennej. Jest ona rezultatem  występowania sił van der Waalsa. Skuteczność oddziaływania wymiany jonowej na związki organiczne warunkuje: skład fizykochemiczny wody, budowa jonów, rodzaj i ilość grup funkcyjnych, odczyn pH, temperatura. Przeczytaj więcej: Przegląd technologii uzdatniania wody do przemysłu

Do usuwania naturalnych związków organicznych z wody stosowane są także procesy membranowe. Odpowiednia metoda jest dobierana na podstawie atrakcyjności ekonomicznej oraz możliwości technicznego wykonania. Dzięki zastosowaniu procesów membranowych roztwór może być oczyszczany, zatężany, frakcjonowany. Procesy membranowe są uznawane za dobre rozwiązanie, ponieważ nie powodują transformacji zanieczyszczeń i nie doprowadzają do wtórnego zanieczyszczenia wody. Więcej dowiesz się z artykułu: Przemysłowa odwrócona osmoza o dużych wydajnościach

Oczyszczanie wody z naturalnych związków organicznych zazwyczaj opiera się o połączenie kilku procesów uzdatniania wody zintegrowanych ze sobą. Jednym z częściej stosowanych rozwiązań jest zestawienie wymiany jonowej i procesów membranowych.