Opadanie swobodne cząstki kulistej

W matematycznym ujęciu zjawiska sedymentacji przyjmuje się ze opadanie pod wpływem siły ciężkości cząstka jest kulista, opada w ośrodku spokojnym w czasie opadania nie zwiększa swojej masy i objętości. Jest to tzw. Cząstka ziarnista w odróżnieniu od cząstki kłaczkowatej. Cząstka początkowo opada ruchem przyśpieszonym a po krótkim czasie następuje równowaga między siłami oporu, a siłą ciężkości i zaczyna opadać ruchem jednostajnym .

G=(ρ_cz−ρ_H20) * V_cz * g

$$R = \lambda_{H_{2}0}*F_{\text{cz}}*\rho_{H_{2}0}*\frac{\text{Vo}^{2}}{2}$$

$$V_{\text{cz}} = \frac{4}{3}\pi r^{3} = \pi d^{6}$$

$$F_{\text{cz}} = \pi\frac{d^{2}}{4}$$

G=R

$$Vo = \sqrt{\frac{4\left( \rho_{\text{cz}} - \rho_{H_{2}0} \right)*d*g}{3*\lambda_{H_{2}0}*\rho_{H_{2}0}}}$$

Prędkość opadania cząstek zależy od prędkości i rodzaju przepływu, od rozmiaru cząstek, temperatury, stężenie cząstek

Flotacja metody

Flotacja gazowa składa się z trzech zasadniczych faz :

- wytworzenie pęcherzyków gazu w objętości oczyszczanej wody

-aglomeracja cząstek stałych z pęcherzykami gazów

- separacja powstałych aglomeratów

Pęcherzyki powietrza mogą być wytworzone w różny sposób a z uwagi na stosowaną metodę, flotację dzieli się na: ciśnieniową, bezciśnieniową i elektroflotacje.

Podczas flotacji ciśnieniowej wydzielenie pęcherzyków powietrza z wody wcześniej napowietrzonej uzyskuje się przez obniżenie ciśnienia wody poniżej atmosferycznego lub przez podwyższenie ciśnienia, a następnie rozprężenia układu do ciśnienia atmosferycznego

We flotacji bezciśnieniowej do oczyszczanej wody ( bez uprzedniej korekty cisnienia) wprowadza się pęcherzyki powietrza, stosując dyfuzory lub inne urządzenia służące do napowietrzenia i dyspergowanania powietrza. Ten rodzaj flotacji nazywa się flotacją powietrzem dyspergowanym, natomiast flotacja ciśnieniowa nazywana jest flotacją powietrzem rozpuszczonym.

W elektroflotacje źródłem pęcherzyków gazu jest elektroliza wody, w wyniku której na katodzie wydziela się wodór, a na anodzie tlen. Powstające pęcherzyki gazów są jednorodne, a ich wielkość jest nieznacznie większa od wymiarów pęcherzyków powietrza uzyskiwanych w procesie flotacji ciśnieniowej.

Koagulacja – usuwa się cząstki o d= 10⁻⁷ − 10⁻⁸.Istota polega na dyspersji cząstek w wodzie w wyniku łączenia w większe aglomeraty, które można usunąć przez sedymentację, flotacje lub filtracje. Jest to proces powszechnie stosowany w oczyszczaniu większości wód powierzchniowych, rzadziej infiltracyjnych i podziemnych. Właściwie przebiegająca koagulacja zapewnia nie tylko duży stopień usuwania koloidów i zawiesin trudno opadających, ale również zasocjonowanych z nimi innych zanieczyszczeń, w tym również mikrozanieczyszczeń. Tak więc efektem skutecznej koagulacji jest zmniejszenie mętności wody, intesnsywnosci barwy, wskaźników zanieczyszczeń organicznego, w tym prekursorów ubocznych produktów dezynfekcji i utleniania chemicznego oraz zawartości wielu mikro zanieczyszczeń, głownie występujących w oczyszczanej wodzie w postaci form trudno rozpuszczalnych lub asocjatów.Koagulacja solami glinu i żelaza zapewnia Duzy stopień usuwania metali ciężkich i radionuklidówi niektórych pestycydów

Budowa cząstki koloidalnej:

0-A- jadro, 0-B granula, 0-C micela ζ- różnica między warstwami B i C potencjał elektrochemiczny, warstwa do A – jądro, warstwa do B- warstwa adsorpcyjna, do C- warstwa dyfuzyjna. Ładunek ujemny w jadrze powinien być kompensowany przez ładunek w warstwie dyfuzyjne i adsorpcyjnej. Ładunek całej cząsteczki jest taki jak ładunek jądra. Przyjmuje się ζ < 70 mV – powyżej nie zachodzi w praktyce musi być <30 ( koagulacja wolna), jeżeli ζ =0 koagulacja szybka nie ma warstwy dyfuzyjnej

Sposoby wołania koagaulacji

Aby wywołać koagulacje należy:

-obniżać wartość potencjału ζ czyli obniżyć grubość warstwy dyfuzyjnej

-cząsteczki koloidalne muszą być w odległości od 0-50 mm aby zadziałały siły Wanderwalsa

- dodanie koagulanta o znaku przeciwnym

- dodanie elektrolitu

- działanie promieniami gamma i beta

- ogrzewanie

-wymrażanie

- mieszanie wód o różnym składzie fizyko- chemicznym

- wstrząsanie

- dehdratacja

Rodzaje koagulantów i reakcje

- siarczan glinowy Al₂(SO₄)₃*18H₂0 

Reakcja dysocjacji

Al₂(SO₄)₃ 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻

Reakcja hydrolizy

2Al³⁺ + 2H₂0 2Al(OH)²⁺ + 2H⁺

2Al(OH)²⁺ + 2H₂O →  2Al(OH)₂⁺ +  2H⁺

2Al(OH)₂⁺ + 2H₂O 2Al(OH)₃ + 2H⁺

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂0 2Al(OH)₃ + 6H⁺ + 3SO₄²⁻

H₂SO₄ + Ca(HCO₃)₂ → CaSO₄ + 2CO₂ + 2H₂O

Kwas siarkowy zużywa naturalną zasadowość wody, jeżeli jest go za dużo dodajemy Ca(OH)₂

H₂SO₄ + Ca(OH)₂ →  CaSO₄ + 2H₂O

W środowisku kwaśnym

Al(OH)₃ + H⁺ →  Al³⁺ + 2H₂O

Al(OH)₃ + nAl³⁺ * 3(n − x) SO₄²⁻*3xSO₄²⁻ koagulant dodatni

W środowisku zasadowym

Al(OH)₃ + OH⁻-> AlO₂⁻ + 2H₂O

Al(OH)₃ * nAlO₂⁻ * 2(n−x)Al³⁺ * 2xAl³⁺- koagulant ujemny

Siarczan glinowo potasowy Al₂(SO₄)₃*K₂SO₄*24H₂0

Siarczan żelazowy Fe₂(SO₄)₃*9H₂0

dysocjacja

Fe₂(SO₄)₃ 2Fe³⁺ + 3SO₄²⁻

hydroliza

2Fe³⁺ + 2H₂0 2Fe(OH)²⁺ + 2H⁺

2Fe(OH)²⁺ + 2H₂0 2Fe(OH)₂⁺ + 2H⁺

2Fe(OH)₂⁺ + 2H₂0 2Fe(OH)₃ + 2H⁺

Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂0 2Fe(OH)₃ + 6H⁺ + 3SO₄²⁻

Fe₂(SO₄)₃ + Ca(HCO₃)₂ →  Fe(OH)₃ + CO₂

Siarczan żelazawy FeSO₄* 7H₂0

dysocjacja

FeSO₄ Fe²⁺ +  SO₄²⁻

hydroliza

Fe²⁺+ H₂0 Fe(OH)⁺ + H⁺

Fe(OH)⁺+ H₂0 Fe(OH)₂ + H⁺

FeSO₄ + 2H₂O Fe(OH)₂+SO₄²⁻ + 2H⁺

Spolimeryzowany chlorek glinowy

Glinian sodowy Na₂Al₂O₄

Na₂Al₂O₄ + 4H₂O-> 2NaOH +2Al(OH)₃

NaOH->Na⁺ + OH⁻

Chlorek żelazowy FeCl₃* 6H₂0

Dysocjacja

FeCl₃ Fe³⁺ +  3Cl⁻

hydroliza
Fe³⁺ + H₂0 Fe(OH)²⁺ + H⁺

Fe(OH)²⁺ + H₂0 Fe(OH)₂⁺ + H⁺

Fe(OH)₂⁺ + H₂0  Fe(OH)₃ +  H⁺

FeCl₃ +  3H₂0 Fe(OH)₃ +  3H⁺ +  3Cl⁻

Koagulacja wapnem –przebiega trójstopniowo w miarę wzrostu stężenia wapna w roztworze I wzrostu pH

pH>9,5

Ca(OH)₂ + CO₂ →  Ca(HCO₃)₂

pH>10,5

Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ →  CaCO₃ ↓ +H₂O

pH>11,5

Ca(OH)₂ + Mg(HCO₃)₂ → Mg(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂

Mechanizm koagulacji:

1 etapie zachodzi dysocjacja koagulanta, mamy jony Al3+, za małe stężenie aby zaszła hydroliza. Ilość jonów w WD jest za mała by neutralizować jadro i ilość jonów Al3+ jest za mała w roztworze aby zaszła hydroliza.

2. etap- strefa koagulacji od wolnej do szybkiej występuje przyciąganie

3.- dawka koagulantu zwiększa ilość cząstek koagulantu w roztworze

4. Nastepuje zagęszczenie ładunku dodatniego w WD, cząstka się zneutralizowała, cząsta zmienia ładunek na dodatni ze względu na wzrost ładunku

5. koloid wymiana SO2-

Jeżeli koloid ma ładunek ujemny, to koagulant ma ładunek dodatni, to czynnik wspomagajacy ma ładunek ujemny

Podział cząstek koloidalnych

-hydrofobowe ( nie otaczają się wodą ) nadają wodzie mętność w przewodzie należą do nich: gliny, krzemionka koloidalna, iły oraz koloidlne formy niektórych związków chemicznych wytrącających się w środowisku wodnym

-hydrofilowe(otaczają się wodą)- nadają wodzie barwę i utlenialność głownie związki organiczne pochodzenia zwierzęcego, skrobia, uwodnione tlenki metali, związki humusowe ekstrahowane z gleby, albo z biochemicznej przemiany związków organicznych (gnicie)

Substancje wspomagające koagulacje

Część ze stosowanych substancji działa jako obciążniki kłaczków a inne wspomagają koagulacje i zwane są flokulantami.Do obciążników należą : gliny, bentonit, ziemia Fullera, pył granitowy, anhydrytowy, drobny piasek kwarcowy lub mielony węglan wapnia.Wspomagają one koagulacje szczególnie w zakresie niskich temperatur ,10 stopni. Stanowią zarodniki dla tworzących się kłaczków, obciążają je, poprawiają ich sedymentacje. Wspomaganie koagulacji w tym wypadku ma charakter głównie mechaniczny.

Typowymi flokulantami tj. substancjami wspomagającymi flokulacje są krzemionka aktywowana i polielektrolity są to wysokocząsteczkowe polimery organiczne. Dzieli się je na naturalne i syntetyczne. Naturalne to skrobia, celuloza. Syntetyczne powstają w wyniku polimeryzacji monomerów organicznych. Polimery anionowe i nie anionowe stosuje się jako substancje wspomagające flokulacje, natomiast kationowe również jako koagulanty samodzielne

Utleniacze – Cl2, O3, HMnO4- zniszczenie powłoki ochronnej wokół koloidów rozbicie cząstki na mniejszą

Metody przeprowadzenia koagulacji

- koagulacja objętościowa

Komora szybkiego mieszania - komora wolnego mieszania - osadniki(sedymentacja) – filtr pspieszny

- koagulacja kontaktowa

Komora szybkiego mieszania – osadnik kontaktowy ( osad znajduje się w zawieszeniu utrzymuje przepływ wody z dołu do góry)

-Koagulacja powierzchniowa

Komora szybkiego mieszania – filtr pospieszny( przepływ przez ten filtr może być z góry na dół albo z dołu do góry)