Veden kemiallinen puhdistus

Veden kemiallinen puhdistaminen on tärkeä menetelmä veden turvallisuuden ja laadun varmistamisessa sekä teollisessa käytössä että juomavetenä. Kemiallisilla puhdistusprosesseilla vedestä poistetaan epäpuhtauksia, ravinteita ja haitallisia organismeja sekä raskasmetalleja. Veden kemiallisella puhdistuksella voidaan ehkäistä terveysriskejä, lisätä veden kirkkautta sekä parantaa sen hajua ja makua. Veden käsittelyyn voidaan hyödyntää kemiallisen puhdistuksen lisäksi myös biologisia ja fysikaalisia menetelmiä. 


 Yleiset sovelluskohteet 
Veden kemiallista puhdistusta sovelletaan jäteveden käsittelyssä, erityisesti fosforin poistamiseen vedestä. Jäteveden puhdistuksessa tavoitteena on poistaa vedestä saastuttavia ja rehevöitymistä edistäviä aineita, jotta ne eivät päätyisi vesistöihin. Viemärien keräämä jätevesi puhdistetaan biologisesti, kemiallisesti ja fysikaalisesti. 

Lisäksi kemiallista puhdistusta käytetään talousveden valmistuksessa vedenpuhdistuslaitoksilla. Kemiallinen puhdistus varmistaa, ettei vesijohtoverkkoon pääse terveydelle vaarallisia mikrobeja tai bakteereja.

 Metodit 
 Hapetus ja pelkistys 
Hapetus on pelkistymisen vastaprosessi.  Kun hapetuksessa hapetusluku kasvaa, pelkistyksessä se pienenee. Tämä johtuu reaktioista alkuaineiden ja metallien välillä, jolloin aineet vastaanottavat tai luovuttavat elektroneja. Hapetustekniikoita käytetään usein lampien, järvien ja säiliöiden ylläpitämisessä alhaisten happipitoisuuksien korjaamiseksi tai leväkukintojen rajoittamiseksi. Monissa vedenkäsittelyprosesseissa on tavallista käyttää erilaisia hapetuksen muotoja, joilla voidaan tukea biologisia hapetusprosesseja. Esimerkiksi jäteveden puhdistuksessa tyypillinen hapetusmenetelmä on aktiivilietemenetelmä, jossa veden puhdistus toteutetaan mikrobien avulla.

 Koagulaatio ja flokkulaatio  
 Koagulaatio on kemiallinen puhdistusprosessi, jota voidaan käyttää veden puhdistuksessa poistamaan vedestä kiinteitä aineita manipuloimalla veteen sekoittuneita hiukkasten sähköstaattisia varauksia. Koagulaatiossa veteen muodostuu pieniä korkeavarauksisia molekyylejä, joilla muutetaan veteen sekoittuneiden hiukkasten, kolloidien tai öljyisten materiaalien varauksia. Koaguloinnin avulla saadaan poistettua tehokkaasti esimerkiksi soraa, hiekkaa, leviä, savea, rautaa, alkueläimiä ja jopa bakteereja. Koagulointi ei takaa juomaveden turvallisuutta, mutta se on silti välttämätön vedenkäsittelyprosessi. Oikean koagulantin valitseminen parantaa vedenkäsittelyjärjestelmän yleistä suorituskykyä ja parantaa erityisesti kiinteiden aineiden poiston tehokkuutta parantamalla suodatuksen ja selkeytysaltaiden suorituskykyä.

Flokkulaatio on kemiallinen prosessi, jossa veteen sekoittuneet hiukkaset kasautuvat yhteen, koska niiden väliset vetovoimat voittavat samanlaisten pintavarausten aiheuttamat hylkivät voimat. Flokkulaatiota voidaan käyttää selkeytysaltaiden tehokkuuden lisäämiseen suurentamalla keskimääräistä hiukkaskokoa. Selkeytysaltaat ovat altaita, joissa vesi erotetaan hiukkasista ja muista partikkeleista, jolloin vedestä saadaan puhtaampaa. Hiukkaset, joilla on samanlaiset pintavaraukset, voidaan saada kasautumaan yhteen lisäämällä ylimääräisiä liukoisia vastaioneja, jotka suojaavat pintavarauksia tai polyelektrolyytteja, jotka muodostavat pinnan  ionien ja hiukkasten välille sidoksia sekä niitä linkittäviä verkkoja.

 Desinfektio 
 Desinfektio on etenkin vesijohtoveden puhdistuksessa olennainen käsittelyvaihe, jossa vedestä tuhotaan bakteerit ja muut terveydelle haitalliset mikrobit. Desinfiointiprosessissa käytetään  klooria, minkä lisäksi voidaan käyttää otsonointia,  ultraviolettisäteilyä tai näiden yhdistelmiä. Tämän vuoksi vesijohtovedessä on lähes aina klooria.  Kloorin ensisijainen tehtävä on varmistaa, että vesi säilyy laadukkaana loppukäyttäjän  hanaan asti ja että vesijohtoverkkoon ei kehity bakteerikasvua. Jos vesi on ensin desinfioitu muilla menetelmillä, kloorin määrä voidaan pitää hyvin pienenä.  

 Biosidit 
 Biosidit ovat antimikrobisia aineita, joita käytetään tuhoamaan haitallisia pieneliöitä. Biosidit ovat toksisia ympäristölle, jonka vuoksi niitä voidaan käyttää vain pieniä määriä. Biosidivalmisteet ovat vedenpuhdistuksessa kemiallisia ominaisuuksia sisältäviä aineita, joita voivat olla esimerkiksi  vetyperoksidi ja  peretikkahappo.

 Ioninvaihto 
Jos vedessä on runsaasti suoloja, voidaan niitä poistaa  ioninvaihdolla. Ioninvaihtoa suositaan tekniikkana etenkin teollisuudessa. Ioninvaihdolla valmistetaan suurin osa teollisuudessa käytössä olevasta pehmennetystä ja suolattomasta vedestä. Veden pehmeyteen voidaan vaikuttaa sitouttamalla veden kovuutta lisääviä Ca2+, Mg2+ ja Na+ -ioneja. Ioninvaihtoteknologia perustuu ioninvaihtohartsiin, jossa vaihdetaan käsiteltävässä vedessä olevat kationit ja anionit ladattuun ioniin. Jotta ioninvaihto toimisi, on hartsi aika ajoin regeneroitava eli ladattava uudestaan.

 Saostus 
Jos vesi on voimakkaasti rehevöitynyttä, voidaan siihen lisätä  kemikaalia, joka saostaa rehevöitymisen aiheuttaneen orgaanisen aineksen. Saostuskemikaaleina käytetään alumiini- ja rautayhdisteitä kuten alumiinikloridia tai rautakipsiä. Kun syntynyttä sakkaa sekoitetaan, törmäävät orgaanisen aineen partikkelit toisiinsa ja niiden koko kasvaa. Nämä sakkahiutaleet laskeutuvat saostusaltaan pohjaan ja hiekkakalkkikivisuodattimilla saadaan suodatettua pois loput pienemmät sakat. Saostuksen jälkeen orgaanista ainesta voidaan poistaa vielä aktiivihiilisuodatuksella ja desinfioinnilla.

Kemiallisten puhdistusmenetelmien yhdistelmät
Kemiallisia puhdistusmenetelmiä käytetään usein myös yhdessä muiden menetelmien kanssa. Esimerkiksi jätevedenpuhdistuksessa alkupuhdistus, jossa vedestä poistetaan kiinteässä olomuodossa olevat jätteet, on mekaanista, mutta sen tehostamisessa hyödynnetään kemikaaleja.

Jäteveden puhdistuksen sekundäärinen eli toinen vaihe on usein biologinen. Tertiäärisessä eli kolmannessa vaiheessa hyödynnetään fysikaalisten menetelmien lisäksi myös kemiallisia menetelmiä. Kolmannessa vaiheessa vesi puhdistetaan fysikaalisesti altistamalla se ultraäänelle, UV-valolle ja otsonille. Nämä prosessit auttavat puhdistamaan bakteereja ja raskasmetallikontaminaatioita vedestä, sekä parantavat kemiallisten desinfiointiaineiden tehokkuutta.

Fosforin poistaminen vedestä
Fosfori on kasviravinne, joka aiheuttaa vesistöjen rehevöitymistä, minkä takia se tulee puhdistaa vedestä ennen vesistöihin päätymistä. Kemiallisen jäteveden puhdistuksen päätarkoitus on epäorgaanisen fosforin poistaminen vedestä. Fosfori poistetaan kemiallisessa puhdistuksessa lisäämällä veteen alumiini-, kalium-, tai rautasuolaa (ferrosulfaatti). Suomalaisessa vedenpuhdistuksessa yleisimmin käytössä oleva ferrosulfaatti liukenee veteen ja saostaa fosforin veden pohjalle.  

Prosessin alussa ferrosulfaatissa rauta on kahdenarvoisena. Tämä tarkoittaa sitä, että se muodostaa sulfaatti-ionin kanssa suolan hapetusluvulla 2. Rauta(II)sulfaatin rautaoksidit täytyy tämän jälkeen hapettaa, jotta siitä saataisiin rauta(III):ta joka puolestaan reagoisi vedessä olevan fosforin kanssa, ja reaktiotuote saostuisi reaktioastian pohjalle.

Ferrosulfaatti (tässä esimerkkitapauksessa vihreä rautavitrilli) on aluksi kidevedellisessä muodossa, joka liukenee veteen ja muodostaa Fe2&plus;(aq) ja SO42−(s) ioneja:

FeSO4(s) • 7H2O(l) → Fe2&plus;(aq)+ SO42-(s) + 7H2O(l)

Rauta(III)fosfaatti liukenee veteen suhteessa vähemmän kuin rauta(II)fosfaatti. Rauta(II) ionit voidaan hapettaa esimerkiksi hapen O2, vetyperoksidin H2O2 tai kaliumpermanganaatin KMnO4  avulla: Vettä puhdistettaessa käytetään yleensä happea. Rauta(II) oksidit hapetetaan seuraavalla reaktiolla: 

4Fe2+(aq) + O2(g) + 6H2O(l) → 4Fe(OH)3(s)

Kun rauta(III) ionit on muodostettu, ne reagoivat vedessä olevat fosfaatin kanssa muodostaen rauta(III)fosfaattia joka saostuu pohjalle:

Fe3+(aq) + PO43−(aq) → FePO4(s)

Tämä saostamisreaktio auttaa poistamaan vedessä olevaa fosfaattia.

Tulevaisuudennäkymät ja kehityssuunnat
Puhdas vesi on ihmiselämän perusedellytys. Puhdistamattoman veden juominen voi aiheuttaa vakavia terveyshaittoja ja sairastuttaa ihmisiä. Lisäksi jätevesi levittää loisia ja muita haitallisia aineita. Veden puhdistamisessa haasteena onkin sekä vesistöjen suojeleminen että puhtaan juomaveden saatavuuden varmistaminen globaalisti. Tällä hetkellä puhdas juomavesi ei ole maailmanlaajuisesti tasa-arvoinen resurssi, vaan sen puutteesta kärsii noin kaksi miljardia ihmistä. Veden puhdistaminen on kallis ja monimutkainen prosessi, joten uusien teknologioiden luominen on kustannustehokkuuden ja tasa-arvon edistämisen kannalta tärkeää.

Veden puhdistusprosessissa haitta-aineista saadaan poistettua yli 95 prosenttia. Puhdistusprosessin tulevaisuuden haasteita tulevat olemaan jätevesien virukset, lääkeainejäämät ja mikromuovit.

Veden puhdistamiseen ollaan kehittämässä ympäristöystävällisempiä ja luonnonmukaisempia tapoja. Kaivosteollisuudessa veden puhdistamiseen on suunniteltu kaoliinisavesta valmistettu  adsorbentti , joka auttaisi keräämään vedessä olevia  metalleja talteen tehokkaasti. Tämä olisi paitsi edullisempi ja ympäristöystävällisempi tapa puhdistaa vettä, myös edistäisi  maaperästä loppuvien metallien talteen keräämistä.

Veden kemiallinen puhdistus on kallista ja vaatii systemaattisen vesijohtojärjestelmän ollakseen kustannustehokas.  Sähkökemiallisilla teknologioilla, kuten elektrosynteesillä toteutettu vedenpuhdistus on uusi vaihtoehto kemikaaleilla toteutettavalle vedenpuhdistukselle. Vedenpuhdistus ilman kemikaaleja voisi edistää jäteveden muuttamista juomavedeksi ja parantaa puhtaan veden saatavuutta ympäri maailmaa, etenkin alueilla, joilla vedenjakeluverkostoja ei ole.

 Lähteet 

Luokka:Jätevesihuolto