Környezettechnika eljárásai gyakorlat

Átírás

1 Moduláris korszerű szakmai gyakorlatok környezetvédelmi területre Környezettechnika eljárásai gyakorlat II/14. évfolyam tanulói jegyzet A TISZK rendszer továbbfejlesztése Petrik TISZK TÁMOP /1-2F A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

2 Moduláris korszerű szakmai gyakorlatok környezetvédelmi területre Környezettechnika eljárásai gyakorlat TÁMOP /1-2F környezettechnika eljárásai gyakorlat II/14. évfolyam tanulói jegyzet

3 A kiadvány a TÁMOP /1-2F azonosító számú projekt keretében jelenik meg. Szerző: Mitykó János Lektor: Molnár Ferenc Borító és tipográfia: Új Magyarország Fejlesztési Terv Arculati kézikönyv alapján A mű egésze vagy annak részletei az üzletszerű felhasználás eseteit ide nem értve oktatási és tudományos célra korlátozás nélkül, szabadon felhasználhatók. A tananyagfejlesztés módszertani irányítása: Observans Kft. Budapest, Igazgató: Bertalan Tamás Tördelés: Király és Társai Kkt. Cégvezető: Király Ildikó

4 Tartalomjegyzék Bevezetés...7 Ülepítés...9 Hőmérséklet A hőmérséklet mérése...10 Hőmérsékleti skálák...12 Sűrűség Sűrűségmérés...13 Viszkozitás A viszkozitás mértékegységei...14 Viszkozitás mérése...14 Felhajtóerő Mintapélda...16 Közegellenállás Ülepítők vizsgálata Ülepítő típusok...19 Ülepítők jellemzői, méretezése...19 Foszfor eltávolítása szennyvizekből...20 Ortofoszfát formájú foszfor eltávolítása...20 Foszfáttartalom mérése fotométerrel...21 A témakörrel kapcsolatos fogalmak és kifejezések...22 Gyakorlatok gyakorlat Gyakorló feladat gyakorlat Gyakorló feladat gyakorlat Gyakorló feladat gyakorlat Gyakorló feladat gyakorlat Ülepítési próba lipcsei típusú ülepítővel gyakorlat Foszforeltávolítás ivóvíztisztítás...34 Vízhozam mérése...34 Feladatok...35 Gázok kihajtása...36 Gázok a vízben...36 Abszorpció...37 A vizsgált gáz koncentrációjának mérése...37 Feladatok...38 Derítés Kolloid rendszerek...39 Derítés...40 PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

5 Derítési próba...40 Flokkteszter...40 Arzénmentesítés Szűrés...42 Szűrési sebesség...42 Állandó szintű gyorsszűrő...43 Feladatok...43 Vas- és mangántalanítás...44 Gyakorlatok gyakorlat Gyakorló feladat gyakorlat Mélységi víz szabad szén-dioxid tartalmának eltávolítása, mérése gyakorlat Felszíni víz derítése gyakorlat Arzénmentesítés derítéssel gyakorlat Gyakorló feladat gyakorlat Ivóvíz vasmentesítése levegőztetéssel és szűréssel...57 Ivóvíz vasion tartalmának meghatározása...59 A témakörrel kapcsolatos fogalmak és kifejezések...60 szennyvíztisztítás...62 Szennyvizek fizikai, kémiai, biológiai jellemzői...62 Természetes szennyvíztisztítás...63 Szennyvizek tisztításának mechanikus módszerei, műtárgyai (I. fokozat)...63 Biológiai szennyvíztisztítás (II. fokozat)...64 Eleveniszapos szennyvíztisztítás...64 Csepegtetőtestes szennyvíztisztítás...64 Utólagos biológiai tisztítás...65 Iszapkezelés...65 elválasztó műveletek Extrakció Szilárd-folyadék extrakció és berendezései...67 Folyadék-folyadék extrakció és berendezései...69 Bepárlás. Desztilláció...70 Rektifikálás...71 Vízgőz-desztilláció környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

6 gyakorlatok gyakorlat Kioldás talajmintából gyakorlat SZOE meghatározása talajvízből gyakorlat Oldószer visszanyerése extraktumból gyakorlat Növények illóolajtartalmának meghatározása...77 felúsztatás, flotálás...78 A felúsztatás...78 Flotálás...79 Centrifugális erőtér...79 Gyakorlatok gyakorlat Gyakorló feladat gyakorlat Gyakorló feladat Vízlágyítás...86 Csapadékos vízlágyítás...86 Ioncsere...87 Kation cserélő műgyanta...87 Az anion cserélő műgyanta...88 A víz lágyítása...88 Gyakorlatok gyakorlat Csapadékos vízlágyítás gyakorlat Vízlágyítás ioncserélővel gyakorlat Ioncserélő regenerálása...93 Függelék...95 Ellenőrző adatok a viszkozitásmérési gyakorlatokhoz...95 PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

7

8 Bevezetés A környezettechnikai eljárások gyakorlaton végre azt fogjuk tenni, amire a környezettechnika való. Az eddig elsajátított elméleti ismereteknek sem az volt az egyetlen és fő funkciója, hogy tudományos adatbázisunkat növelje, hanem azokat a gyakorlatban hasznosítanunk kell. Meg kell találnunk annak a módját, hogy az általunk, emberek(?) által a környezetbe kijuttatott szennyezőanyagok mennyiségét csökkentsük! Ezzel a tananyagcsomaggal szeretnénk hozzájárulni ahhoz, hogy az itt található ismeretek felhasználásával, a gyakran játékos formában elvégzett gyakorlatokon keresztül a következő szakképzési célok teljesüljenek: Tudjon megbízhatóan, precízen dolgozni, kialakuljon a munkához szükséges kézügyessége. Szakszerűen tudja használni a munkájához szükséges mérőeszközöket. Képes legyen átlátni a fizikai törvényszerűségeket, a logikus következtetésekre. Fejlődjön a problémamegoldó képessége Tudjon a mintafeladatok alapján önállóan, hasonló ismeretekre épülő feladatot megoldani. Képes legyen módszeres munkavégzésre, meg tudja tervezni munkáját. Ismerje a fizikai műveletek és kémiai eljárások berendezéseit. Tudjon fizikai és kémiai eljárásokhoz kapcsolódó méréseket végezni a környezettechnikai mérőszobában. Képes legyen az üzemlátogatáson szerzett tapasztalatait alkalmazni a képzés irányának megfelelő munkahelyen. A fenti ikonnal a későbbiekben is találkozhat, amikor egy-egy konkrét témakörrel kapcsolatos célokat fogalmazunk meg. További ikonok is meg fognak azonban jelenni. Mindegyik a tanulás, az eligazodás és a megértés megkönnyítését igyekszik szolgálni. Ilyenek: A kiemelten fontos szabályok, összefüggések, következtetések kerülnek ide. Olyan példák, amelyek szemléletessé tehetik az egyes ismereteket, problémákat. Tanulást megkönnyítő ötleteket és kérdéseket tartalmaz. Ahhoz, hogy a célok megvalósuljanak, sajnos követelményeket is kell állítani, és teljesíteni. Egyik ilyen követelmény a gyakorlatok dokumentálása, amely elősegíti többek között a mérési módszerek, az összefüggések későbbi előkeresését, felidézését. A dokumentálást jegyzőkönyvben kell teljesíteni. A nagy alakú füzetben elkészített jegyzőkönyv formai és tartalmi előírása: PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

9 Sorszám Gyakorlat címe 1. mérés elve 2. munka menete 3. szükséges anyagok, eszközök 4. munkavédelem Dátum 5. rajz, diagram 6. számítások 7. eredmény 8. következtetés 9. javaslat A kinyitott füzet bal oldala jobb oldala A tananyagcsomag akkor érte el célját, ha teljesítése után képes lesz a következő feladatok elvégzésére: Eljárások Ülepítés, szűrés, centrifugálás Abszorpció, deszorpció, sztripping Derítés, flotálás Desztillálás, bepárlás, extrahálás Vas-, mangán- és foszfor eltávolítás Csapadékos és ioncserés vízlágyítás Mérések, vizsgálatok, számítások Hőmérséklet, sűrűség, viszkozitás, ülepedési sebesség Mohlman-index, víztartalom, hatásfok, Szabad CO 2 -tartalom Vas- és foszfáttartalom Vízkeménység, ph Gyantakapacitás 8 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

10 Ülepítés Az ülepedés egy természetes, mozgással járó folyamat, amely durva diszperz rendszerekben (mint a szuszpenziók és emulziók) önként végbemegy. A mozgásokat a következő törvényszerűségek irányítják és jellemzik: a 0,01 mm-nél nagyobb szemcsék a vízben, ha annál nagyobb sűrűségűek, akkor ülepednek, ha kisebb sűrűségűek, akkor felúsznak; a mozgásuk kezdetben gyorsuló, majd állandó sebességű; a szemcse mozgása, mint minden fizikai testé a ráható erők eredőjétől függ. Az ülepedés sebessége függ: az ülepedő szemcsére ható gravitációs erőtől (g), a szilárd anyag és a folyadék sűrűség-különbségétől (ρ ρ ), sz f a folyadék viszkozitásától (ami viszont hőmérsékletfüggő) (η), valamint a szemcse átmérőjétől (d). Gömb alakú szemcsék esetében a Stokes-törvény jó közelítéssel adja meg az ülepedési sebességet: Az ülepedéshez szükséges idő tehát a körülményektől függ. Amennyiben időt akarunk nyerni, és meg akarjuk gyorsítani a folyamatot, akkor meg kell vizsgálnunk a körülményeket. Mérnünk kell a paramétereket, fel kell ismernünk a törvényszerűségeket. Ebben a témakörben el szeretnénk érni, hogy az itt található információk segítségével a gyakorlatok elvégzése és értékelése után: 1. Ismerje a mérési elveket, a mérési technikákat és mérőeszközöket. 2. Tudjon mérni hőmérsékletet, sűrűséget, időt, viszkozitást sebességet. 3. El tudja magyarázni a leggyakoribb ülepítők működési elvét. 4. Képes legyen ülepítőt kezelni, hatásosságát jó irányba befolyásolni. 5. Képes legyen az ülepítőt jellemző tulajdonságok mérésére, számítására: ülepedési sebesség, Imhoff-index, iszap víztartalma, Mohlman-index, ülepítés hatásfoka. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

11 Hőmérséklet A hőmérséklet az anyagok egyik fizikai jellemzője. Az anyagot felépítő részecskék mozgási energiájával kapcsolatos mennyiség, amely azonban nem additív. Ez azt jelenti, hogy ha két különböző hőmérsékletű rendszert egyesítünk, akkor a hőmérsékletek nem összeadódnak, hanem kiegyenlítődnek, vagyis az új érték a két hőmérséklet súlyozott átlaga lesz. Két különböző hőmérsékletű tárgy között megindul a hő átadása, amely a kiegyenlítődés irányába hat. (Télen amikor majd lefagy az ujjunk, akkor a hideg víz is kellemesen langyosnak tűnik.) Ugyanez történik akkor is, ha egy rendszeren belül a hőmérséklet eloszlása nem homogén. A folyamat, önként lejátszódik és kiegyenlítődéshez vezet. A hőmérséklet tehát olyan állapotjelző, amely megszabja a hőáramlás irányát. A hő kizárólag a nagyobb hőmérsékletű helyről a kisebb hőmérsékletű irányába áramlik. Ha meg akarjuk fordítani ezt a folyamatot, akkor nagy mennyiségű munkát kell végeznünk. A hűtés mindig többe kerül, mint a fűtés. Ez alól kivételt képeznek a hőszivattyús rendszerek, amelyeknél a hűtésnél keletkező hőt máshol hasznosítani tudják. A hőmérséklet mérése A hőmérsékletet tapintással való hőérzékeléssel észleljük, vagy hőmérővel mérjük. Hőmérséklet mérésére, vagyis hőmérőként használható minden olyan fizikai jelenség, vagy tulajdonság, amely láthatóan, illetve kimutathatóan változik a hőmérséklet változásakor. Ilyen jelenségek vagy tulajdonságok pl. a hőtágulás, relatív sűrűség, az elektromos vezetőképesség (vagy ellenállás), termoelektromosság, anyag színe, olvadáspontja, forráspontja stb. Bármivel is végezzük azonban a mérést arról nem szabad megfeledkeznünk, hogy a hőmérő mindig saját anyagának hőmérsékletét mutatja! A mérendő környezetbe helyezve időre van szükség ahhoz, hogy annak hőmérsékletét felvegye. Ehhez annál több időre van szükség, minél nagyobb a hőkapacitása: C = c m, ahol c a fajhő, m pedig a tömeg. A hőmérő és a mérendő rendszer között tehát termikus egyensúlynak kell beállni. Az egyensúly úgy áll be, hogy hő áramlik a kettő között mindaddig, amíg azonos hőmérsékletűek nem lesznek. A mérésnél használt anyag hőmérséklete tehát megváltozik, és ennek következtében annak valamilyen fizikai tulajdonsága pl. térfogata is megváltozik. Mit gondol, mi lehet az a szó, amely a két alábbi kérdésre egyaránt helyes indoklást adna? 1. Miért nem szabad a benzines kannát teljesen tele, csurig tölteni? 2. Miért melegítik meg a vasabroncsot, mielőtt a hordóra húzzák? 10 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

12 Hőmérési elvek Hőmérő típusa Elve Alkalmazhatósága Előnye, hátránya Folyadéktöltésű Termoelem Gáztöltésű Higany Állandó nyomáson a térfogat változása, vagy állandó térfogaton a nyomás változása. A folyadék térfogatváltozása a hőmérséklet függvényében. Héliumtöltésű hőmérővel 270 C-ig lehet mérni. Nagy pontosságúak, kalibrálásra is használhatók. 39 C-tól +300 Cig, ha légritka tér van a higany felett. Nitrogénnel, vagy szén-dioxiddal töltött kapilláris esetében akár 700 C-ig is. Nagy helyet foglalnak, ezért csak laboratóriumokban használják. Hirtelen bekövetkező nagy hőmérsékletkülönbség az üvegből készült kapilláris térfogatában csak lassan múló változást idéz elő. Borszesz 60 C-tól +80 C-ig Hűléskor a belekevert színező anyag Akár 200 C-ig kiválhat, ilyenkor Pentán 1 2 C-kal többet mutathat. Bimetall Réz-konstantán Vas-konstantán Nikkel-krómnikkel Platina-platinaródium Ellenállás hőmérők Két különböző hőtágulású fém egymásra hengerelve a hőmérséklet változásakor különböző mértékben mozdul el, így a kettő együtt görbül (vagy egyenesedik). Seebeck-effektus: ha két összehegesztett, különböző fémből (ötvözetből) álló vezeték másik vége a hegesztési ponttól eltérő hőmérsékletű, akkor közöttük feszültségkülönbség mérhető. A fémek ellenállása a hőmérséklettel változik. Hőszabályozókban (az elmozduló fém megszakítja, vagy zárja az áramkört). Meteorológiában a hőmérséklet regisztrálására Csak ott használhatók, ahol elegendő az 1%-os mérési pontosság! 200 és +600 C Ha a termoelemet 200 C C folyamatosan magas hőmérsékleten 0 C-tól C-ig tartjuk, akkor idővel 1700 C-ig a termofeszültség csökken, a termoelem öregszik Vegyipari készülékekben is alkalmazhatók. Aránylag nagy a hőtehetetlenségük, de távmérésre alkalmasak. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

13 Hőmérő típusa Elve Alkalmazhatósága Előnye, hátránya Termisztorok Seger-gúla Folyadékkristályok Szintén az ellenállás változásán alapszanak, de itt félvezetőket használnak. Szinte mindenhol alkalmazhatók. Nehézfém-oxid kerámiákból készülnek. Attól függően, hogy az ellenállásuk a hőmérséklet növelésekor milyen irányba változik vannak: negatív hőmérsékleti együtthatójú ellenállások (NTK-ellenállások), és pozitív hőmérsékleti együtthatójú ellenállások (PTK-ellenállások). Legalább három egymástól 20 C-kal eltérő olvadáspontú anyagokat helyeznek el a mérendő hőmérsékletű térben. A felfűtés mértékét abból lehet látni, ahogy a gúlák sorban összerogynak. Változtatják a színüket. Főleg kerámiák kiégetésénél használják a kemence hőmérsékletének mérésére. Általában 1300 és 1500 C között használják. A gyakorlaton használt higanyos hőmérővel való hőmérsékletméréskor hibát követhetünk el, ha: 1. a leolvasáskor a meniszkusz nincs szemmagasságban. Ezt nevezzük parallaxis hibának; 2. a mérőeszköz nem merül be teljesen a mérendő térbe, mert akkor a hőmérő saját hőmérséklete nem egyezik a mérendő hőmérséklettel. Hőmérsékleti skálák Előnyük, hogy rendkívül pontosak. A gyors hőváltozást is követni tudják. Előnye, hogy a teljes átmelegedéséhez és a testben lejátszódó folyamatokhoz idő kell. Így a megolvadása, összeomlása a kiégetendő kerámia állapotára is utal. Egyes anyagok, 2 3 C hőmérséklet-változásra a teljes színskálán keresztül változtatják a színüket, másoknál ehhez C hőmérséklet-változás kell. 1. Kelvin (K): óta az SI alapegysége. 1 K hőmérsékletkülönbség az abszolút nulla fok és a víz hármasponti hőmérséklete közötti rész 1/273,16 része. 2. Celsius fok ( C): az SI által elfogadott hőmérséklet egység. Hőmérsékletkülönbség esetén 1 C = 1 K, de a jég olvadáspontja, azaz 0 C = 273,15 K 3. Fahrenheit fok ( F): az SI által megtűrt hőmérsékleti egység. Angol nyelvterületeken használt. A jég olvadáspontja: 32 F, a víz forráspontja: 212 F 4. Réaumur fok ( R): az SI által megtűrt hőmérsékleti egység. Francia és olasz nyelvterületeken használt. A jég olvadáspontja: 0 R, a víz forráspontja: 80 R Átszámításuk hőmérsékletkülönbség esetén: 1 K = 1 C = 1,8 F = 0,8 R 12 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

14 Más esetben K C F R K C+273,15 ( F+459,67)/1,8 ( R+218,52)/0,8 C K 273,15 ( F 32)/1,8 R/0,8 F K 1,8 459,67 C 1,8+32 ( R/0,444 )+32 R K 0,8 218,52 C 0,8 ( F 32) 0,444 Sűrűség Sűrűségnek nevezzük az egységnyi térfogatban lévő anyag tömegét. SI mértékegysége a kg/m 3, de használható többek között a g/cm 3 = kg/dm 3 = t/m 3 is. A legnagyobb sűrűségű elem az irídium. Ha ebből készítenénk egy 35,3 mm élhossszúságú dobókockát (elég drága lenne), akkor az a mérlegen egyensúlyt tartana egy liter vízzel. Meg tudná állapítani a sűrűségét? Bármely normálállapotú gáz sűrűségét megkapjuk kg/m 3 -ben, ha az (átlagos) molekulatömegét megszorozzuk 0,0446-al. Meg tudná mondani, hogy miből származtatható ez a szám? Sűrűségmérés 1. Tömegmérésen alapuló A mai napig a legpontosabb sűrűségmérésre alkalmas laboratóriumi eszköz a piknométer, amely nem más, mint egy hőmérővel és kapillárissal ellátott üvegedény. A kapillárison található bekarcolt jel teszi lehetővé, hogy mindig ugyanannyi folyadékot töltsünk bele. A folyadék tömegét és térfogatát is tömegméréssel állapítjuk meg, majd számítással kapjuk meg a sűrűséget. A többi sűrűségmérésre alkalmas eszközt is piknométerrel hitelesítik. 2. Felhajtóerőn alapuló a) Areométer: elterjedten használják, főleg alkohol tartalmú oldatok mérésére (fokoló). b) Mohr Westphal-mérleg: relatív sűrűség megállapítására alkalmas, ma már csak kevés helyen használják. 3. Rezgőcsöves sűrűségmérők Az teszi lehetővé a mérést, hogy mágneses erőtérrel rezegtetett cső frekvenciája megváltozik, ha folyadékot juttatunk bele. A változás mértéke arányos a sűrűséggel. A műszert digitális kijelzővel látják el, amely a hőmérsékletet is mutatja. Előnye, hogy hordozható, gyors és az 1 kg/m 3 -es pontossága is elegendő, főleg üzemi körülmények között. A kézi készülék kezelése rendkívül egyszerű. A rezgőcsőbe a folyadék egy hengerben mozgó dugattyúval juttatható. A rugóval ellátott dugattyút a hüvelykujjunkkal mozgathatjuk. Lefelé nyomva eltávolítjuk a benne lévő folyadékot. Ha elengedjük, akkor a rugó segítségével visszatér eredeti állásába, és közben felszippantja azt a folyadékot, amelybe a készülékhez csatlakoztatott műanyag csövet mártjuk. A mérés végeztével mindig mossuk át többször is desztillált vízzel! Mérés előtt viszont a mérendő folyadékkal öblítsük mindaddig, amíg két egymás utáni mérés ugyanazt az eredményt nem mutatja! PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

15 Viszkozitás A gázok és folyadékok lamináris áramlásakor a közeg egyes rétegei különböző sebességgel mozognak. A különböző sebességű rétegeknek el kell csúszniuk egymáson. Ezzel a csúsztató erővel szembeni belső ellenállást nevezzük viszkozitásnak. Az ideális folyadékoknak és gázoknak a viszkozitása nulla. A kis viszkozitású folyadékok könnyebben folynak, mint a nagy viszkozitásúak. Például az olajat csak lassabban lehet kiönteni egy kannából, mint a benzint, vagy vizet. A nagy viszkozitású anyagokat szokás sűrűnek nevezni. Ez azért helytelen, mert az anyag viszkozitása és sűrűsége nem arányos egymással. A higanynak pl. nagy a sűrűsége, de aránylag hígan folyós, a ricinusolajnak a sűrűsége kisebb, mint a vízé, a viszkozitása pedig kb. az ezerszerese. A folyadékok viszkozitása a hőmérséklet emelésével csökken. Ez teszi lehetővé többek között azt, hogy a mézet bele tudjuk tölteni egy palackba, vagy, hogy bitumenből utat készíthessünk. Vannak esetek azonban, amikor a viszkozitás csökkenése a hőmérséklettel nem előnyös a számunkra. Ilyen pl. a kenőolaj, amelynek különböző mozgó alkatrészek kenését kellene biztosítania a súrlódás csökkentése érdekében. A kenőhatás viszont csak szűk viszkozitáshatárok között megfelelő, mert ha túl kicsi, akkor kifolyik, ha pedig túl nagy, akkor gátolja a mozgást (amit elő kellene segítenie). A kenőolajokra vezették be egyébként a kinematikai viszkozitás fogalmát. Ezt úgy kapjuk meg, hogy a dinamikai viszkozitást osztjuk az anyag sűrűségével: ν = η/ρ. A kenőolaj jellemzésére azonban még ez sem elegendő, ezért ma már megadják az úgynevezett viszkozitási indexet is, amely megmutatja, hogy milyen mértékben változik a viszkozitás a hőmérséklet függvényében. (Minél nagyobb szám a viszkozitási index, annál stabilabb, annál kisebb mértékben változik a viszkozitás a hőmérséklet változásával.) A viszkozitás mértékegységei Dinamikai viszkozitás: η A dinamikai viszkozitás SI egysége: Pa s = kg/(m s). Kinematikai viszkozitás: ν = η/ρ A kinematikai viszkozitás SI egysége: m 2 /s. Viszkozitás mérése Sem a dinamikai, sem a kinematikai viszkozitást közvetlenül nem lehet mérni, bármilyen mérési elvet alkalmazunk. A mérőműszert minden esetben kalibrálni kell ismert viszkozitású folyadékra. Kétféle elvet alkalmaznak, vagy a folyadékot áramoltatják, vagy egy testet mozgatnak a folyadékban. 1. A folyadék áramoltatása történhet kapillárisban, vagy kifolyónyíláson keresztül. Az utóbbi (az Engler-féle viszkoziméter) a sok bizonytalansági tényező miatt kevésbé pontos, ezért már nem használják. A kapillárissal ellátott mérők viszont eléggé elterjedtek, többek között azért, mert használatuk egyszerű és gyors. Ilyen a mellékelt ábrán látható módosított Ostwald-féle (Oswald-Fenske) viszkoziméter. Használata a következő: 3 A vastagabb üvegcső alsó részén lévő gömbbe 10 cm mérendő folyadékot töltünk. Az üvegeszközt állványon rögzítjük úgy, hogy a három gömbközépvonala függőlegesen egybeessen. 14 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

16 A vékonyabb szárra Griffin-labdát helyezve a folyadékot a kapillárison látható felső bekarcolt jel fölé szívjuk. (Itt azért van két kiöblösödő rész kiképezve, hogy ne lehessen hirtelen az összes folyadékot kirántani.) A labdát levéve mérjük azt az időt, amely alatt a folyadék felszíne a kapilláris két jele közötti utat megteszi. Az eredményt a következő összefüggéssel számoljuk: η = k ρ t, ahol k a műszerállandó, amelyet a hitelesítéskor megállapítanak, és adják a mérőeszközzel együtt, de mi is meghatározhatjuk ismert viszkozitású folyadékra. (Lássuk, milyen pontosan tud dolgozni! Megpróbálkozik vele?) ρ a folyadék sűrűsége, t pedig az általunk mért idő. Az időmérésnél úgy helyezkedjünk el, hogy a szemünk először a kapilláris felső jelével legyen egy magasságban. Akkor indítjuk a stoppert, amikor a folyadék felszíne éppen ehhez a jelhez érkezik. Ekkor helyzetet változtatunk, hogy az alsó jel kerüljön szemmagasságba. A folyadékfelszín megérkezésekor leállítjuk a stoppert (1. gyakorlat). 2. Höppler-féle viszkoziméter A viszkozitás mérése golyó alakú esősúllyal történik Stokestörvényét felhasználva. Az ejtőcső helyzete a függőlegestől 10 fokkal tér el. Ez lehetővé teszi, hogy átlátszatlan folyadékok esetében is nyomon tudjuk követni a golyó útját. A cső belső átmérője: 15,94 mm, így a keresztmetszete éppen 200 mm 2 = 2 cm 2. Az üvegcsövön két, egymástól 100 mm távolságban lévő bekarcolt jel látható. A golyó süllyedési idejét a két jel között mérjük. A cső egyébként egy hőmérővel ellátott üvegedénybe van helyezve, amelyben vizet lehet cirkuláltatni, az állandó hőmérséklet biztosítására. A készülékhez különböző méretű és anyagú golyók tartoznak. A méréshez olyan golyót válasszunk, amelynél a süllyedési idő 30 és 300 másodperc közé esik. Ez lehet, hogy elsőre nem sikerül. Ilyenkor új golyóval kell próbálkoznunk, ha túl gyorsan esett, akkor nagyobb, ha túl lassan, akkor kisebb golyóra lesz szükség. (Kisebb golyó azért képes nagyobb sebességre, mert távolabb kerül a cső falától.) A különböző átmérőjű golyók egy része más anyagból is készül, így sűrűségük is más. A viszkozitást Stokes egyenletéből ki lehet számolni: A sebesség helyére a mért szakasz hosszának, és az eltelt időnek a hányadosát írva az egyenletünk a következőképpen alakul át: Azonos golyó és készülék esetében a g, az l, a d állandónak számít. Egy konstansba összevonva (18-cal együtt) a számolás leegyszerűsödik: η =K (ρ g ρ f ) t. Ismert viszkozitású és sűrűségű folyadék esetében a K golyóállandó számítható! A mérést a következőképpen végezzük: a készüléket a lábakon lévő csavarokkal vízszintes helyzetbe állítjuk; megtöltjük a mérendő folyadékkal, és a csőbe helyezzük a kiválasztott golyót; a golyót úgy tudjuk beazonosítani, hogy tolómérővel mérjük az átmérőjét; megindítjuk a víz cirkulációját; mérjük a hőmérsékletet; kicsavarjuk a rögzítő csavart; a készüléket a tengely körül elforgatva fejjel lefele állítjuk; PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

17 a golyó lesüllyedése után eredeti helyzetébe hozzuk, és mérjük a süllyedési időt a két jel között (itt már egyenletes a mozgás). A készülék működésének begyakorlására a 2. gyakorlatban lesz lehetőség. Ennek a gyakorlatnak az információs lapja a témakör végén található. Felhajtóerő Az a statikus erő, amely egy folyadékba merülő testet felfelé igyekszik elmozdítani. Az eredő erő két törvényszerűség következménye: 1. A folyadék belsejében a nyomás a hely függvénye. Egy adott pontban (felületen) a felette lévő folyadékoszlop magasságától függ. 2. A vizsgált pontban a nyomás minden irányból ugyanakkora. A felhajtóerő mértékét egy a jól ismert törvény fogalmazza meg. Fel tudná idézni Arkhimédész törvényét? A felhajtóerő közvetlen megfigyelésére, és a vele kapcsolatos kísérletek végzésére a 2. gyakorlatban lesz lehetőség! (Az információs lapja a témakör végén található.) Mintapélda 8 mm vastag acéllemezből felülről nyitott kocka alakú hajót készítünk. Az acél sűrűsége: 7800 kg/m 3, a víz sűrűségét pedig 1000 kg/m 3 -nek vesszük. 1. Mekkora lenne az a legkisebb, kocka formájú hajó, amely éppen nem süllyedne el? 2. Milyen mélységben merül a vízbe, ha a térfogatát megduplázzuk? Megoldás: a test akkor kerül egyensúlyba, ha a rá ható súlyerő és felhajtóerő nagysága megegyezik: m g = V ρ g m = V ρ 1. A hajó tömege megegyezik a felhasznált acéllemez tömegével. A felül nyitott a élhosszúságú kockát 5 db a a élhosszúságú lemezből készíthetjük el. Térfogata tehát: 5 0,008 m a 2 5 0,008 m a kg/m 3 = a kg/m 3 /:a 2, a 0 A kocka éle: a = 0,312 m 2. a 3 = 2 0,312 3 m 3 a = 0,393 m 5 0,008 m (0,393 m) kg/m 3 = (0,393 m) 2 h 1000 kg/m 3 A bemerülés mélysége tehát: h = 0,312 m, vagyis a 39,3 cm magas hajóból 31,2 cm merül el. 16 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

18 Házi feladat 1. 8 mm vastag acéllemezből felülről nyitott téglatest alakú hajót készítünk. Az acél sűrűsége: 7800 kg/m 3, a víz sűrűségét pedig 1000 kg/m 3 -nek vesszük. a) Mekkora lenne az a legkisebb hajó, amely éppen nem süllyedne el? b) Milyen mélységben merül a vízbe, ha a térfogatát megduplázzuk? mm vastag acéllemezből olyan hajót készítünk, amelynek hosszmetszete trapéz. Az acél sűrűsége: 7800 kg/m 3, a víz sűrűségét pedig 1000 kg/m 3 -nek vesszük. a) Mekkora lenne az a legkisebb hajó, amely éppen nem süllyedne el? b) Milyen mélységben merül a vízbe, ha a térfogatát megduplázzuk? PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

19 Közegellenállás Amennyiben egy test és az őt körbevevő közeg (folyadék vagy gáz) egymáshoz képest mozog, akkor olyan erő keletkezik, amely ezt a mozgást lassítani igyekszik. Ezt az erőt nevezzük közegellenállásnak, amelynek mértéke függ: a közeg és a test egymáshoz viszonyított sebességének négyzetétől, a közeg sűrűségétől, a haladási irányra merőleges legnagyobb keresztmetszettől, a test alakjától. F k = ½ ρacv 2 A test alakját a c közegellenállási tényezővel veszik figyelembe. Ez egy arányszám, amelynek nincs mértékegysége. Az egységnek a sima kört vették alapul, aminek a közegellenállási tényezője c = 1. Fel tud sorolni olyan eseteket, amikor a közegellenállás hasznos, vagy hasznunkra tudjuk fordítani? A közegellenállás a súrlódás egy speciális esetének tekinthető, amikor a szilárd test az őt körüláramló folyadékkal vagy gázzal súrlódik. Ez azonban csak kis sebességeknél van így. Minél nagyobb a sebesség, annál inkább a test előtt és mögött kialakuló nyomáskülönbség a visszahúzó erő. Ez abból alakul ki, hogy ekkor már nincs körbe áramlás. A test előtt torlódik a közeg, mögötte pedig szétnyílik, így előtte növekszik a nyomás, mögötte pedig jelentősen csökken. A kialakuló nyomáskülönbséget úgy lehet csökkenteni, ha megfelelő forma kialakításával turbulenciát idézünk elő, amivel elő tudjuk segíteni, hogy a közegből minél több tudjon a test mögé is áramlani. Így fejlesztették ki az eredetileg sima gömb formájúból a mostani golflabdát, amely messzebbre repül, mint az eredeti. Közegellenállással kapcsolatos kísérleteket végezhet a 4. gyakorlatban. (Az információs lapja a témakör végén található.) A kísérletnél súlysorozatot használunk idomok mozgatására. A használt súlyoknak a tömegét ismerjük. A tömegből a húzóerőt az F = m a összefüggéssel határozhatjuk meg, vagyis a jelen esetben ez: F= m g (kg m/s 2 = N) 18 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

20 Ülepítők vizsgálata Ülepítő típusok Az ülepítők átfolyásuk szerint csoportosítva lehetnek: 1. Vízszintes átfolyásúak A műtárgy hosszában (hosszanti átfolyású) és sugár irányban (radiális átfolyású) haladhat a víz. Jellemzőik: a) Vízszintes hosszanti átfolyásúak A hosszanti átfolyású ülepítőket m 3 /d teljesítményűre méretezik m 3 /d feletti vízhozamok esetén célszerűen alkalmazhatók a kis helyigényű tömbös elrendezés megvalósíthatósága miatt. Legelterjedtebb változata a lipcsei-típusú ülepítő. A medencék hatásfoka 80% körüli, ez a medencék között a legjobb. Alkalmazhatók önálló mechanikai tisztítóberendezésként; biológiai szennyvíztisztításkor elő-, közbenső- és utóülepítőként; csapadékvíz ülepítőként; ipari víz mechanikai előkezelésére. b) Vízszintes sugárirányú átfolyásúak: Dorr-típusú ülepítő: m 3 /d vízhozamok felett alkalmazhatók célszerűen; elő-, közbensőés utóülepítőként egyaránt. Hatásfokuk 70% körüli. A m átmérőjű medencék alkalmazása a leggyakoribb. Nagyobb átmérő esetén a szél zavaró hatása miatt nehézkes a felúszó anyagok eltávolítása. A kiülepedett iszapot terelőlapátokkal ellátott keverő karok lassú forgással juttatják a középen kimélyített zsompba. 2. Függőleges átfolyásúak Dortmundi- típusú ülepítő: kis és közepes szennyvíztisztító telepeken 2500 m 3 /d szennyvízhozamig utóülepítőként alkalmazhatók. Átmérőjük kisebb vagy legfeljebb 8 m és legfeljebb 4 db-ot kapcsolnak párhuzamosan. A szennyvíz adagolása a középen lévő merülő-csövön keresztül történik a medence alsó harmadába. A medence alakja Dorr-ülepítővel ellentétben (amely hengeres) erősen kúpos. Az iszap eltávolítása az ülepítő aljára levezetett csövön keresztül történik szivattyúval. Az ülepítőkkel kapcsolatban bővebb anyagot találhat a Kempelen Farkas Digitális Tankönyvtárban, a következő címen: Ülepítők jellemzői, méretezése Hosszanti átfolyású ülepítőnél a hossza: L, a szélessége: B, és a mélysége: H. Jól működő ülepítő: ha a tartózkodási idő megegyezik az ülepedési idővel. A tartózkodási idő viszont az ülepítő hosszának és a víz sebességének a hányadosa. Tehát: t t = t ü = L/v k PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

21 Keresztmetszeti felület számítása: A = B H = Q/v k k Vízszintes felület számítása: A = L B figyelembe véve, hogy Q = V/t t = L B H/t t, de t t = t ü, így v ü = H/t t, tehát Q = B L v ü = A v ü Felületi vízhozam terhelés: L vh = v ü = Q/A Mohlman-index: M i = V i /X i, ahol V i az 1 dm 3 mintából 30 perc alatt kiülepedett iszap térfogata (Imhoff-index), X i a kiülepedett iszap szárazanyag-tartalma. Az ülepítési próbát és a kiülepedett iszap térfogatát (V i ) a mellékelt ábrán látható, pontosan egy liter térfogatú Imhoff-kehelyben végzik. Ennek az edénynek nincs talpa, állványba kell helyezni. Gyakran leeresztő csappal is ellátják. Foszfor eltávolítása szennyvizekből Ortofoszfát formájú foszfor eltávolítása A szennyvízben jelenlévő foszfor az élővizekbe kijutva eutrofizációt idéz elő. Ez indokolja, hogy a környezetvédelmi hatóság foszfor kibocsátási határértéket ír elő a kommunális szennyvíztisztító telepek számára. A tisztított szennyvíz összes foszfortartalma az előírások szerint általában 2 mg/l lehet. Az átlagos szennyvíz összes foszfor koncentrációja 6 és 20 mg/l között változik, a lakosság vízhasználati szokásaitól függően. (A legtöbb foszfát a mosószerekből kerül a szennyvízbe.) A hagyományos biológiai szennyvíztisztítás jól működő telepek esetében is csak a foszfor 20 30%-ának eltávolítására alkalmas. A maradék (nem is kevés) foszfor eltávolítása kémiai kicsapatással oldható meg. Az eljárás és a vele kapcsolatos vizsgálatok kipróbálására a 6. gyakorlatban lesz lehetősége, amelynek információs lapja a témakör végén található. A foszfor kicsapása fémsókkal valósítható meg. A szóba jöhető vegyületek a következők: háromértékű vas sók (klorid vagy szulfát), alumínium sók (klorid vagy szulfát), kalcium, vagy magnézium sók, illetve mésztej. A lejátszódó reakciók a következők: FeCl 3 + Na 3 PO 4 = FePO NaCl AlCl 3 + Na 3 PO 4 = AlPO NaCl 2 Na 3 PO CaCl 2 = Ca 3 (PO 4 ) NaCl 2 Na 3 PO MgCl 2 = Mg 3 (PO 4 ) NaCl A kalcium és magnézium sók alkalmazása hátrányos, mert a leválás csak lúgos közegben (10 11 ph) lenne megfelelő mértékű. A vas és alumínium sók adagolása a fenti reakcióegyenletek szerint 1:1 arányú, ám ennél jóval több kell. Ennek egyik oka az, hogy ezek mellett még másmilyen összetételű csapadék is keletkezik: 3 Fe PO H 2 O = (FeOH) 3 (PO 4 ) H + 3 Al PO H 2 O = (AlOH) 3 (PO 4 ) H + Ezek szerint (a sztöchiometria törvényei szerint) egy mólnyi foszfáthoz másfél mólnyi vas, illetve alumínium sóra lenne szükség. A gyakorlati tapasztalatok szerint azonban még ennél is jóval több kell. Ennek oka az, hogy a vas (alumínium) sók nagy része hidroxid formájában válik le, ami ugyan javítja az ülepítés hatásfokát, de ugyanakkor növeli a vegyszerköltséget, és a keletkező iszap mennyiségét. A kivitelezés módja Az adagolás helye szerint megkülönböztetjük a következő technológiákat: 1. Előkicsapás: a vegyszerek bekeverése az előülepítő előtt történik. A vegyszerfelhasználás nemcsak a foszfor eltávolítására fordítódik, hanem sok szerves anyaggal is reakcióba lép. Kevesebb szennye- 20 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

22 zőanyag kerül a biológiai tisztítóba (eleveniszapos medence), aminek következtében nő a biológiai lebontás hatásfoka, viszont csökken a mikroorganizmusok tápanyagellátása, és a rendszer bizonytalanná válhat. Hátránya továbbá, hogy a keletkező iszap összmennyisége jelentősen megnő. 2. Szimultán kicsapás: a vegyszerek bekeverése a levegőztető medencében történik. Ebben az esetben az előkezelt vízből már sok minden eltávozott, ami reakcióba léphetne. A legtöbb esetben ezt alkalmazzák, mert nincs szükség további ülepítőkre, és a vegyszerfelhasználás is gazdaságosnak mondható. 3. Utókicsapás: a már tisztított szennyvízhez adagolják a vegyszert, így itt van szükség a legkevesebbre. Hátránya, hogy még egy utóülepítőre is szükség van. Mérlegelni kell, hogy még egy műtárgy beépítésének költségei mennyi idő alatt térülnek meg a vegyszerköltségek megtakarításaiból (ill. fedezik-e az amortizációs költségeket). Mindenképpen meg kell említeni, hogy léteznek már korszerű biológiai foszforeltávolítási módok is, amelyeket néhány települési szennyvíztisztítóban már alkalmaznak. Általában tudják tartani a kibocsátási határértéket, de főleg télen, amikor a mikroorganizmusok életfunkciói lelassulnak (a vizet melegíteni pedig túlságosan költséges lenne), szükség van kiegészítő vegyszeres kezelésre. Foszfáttartalom mérése fotométerrel A vizsgálathoz az LF 2400 jelzésű fotométert és a hozzá tartozó reagenseket használjuk. A mérés rendkívül egyszerű és gyors. Terepen is jól használható. A készülék tárolja a méréshez szükséges adatokat. A mérni kívánt komponens kiválasztása után a készülék a megfelelő hullámhosszon fogja mérni a reagenssel kezelt minta abszorbanciáját. Az eredményt saját adatbázisával összehasonlítva a koncentrációt mg/lben írja ki. A foszfát koncentrációját háromféle méréstartományban mérhetjük: 0,1 2,0 mg/l, 0,2 10 mg/l, valamint mg/l. A méréseket a következő módon lehet elvégezni: Foszfát (B) koncentráció meghatározása. Méréshatár: mg/l. 1. Töltsön két küvettába 5 5 ml vízmintát! 2. Öntsön 1,2 ml-t az 1-es reagensből az egyik küvettába, zárja le és rázza össze! 3. Nyomja meg az ON/OFF gombot a fotométer bekapcsolásához! 4. A nyilak segítségével válassza ki a foszfát B-t! 5. Helyezze be a reagens nélküli vízmintát (vakoldat) a berendezésbe, fedje le fényvédő kupakkal! 6. Nyomja meg a 0,000 gombot, amíg az OK felirat meg nem jelenik a kijelzőn! 7. Cserélje ki a két küvettát a készülékben, és fedje le fényvédő kupakkal! 8. Nyomja meg a mg/l gombot! Az eredmény a kijelzőről leolvasható. Foszfát (C) koncentráció meghatározása. Méréshatár: 0,2-10 mg/l. 1. Töltsön két küvettába 5 5 ml vízmintát! 2. A ph-t 6 és 8 közé kell beállítani (sósav, vagy nátrium-hidroxid felhasználásával)! 3. Adjon 10 cseppet az 1-es reagensből az egyik küvettába, zárja le és rázza össze! 4. Nyissa ki a küvettát, adjon hozzá 2 cseppet a 2-es reagensből, zárja le és rázza össze! 5. Nyissa ki a küvettát, adjon hozzá egy spatulahegynyit a 3-as reagensből, zárja le és rázza össze, majd várjon 15 percet! 6. Nyomja meg az ON/OFF gombot a fotométer bekapcsolásához! 7. A nyilak segítségével válassza ki a foszfát C-t! 8. Helyezzen be a reagens nélküli vízmintát (vakoldat) a berendezésbe, feje le fényvédő kupakkal! 8. Nyomja meg a 0,000 gombot, amíg az OK felirat meg nem jelenik a kijelzőn! 9. Cserélje ki a két küvettát a készülékben, és fedje le fényvédő kupakkal! 10. Nyomja meg a mg/l gombot! Az eredmény a kijelzőről leolvasható. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

23 Diszpergálás a témakörrel kapcsolatos fogalmak és kifejezések Aprítás. Nagyon finomra aprított szilárd anyagok eloszlatása folyadékban, vagy nagyon apró folyadékcseppek eloszlatása. Gázok esetében minél kisebb buborékok képzése. Diszperz rendszer Olyan heterogén rendszer, amelynél az egyik fázis egyenletesen van eloszlatva egy másik fázisban. Ilyenek az aeroszolok, (füst, köd), emulziók, szuszpenziók, szolok, gélek, habok. Ez utóbbiak egy speciális esete az aerogélnek elnevezett anyagszerkezet. Ezek a legkisebb sűrűségű szilárd anyagok, elvileg úgy tekinthetők, hogy olyan gélek, amelyekben a vizet gáz helyettesíti. Állítottak elő már 3 kg/m 3 is kisebb sűrűségű anyagot is. Emulzió Folyadékban olyan másik folyadék van nagyon finom cseppekben eloszlatva, amely egyébként nem elegyedne vele. Az emulziók általában nem stabilak, idővel két elkülönülő folyadék fázisra esnek szét. (Ez meggátolható felületaktív anyagok bekeverésével.) Eutrofizáció A növényzet élővizekben tapasztalható túlburjánzása. Okozója a vízbe kerülő növényi tápanyagok mennyiségének növekedése. Fajhő Az a hőmennyiség, amely valamely anyag hőmérsékletét 1 C-kal emeli. Griffin-labda Gumiból készült szelepekkel ellátott labda, amely a pipetta felszívására fejlesztettek ki. Fázisok Az egymástól határfelülettel elválasztott, eltérő fizikai tulajdonsággal rendelkező részei valamely összetett anyagi rendszernek Heterogén Másfajta, különböző, egymáshoz nem illő Homogén Egynemű, azonos elemekből álló. Olyan egynemű anyag, amelyben nincsenek külön fázisok. Konstantán Általában 60% rézből és 40% nikkelből készült ötvözet. (Lehet 55% réz + 45% nikkel, vagy 58% réz + 41% nikkel + 1% mangán.) Meniszkusz A folyadék felszíne. Alakja felülről nézve nedvesítő folyadék esetében homorú, nem nedvesítőnél pedig domború. Normálállapot Amikor a gáz hőmérséklete 0 C (273,15 K), nyomása pedig éppen 1 atmoszféra, vagyis Pa. Súlyozott átlag Az egyes komponensek a mennyiségük arányával vesznek részt az átlagban. Szuszpenzió Szilárd anyag részecskéi vannak eloszlatva úgy, hogy nem oldódnak benne. 22 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

24 Gyakorlatok 1. gyakorlat Gyakorló feladat Név, osztály:... Mérés dátuma:... Feladat: Koncentráció meghatározása Ostwald Fenske-viszkoziméterrel Ennél a feladatnál az Ostwald Fenske-viszkoziméter használatakor alkalmazott fogásokat, és a vele kapcsolatos egyéb méréseket (tömeg, térfogat, hőmérséklet, sűrűség) kell elsajátítania, begyakorolnia. A méréssel nyert adatokból számítással kapja meg a viszkozitást, melynek mértékét kinematikus és dinamikus viszkozitásként is meg kell adnia, így a számítások begyakorlására is lehetősége nyílik. A különböző koncentrációjú oldatok viszkozitását diagramon kell ábrázolnia. Egy ismeretlen koncentrációjú oldat viszkozitásának megmérése után, annak koncentrációját kell a diagram alapján megállapítania. A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 60 perc INFORMÁCIÓS LAP A feladat elvégzéséhez szükséges anyagok: ioncserélt víz, glicerin Szükséges eszközök: viszkoziméter, állvány, fogó, 100 cm 3 -es mérőlombik (5 db), osztott pipetta, 10 és 20 cm 3 -es pipetta, táramérleg, hőmérő, rezgőcsöves sűrűségmérő, stopper A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt 1. Mérés előkészítése, oldatkészítés: Táramérlegen kimér glicerinből 40,0 grammot, ioncserélt vízben feloldja, és 100 cm 3 -es mérőlombikban a jelig tölti ioncserélt vízzel! Oldatsorozatot készít úgy, hogy a törzsoldatból kimér 5, 15, 25 és 35 cm 3 -t, és szintén jelig tölti ioncserélt vízzel 100 cm 3 -es mérőlombikban! 2. Mérések elvégzése: a négy elkészített oldatnak, a törzsoldatnak és a gyakorlatvezetőtől kapott ismeretlen koncentrációjú oldatnak a következő paramétereit kell megmérni: hőmérséklet, sűrűség, viszkozitás (átfolyási idő). Vigyázat! Minden új vizsgálandó anyag mérése előtt, azzal kétszer-háromszor át kell öblíteni! 3. Számítások elvégzése: valamennyi oldatnak a dinamikus és kinematikus viszkozitását is ki kell számítania. 4. Diagram készítése, az eredmény leolvasása a diagramról Dokumentálás szempontjai: A mérés elvének és menetének leírása (tanulói jegyzet: Viszkozitás mérése fejezet) Számítások elvégzése, táblázatban való megadása: Hőmérséklet Sűrűség Koncentráció (w%) Mért idő (s) Kinematikus viszkozitás (m 2 /s) Dinamikus viszkozitás (Pa s) 1. oldat 2. oldat 3. oldat 4. oldat Törzsoldat Ismeretlen PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

25 Diagram Következtetés: Eredmény (ismeretlen koncentráció): Értékelés szempontjai: eredmény pontossága; jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; számítások, átváltások pontossága; a munka kivitelezése. 24 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

26 2. gyakorlat Gyakorló feladat Név, osztály:... Mérés dátuma:... Feladat: Viszkozitás mérése Höppler-féle viszkoziméterrel Ismerje meg és gyakorolja a készülék kezelését! A golyóállandó megállapítása lehetővé teszi, hogy a későbbiekben, amikor gyors mérésre lesz szüksége, akkor a már ismert golyóval azt megtehesse. Különböző hőmérsékleten is kell viszkozitást mérnie, ami lehetővé teszi, hogy a hőmérsékletfüggés felismerését hasznosítani tudja üzemi körülmények között, pl. az ülepítő, vagy szűrő üzemeltetésénél. A számítások további gyakorlásával pedig már jártasságot szerezhet a dinamikus és kinematikus viszkozitás, valamint azok mértékegységei közötti átszámításokban. A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 60 perc INFORMÁCIÓS LAP A feladat elvégzéséhez szükséges anyagok: ioncserélt víz, glicerin, étolaj Szükséges eszközök: viszkoziméter, rezgőcsöves sűrűségmérő, stopper A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt 1. Az 1. golyó állandójának meghatározása desztillált vízzel: az ejtőcsövet feltölti desztillált vízzel, és behelyezi a golyót; lezárja a cső végét; a köpenyt feltölti csapvízzel; megvárja, amíg állandósul a hőmérséklet; indítja a golyót, és méri a süllyedés idejét a két jel között. 2. Csapvíz viszkozitásának mérése 15, 20, 25 C-on: a mérést az előző feladathoz hasonlóan kell végezni, csak két mérés között be kell kapcsolni a fűtést; a hőmérséklet beállásakor az ejtőcsőben meg kell mérni a sűrűséget. 3. Golyóállandó meghatározása az Ostwald-viszkoziméterrel már meghatározott viszkozitású glicerines oldattal: A meghatározáshoz az 1. gyakorlat törzsoldatát használja! Olyan golyót válasszon, amelynek süllyedési ideje másodperc körüli! A hőmérséklet állandósulása után méri a sűrűséget, majd háromszor elvégzi az ejtési próbát. Ez nem nagy időveszteség, mert egy átfordítással újra tudja indítani a golyót. 4. Étolaj viszkozitásának mérése: A glicerines oldattal meghatározott golyóállandójú golyót használja! Ugyanolyan hőmérsékletet állítson be, mint a golyóállandó meghatározásakor, ekkor méri a sűrűséget, és a viszkozitást! Dokumentálás szempontjai: A mérés elvének és menetének leírása (tanulói jegyzet: Viszkozitás mérése fejezet) Számítások elvégzése, táblázatban való megadása: Hőmérséklet Golyó Golyó sűrüsége Süllyedési idő Golyóállandó Sűrűség Dinamikus viszkozitás Kinematikus viszkozitás Desztillált víz Víz (I.) Víz (II.) Víz (III.) Glicerines oldat Étolaj PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

27 Értékelés szempontjai: eredmény pontossága; jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; számítások, átváltások pontossága; a munka kivitelezése. 26 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

28 3. gyakorlat Gyakorló feladat Név, osztály:... Mérés dátuma:... Feladat Ülepedési sebesség, felhajtóerő, térfogat meghatározása A későbbi ülepítési és felúsztatási komplex feladatok elvégzésénél szükséges, gyors és helyes döntések meghozatalához előzetes gyakorlásra van szükség. Fontos a felúszás és az ülepedés megfigyelése. Tapasztalatszerzés és a számítások gyakorlása a felhajtóerővel kapcsolatban. A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc INFORMÁCIÓS LAP A feladat elvégzéséhez szükséges anyagok: víz, homok. Szükséges eszközök: úsztató kád, hőmérő, sűrűségmérő, stopper, rezsó, különböző méretű, jól záródó edénykék, táramérleg, mérőszalag A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt 1. Felhajtóerő vizsgálata: Különböző alakú és méretű testeket homokkal tölt meg kis mennyiséggel kezdve, majd azt fokozatosan növelve. Méri az együttes tömegüket. Megfigyeli a vízzel telt kádban a test viselkedését, hogy felúszik, vagy elsüllyed. Addig adagolja a homokot, amíg a tárgy éppen elmerül. Méri a sűrűséget. A felhajtóerőből számítja a test térfogatát. 2. Ülepedési sebesség meghatározása: Növelje a homok mennyiségét, mérje a tárgy süllyedési idejét a vízfelszíntől a kád aljáig! A homok mennyiségét úgy válassza meg, hogy a lesüllyedés ideje ne legyen 20 másodpercnél rövidebb! A süllyedés utolsó 20 cm-es szakaszán társai segítségével külön is mérjék az időt! A mért adatok ismeretében kiszámítják a gyorsuló és az egyenletes mozgási szakasz hosszát. Megmérik a víz hőmérsékletét, sűrűségét. Számítják a test ekvivalens átmérőjét (vagyis, hogy milyen átmérőjű golyó ülepedési sebességének felel meg a mért és számított sebesség)! 3. Ülepedési sebesség meghatározása különböző hőmérsékleteken: 2 3 C-kal emeljük a víz hőmérsékletét, és a mérést megismételjük. A kád vizének melegítését praktikusan és időtakarékosan úgy érdemes elvégezni, hogy amíg mérünk, ez alatt az idő alatt kétliternyi vizet rezsón forráspontig melegítünk. A mérések végeztével ennyi vizet kiveszünk a kádból, és helyére a forró vizet öntjük. Felteszünk újabb két liter vizet melegedni, és csak akkor kezdjük az újabb méréseket (hőmérséklet, sűrűség, ülepedési idők). A melegítést és sebességmérést még kétszer megismételik. 4. Felúsztatási kísérlet: amennyiben érdekesnek tartja a kísérletet, vagy a következtések levonása előtt alaposabban szeretné körbejárni a témát, akkor a méréseket elvégezheti felúszó tárgyakkal is. Nyilván ebben az esetben az egyensúlyi helyzetnél kevesebb homokot kell tartalmaznia az edénykéknek, de csak annyival kevesebbet, hogy a felúszás sebessége ne legyen túl nagy (mérhető legyen). 5. Az eredményeket grafikonon ábrázolja PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

29 Dokumentálás szempontjai: Tapasztalatok leírása Számítások Edény (I.) Edény (II.) Ülepedés (1.) Ülepedés (2.) Ülepedés (3.) Ülepedés (4.) Hőmérséklet Sűrűség Tömeg Térfogat Ülepedési idő (teljes) Ülepedési idő (20 cm) Ülepedési sebesség Viszkozitás (Höpplerféle mérésből) Ekvivalens átmérő Diagram Értékelés szempontjai: jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; számítások, átváltások pontossága; a munka kivitelezése. 28 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

30 4. gyakorlat Gyakorló feladat Név, osztály:... Mérés dátuma:... Feladat Közegellenállás mérése Egy állandósult sebesség fenntartásához szükséges erő mérésével játékos formában szerezzen tapasztalatokat a közegellenállással kapcsolatban. Lehetőség adódik ötletekre, kreatív munkára. A különböző húzóerőnél beálló egyenletes sebesség, valamint az egyenletes és változó sebességű szakaszok kiszámolásával fejlessze számolási készségét! A diagramkészítés további gyakorlásával eléri azok rutinszerű alkalmazását. A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 90 perc INFORMÁCIÓS LAP A beadás határideje: a következő gyakorlat megkezdése előtt 1. Sebességmérés különböző húzóerők esetében: pármunkában dolgoznak Különböző formájú testekbe annyi homokot tesznek, hogy a test fele merüljön a vízbe. A tömegét meg kell mérni és fel kell jegyezni A testre damilt erősítenek, a damil másik végére pedig súlyt (5, 10, 20, 50 g). Mérik a sűrűséget, majd azt az időt, amely alatt a test végighalad a kád teljes hosszán. Homokkal egyensúlyi helyzetet hoznak létre (a test lebeg) és a méréseket megismétlik. A vizet melegítjük 2 5 C-kal, és a méréseket megismételjük. Számítások: Számítják a sebességet, és diagramon ábrázolják a sebességet a húzóerő függvényében. A haladás irányára merőleges keresztmetszetet körlapnak tekintve (c = 1) számítják a felület nagyságát. Összehasonlítják a valóságossal. Értékeljék az eredményt! A legkisebb húzóerőből és sebességből számított felület (A) nagyságát alapul véve a nagyobb sebességeknél számítson közegellenállási tényezőt. Ezek összehasonlítása után vonjon le következtetéseket. Tervezzen magának egy kísérletet, és végezze el! PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

31 Dokumentálás szempontjai: Tapasztalatok leírása Számítások: a táblázatba beírandó adatok: t = az egyenletes sebességű szakasz (1 m) végighaladás ideje, v = az ebből számolható sebesség, s = gyorsuló szakasz. Első test Második test Hőmérséklet Sűrűség Félig merülő test 1 g 2 g 3 g 5 g T 1 T 2 T 3 T 1 T 2 T 3 t v s t v s t v s t v s t v s t v S Lebegő test 1 g 2 g 3 g 5 g Diagram: mindhárom hőmérséklethez tartozó adatokat egy diagramon, de különböző színnel ábrázolja! Értékelés szempontjai: jegyzőkönyv áttekinthetősége, tartalma; számítások, átváltások pontossága; a munka kivitelezése; önálló kísérlet. 30 környezettechnikai eljárások gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam