Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Temat ćwiczenia: Badanie procesu sedymentacji zawiesin mineralnych.
Gospodarka Wodna i Ochrona Wód, ćwiczenia laboratoryjne Prowadzący: dr inż. Agnieszka Surowiak
Wykonali: Paweł Sobczak Piotr Musiał
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii kierunek: Ochrona Środowiska studia zaoczne, rok II, semestr III, grupa 2
Data wykonania ćwiczenia: 24 listopad 2012 r.

SPIS TREŚCI

SPIS TREŚCI 2

1. Wstęp teoretyczny i opis ćwiczenia. 3

1.1. Wstęp teoretyczny. 3

1.2. Opis ćwiczenia i cel ćwiczenia. 4

2. Tabele i wyniki pomiarów. 5

3. Wykresy. 6

4. Obliczenia dla procesu sedymentacji. 8

5. Wnioski. 9

6. Protokół pomiarów. 9

Wstęp teoretyczny i opis ćwiczenia.

Wstęp teoretyczny.

Sedymentacja – osiadanie fazy stałej w fazie ciekłej w wyniku działania sił grawitacyjnych.

Zawiesina – związek dwufazowy składający się z cząstek fazy stałej i cieczy, w którym fazą zdyspergowaną (rozproszoną) są cząstki fazy stałej, a fazą dyspergującą jest faza ciekła.

Miarę zagęszczenia początkowego zawiesiny wyrażamy:

$$\beta = \frac{Q_{s}}{V_{z}},\ \lbrack g/\text{cm}^{3}\rbrack.$$

Podczas procesu sedymentacji rozróżniamy dwie fazy, z których każda posiada kilka stref – przedstawionych na rysunkach poniżej:

1. faza przejściowa:

1. faza końcowa z przesuniętą granicą mętności:

Miarą sedymentacji jest przesunięcie granicy mętności w czasie, a prędkość sedymentacji wyznaczamy z krzywej sedymentacji poprzez zrzutowanie najbardziej prostoliniowego odcinka krzywej sedymentacji na oś t (∆t) i h (∆h). Prędkość obliczamy na podstawie wzoru:

$$v_{\text{sed}} = a \bullet \frac{h}{t}\ ,\lbrack m/s\rbrack.$$

Opis ćwiczenia i cel ćwiczenia.

Ćwiczenie polegało na odmierzeniu odpowiedniej ilości zwietrzeliny bazaltowej (β_p=70 g/litr) i zmieszaniu jej z wodą w cylindrze z naniesioną skalą podziałową. Następnie należało obserwować proces sedymentacji i notować w tabeli czas oraz poziom przesunięcia granicy mętności. Ćwiczenie to należało powtórzyć dokładnie tak samo, z tą różnicą, że do drugiego procesu dodano uprzednio flokulant (MAGNAFLOC 919) o stężeniu 0,05% w obliczonej ilości 2,1 ml. Wyniki obserwacji należało również zestawić w tabeli – podobnie jak przy pierwszym procesie.

Celem ćwiczenia było: wyznaczenie krzywej sedymentacji, obliczenie prędkości sedymentacji, wyznaczenie pola powierzchni projektowanego osadnika i jego średnicy dla obu przypadków.

Tabele i wyniki pomiarów.

Bez flokulantu
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.

Z flokulantem
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.

Wykresy.

Obliczenia dla procesu sedymentacji.

UWAGA: Wszystkie wartości oznaczone indeksem ₁₎ dotyczą procesu sedymentacji w warunkach swobodnego opadania, natomiast wartości oznaczone indeksem ₂₎ dotyczą procesu sedymentacji z użyciem flokulantu.

1. Wyznaczenie średniej objętości osadu:

$x = \frac{a \bullet V_{c}}{h} = \frac{0,027 \bullet 0,0005}{0,25} = 0,000054\ m^{3}$.

gdzie:

x – średnia objętość osadu, [m³],

a – wysokość osadu w cylindrze na koniec pomiaru, a=27 mm=0,027m,

h – wysokość cylindra, h=250 mm=0,25m,

V_c – objętość cylindra, V_c=0,5 dm³=0,0005m³.

1. Wyznaczenie zagęszczenia końcowego:

$\beta_{k} = \frac{\beta_{p}}{x} = \frac{70000}{0,000054} = 1,2963 \bullet 10^{9}\ \lbrack g/m^{3}\rbrack$.

gdzie:

x – średnia objętość osadu, x=0,000054 m³,

β_p – zagęszczenie początkowe osadu, β_p=70 g/l=70000 g/m³,

β_k – zagęszczenie końcowe osadu, [g/m³].

1. Wyznaczenie zawartości fazy stałej (wartość bezwymiarowa):

$$\alpha = \frac{{\beta_{k} \bullet \rho}_{s}}{\rho_{s}{\bullet \rho}_{c} + \beta_{k} \bullet \left( \rho_{s} - \rho_{c} \right)} = \frac{1,2963 \bullet 10^{9} \bullet 265010^{9}}{265010^{9} \bullet 998,203310^{9} + 1,2963 \bullet 10^{9} \bullet (265010^{9} - 998,203310^{9})} = 1,2976 \bullet 10^{- 3}.$$

gdzie:

ρ_s – gęstość zwietrzeliny bazaltowej, ρ_s=2650 kg/cm³=2650⋅10⁹ g/m³,

ρ_c – gęstość cieczy, ρ_c=ρ_{w (dla 20°C)}=998,2033 kg/cm³=998,2033⋅10⁹ g/m³,

1. Obliczenie gęstość zawiesiny:

$$\rho_{z} = \frac{\rho_{s}{\bullet \rho}_{c} + \beta \bullet \left( \rho_{s} - \rho_{c} \right)}{\rho_{s}} = \frac{265010^{9} \bullet 998,203310^{9} + 1,2963 \bullet 10^{9} \bullet (265010^{9} - 998,203310^{9})}{265010^{9}} = 9,99 \bullet 10^{11}\ g/m^{3}.$$

1. Wyznaczenie prędkości sedymentacji dla obu procesów, wartości ∆h₁ i ∆h₂ oraz ∆t₁ i ∆t₂ wyznaczono na podstawie wykresu. Rzuty powyższych wartości zaznaczono linią przerywaną na obu wykresach.

– prędkość sedymentacji dla procesu sedymentacji bez użycia flokulantu:

$$v_{sed,\ 1} = \frac{h_{1}}{t_{1}} = \frac{200 - 15}{535 - 50} = 0,38\ mm/s = 1,368\ m/h.$$

– prędkość sedymentacji dla procesu sedymentacji z użyciem flokulantu:

$$v_{sed,\ 2} = \frac{h_{2}}{t_{2}} = \frac{170 - 0}{90 - 0} = 1,88\ mm/s = 6,768\ m/h.$$

1. Obliczenie pól powierzchni osadników:

$$F_{1} = a \bullet \frac{v_{p}}{v_{sed,1}} = 2 \bullet \frac{500}{1,368} \cong 731\text{\ m}^{2},$$

$$F_{2} = a \bullet \frac{v_{p}}{v_{sed,2}} = 2 \bullet \frac{500}{6,768} \cong 147,75\ m^{2}.$$

gdzie:

V_p – objętościowe natężenie przepływu (przelewu), v_p=500 m³/h.

1. Wyznaczenie średnicy osadników:

$$r_{1} = \sqrt{\frac{F_{1}}{\pi}} = \sqrt{\frac{731}{3,14}} \cong 15,26\ m,$$

$$r_{2} = \sqrt{\frac{F_{2}}{\pi}} = \sqrt{\frac{147,75}{3,14}} \cong 6,86\ m.$$

Wnioski.

Na podstawie wykresu oraz obliczonych wartości prędkość sedymentacji dla obu procesów sedymentacji można jednoznacznie stwierdzić, że użycie flokulantów poprawia parametry procesu. Prędkość sedymentacji dla procesu z użyciem flokulantu jest ok. 5-krotnie większa, niż bez jego zastosowania. Na prędkość sedymentacji mają również wpływ parametry zawiesiny: gęstość – im mniejsza tym szybszy proces, rozdrobnienie – im większe tym szybszy proces.

Patrząc na wykres można stwierdzić, że proces zachodzi w konkretnym przedziale czasowym. Czas procesu sedymentacji ma tutaj mniejsze znaczenie, ponieważ (w przypadku naszych doświadczeń) jego wydłużenie nie wpłynęło na przesunięcie granicy mętności. Należy jednak zaznaczyć, że proces nie może trwać zbyt krótko.

Obliczone powierzchnie osadników oraz ich promienie pozwalają na wysunięcie następującego wniosku. Użycie flokulantów (lub koagulantów) w procesach sedymentacji pośrednio wpływa na koszty inwestycyjne przy budowaniu osadników. Jeżeli w procesie zostanie zastosowany flokulant to zdecydowanie można zmniejszyć ich rozmiary, przy zachowaniu takiej samej prędkości napływu zanieczyszczonej wody.

Protokół pomiarów.