Studia stacjonarne

1 rok gr. IV

Rok akademicki: 2011/2012

semestr 1 - zimowy

Osowski Mikołaj Popłońska Agata Prochera Alicja Raczyński Adrian

Data: 24.11.2011r.

Akademia Górniczo-Hutnicza

im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu

Sprawozdanie

Z ĆWICZEŃ

Laboratorium badawcze

Kierunek:

Inżynieria Naftowa i Gazownicza

Przedmiot:

Ochrona Środowiska w górnictwie naftowym

TEMAT: OCZYSZCZANIE ZANIECZYSZCZEŃ WODNYCH ZA POMOCĄ KOAGULANTU I FLOKULANTU.

Dnia 27.10.2011 odbyły się zajęcia laboratoryjne z Ochrony Środowiska w Górnictwie Naftowym. Na ćwiczeniach zapoznaliśmy się z tematykę koagulacji i flokulacji zawiesin mineralnych. Procesy koagulacji i flokulacji spotykamy w takich naukach jak ochrona środowiska, inżynieria środowiska oraz inżynieria chemiczna. Są one niezbędne w wyżej wymienionych naukach a ponadto spotkamy je w ważnych procesach związanych z naszym życiem codziennym, takich jak chociażby oczyszczanie ścieków komunalnych czy w procesach technologicznych, w których istnieje potrzeba szybkiego wyodrębnienia produktów zawieszonych w postaci koloidalnej. Do takich celów służy koagulacja, która polega na łączeniu cząstek koloidalnych oraz drobnej zawiesiny w zespoły cząstek, tzw. aglomeraty, a następnie w większe, szybko opadające zespoły. Następuje wtedy destabilizacja układu (różnica potencjałów musi wynosić mniej niż 30mV). Proces ten można wywołać poprzez:

-dodanie elektrolitu obniżającego potencjał elektrokinetyczny do koloidalnego, zawiesinowego roztworu,

- rozładowanie cząstek,

-wytworzenie wodorotlenków kationów wielowartościowych, na których absorbują się jony, cząstki koloidów i zawiesin,

- wzajemne przyciąganie się i aglomerację cząstek o różnoimiennym ładunku powierzchniowym.

- ogrzewanie

- zamrażanie

- naświetlanie promieniami rentgenowskimi, krótkofalowymi lub ultrafioletowymi

- naświetlanie radiochemiczne

- ultradźwięki

Podstawowymi czynnikami wpływającymi na proces koagulacji są:

- dawka i rodzaj koagulantu

- odczyn

- temperatura (wody, ścieków)

- prędkość mieszania

- substancje wspomagające

W dodatku bardzo istotną rolę odgrywa skład ilościowo-jakościowy ścieków, tzn. ilość i rodzaj zanieczyszczeń rozpuszczonych, koloidalnych oraz zawiesinowych. Bardzo ważny jest sposób prowadzenia procesu koagulacji.

Ilość koagulantu której należy użyć do uzyskania odpowiedniego stopnia oczyszczenia wody jest różny i powinien być dawką optymalną tj. najmniejszą ilością koagulantu dającą najlepsze wyniki.

Koagulantami nazywamy związki chemiczne (sole), które w wodzie ulegają hydrolizie tworząc nierozpuszczalne wodorotlenki i wolny kwas. Najczęściej stosowanymi koagulantami są sole glinu i żelaza, takie jak:

Al₂(SO₄)₃ x 18 H₂O – siarczan glinu,

Na₂Al₂O₄ – glinian sodu,

Fe₂(SO₄)₃ x 9H₂O- siarczan żelaza (III)

FeCl₃ x6 H₂O- chlorek żelazowy,

FeSO₄ x 7 H₂O- siarczan żelaza (II)

FeSO₄ x H₂O [Fe₂(SO₄)₃ + FeCl₃]- chlorowany siarczan żelazowy

Dawki koagulantów powinny być wyznaczane doświadczalnie dla każdej wody, ścieku. Można je jednak przyspieszać, bądź spowalniać, w zależności od potrzeb. W tym celu stosuje się:

- utleniacze (chlor, ozon, KmnO₄)- nieczyszczenie warstw organicznych koloidów ochronnych,

- wapno, przyspieszenie hydrolizy koagulanta

- tzw. obciążniki (gliny, bentonity, żużle pyliste, popioły lotne itp. oraz osad pokoagulacyjny) – przyspieszenie kłaczkowania i sedymentacji,

- pylisty węgiel aktywny – zwiększenie sorpcji zanieczyszczeń, przyspieszenie kłaczkowania,

- flokulanty mineralne (najczęściej krzemionka aktywowana) i organiczne.

WYKRES ZALEŻNOŚCI DAWKI KOLAGULANTU OD CZASU OPADANIA

Należy wspomnieć tu, iż koagulacja jest jednym z procesów jednostkowych stosowanych w uzdatnianiu wody, który przebiega dwuetapowo. Najpierw następuje przekształcanie koloidu stabilnego w niestabilny (koagulacja), a następnie tworzenie się rozbudowanych aglomeratów (flokulacja). Celem koagulacji jest więc przede wszystkim usuwanie mętności i usuwanie (lub obniżanie) barwy wody. Natomiast celem flokulacji jest połączenie wszystkich małych cząsteczek. Polega na tworzeniu się wiązań chemicznych, na skutek czego łączą się one w duże agregaty, które w bardzo szybki i naoczny sposób wyodrębniają się z roztworu koloidalnego tworząc osad lub najczęściej mętną zawiesinę. Owe Wiązania pomiędzy poszczególnymi cząstkami w tym procesie są silniejsze niż w przypadku koagulacji. Substancje chemiczne wywołujące flokulację nazywane są flokulantami. Jako flokulanty stosuje się związki zarówno pochodzenia naturalnego (np. skrobia, żelatyna) jak i syntetyczne. Związki te muszą być rozpuszczone w wodzie. Ich waga cząsteczkowa jest wysoka (ponad milion g/mol). Powstają ciężkie i porowate agregaty zwane flokułami, po czym następuje ich opadanie pod wpływem siły grawitacji. Opadające flokuły tworzą porowaty osad o dużej objętości.

Flokulanty znalazły szerokie zastosowanie wszędzie tam gdzie w procesach technologicznych operujemy wodą: a zatem w górnictwie, metalurgii, przemyśle chemicznym, papiernictwie, cukrownictwie i innych dziedzinach przemysłu spożywczego, gospodarce komunalnej (woda pitna).

Proces Flokulacji ma zastosowanie w następujących dziedzinach górnictwa:

• przy oczyszczaniu zanieczyszczonych wód po przeróbce wielu surowców mineralnych

• przy oczyszczaniu wód technologicznych zanieczyszczonych produktami wzbogacania w przeróbce węgla, rud miedzi, cynku i ołowiu, żelaza, siarki

• przy odwadnianiu produktów wzbogacania; dodatek flokulanta powoduje przyspieszenie sedymentacji i w konsekwencji pozwala na znaczne zmniejszenie objętości osadników tj. urządzeń, w których ten proces jest przeprowadzany

• przy selektywnym rozdziale dwóch różnych substancji mineralnych rozproszonych w zawiesinie

Przebieg ćwiczenia:

Pierwsze ćwiczenie:

Pierwszą czynnością, którą musimy wykonać jest zmierzenie mętności wody za pomocą odpowiedniego urządzenia, które określa nam tę wartość w jednostkach FTU. Następnie odmierzamy odpowiednią ilość próbki roztworu wody (100 ml) i przelewamy ją do zlewki. Do każdej z nich dodajemy różne ilości koagulantu - siarczanu(VI) glinu:

- 1. probówka: 1 kropla

- 2. probówka: 0,3 ml

- 3. probówka: 0,6 ml

- 4. probówka: 0,7 ml

- 5. probówka: 0,9 ml

- 6. probówka: 1,00 ml

Próbki umieszczamy w mieszadle magnetycznym i mieszamy przez 30 sekund na szybkich obrotach, a następnie przez 150 sekund na słabych obrotach. W sumie cały proces mieszania trwał 3 minuty. Następnie przelewamy roztwory do cylindrów Nesslera i obserwujemy każdą z nich. W ten sposób otrzymujemy 6 próbek z różną ilością koagulantu. Wyniki zapisujemy w zależności od klarowności naszego związku: notujemy kiedy osad opadnie poniżej 50 ml - wtedy obserwujemy czas jaki był potrzebny do osiągnięcia takiego stanu. Jeżeli nie osiągniemy odpowiedniego wyniku w ciągu 25 minut to bierzemy pod lupę odpowiednią probówkę dalej dopóty, dopóki osiągnie stan osadu poniżej 50 ml.

Drugie ćwiczenie:

W drugim ćwiczeniu postępujemy analogicznie do ćwiczenia pierwszego, czyli do zlewki wlewamy 100 ml badanej wody, a następnie dodajemy określoną ilość koagulanta oraz flokulanta. Następnie umieszczamy badaną próbkę na mieszadle magnetycznym i mieszamy 30 sekund na szybki obrotach oraz150 sekund na wolnych obrotach. Następnie wymieszane próbki przelewamy do cylindrów Nesslera. Tak przygotowane rozwory obserwujemy i analizujemy tak jak w ćwiczeniu pierwszym.

Zestawy do wykonania ćwiczenia:

- cylindry Nesslera

- pipeta

- mieszadło "magnetic stirrer"

- koagulant

- flokulant

Analiza wyników badania

Ćwiczenia 1

Nr. próbki	Ilość koagulantu	Ilość osadu po 25 min	Czas opadnięcia osadu do poziomu 50 ml	Obserwacje	Mętność
1	1 kropla	63 ml	42 min	-+, +-, +,	5 FTU
2	0,3 ml	39 ml	16 min	- +, +-, +,	6 FTU
3	0,6 ml	35 ml	14 min	+ -, ++,	5 FTU
4	0,7 ml	35 ml	11 min	+ -, ++,	5 FTU
5	0,9 ml	35 ml	10 min	+ -, ++, +++,	6 FTU
6	1,0 ml	25 ml	7,5 min	+ -, ++, +++, ,"o"	5 FTU

W trakcie wykonywania ćwiczenia prowadzono obserwacje i odnotowano je w następujący sposób:

• - brak jakichkolwiek zmian,

• o opalizacja próbki,

• -+ wyraźne zmętnienie próbki,

• +- początek kłaczkowania,

• + bardzo drobne zawiesiny,

• ++ duże zawiesiny,

• +++ bardzo duże kłaczki zawiesin,

• wolne opadanie zawiesin

• szybkie opadanie zawiesin

- "o" tworzenie się wyraźnej strefy osadu na dnie cylindra

Ćwiczenia 2

Nr. próbki	Ilość koagulantu	Ilość flokulantu	Objętość osadu po 25 min	Czas opadnięcia osadu do poziomu 50 ml	Obserwacje	Mętność
1	0,5 ml	0,1 ml	40 ml	17 min	+ -, ++, +++,	6 FTU
2	0,5 ml	0,15 ml	37 ml	17 min	+ -, ++, +++,	5 FTU
3	0,4 ml	0,1 ml	39 ml	14 min	+ -, ++, +++,	5 FTU
4	0,4 ml	0,15 ml	42 ml	19 min	+ -, +, ++, +++,	5 FTU
5	0,3 ml	0,1 ml	45 ml	22 min	+ -, +, ++, +++,	5 FTU

Zależności czasu opadania od dawki koagulantu

Zależności mętności od ilości koagulantu

Wnioski :

Na podstawie otrzymanych wyników sporządziliśmy wykresy zależności mętności, grubości osadu, jak również czasu sedymentacji 50 cm³ osadu w funkcji ilości kolagulantu oraz flokulantu. Otrzymane wykresy pozwalają nam najtrafniej dobrać jego optymalną dawkę.