Sprawozdanie z ćwiczeń laboratoryjnych z Ochrony Środowiska: Koagulacja i flokulacja zawiesin mineralnych
rok
kierunek
grupa
Tomasz Mazurek Piotr Rybka Michał Wiśniowicz Barbara Gąbka

1. Wstęp teoretyczny

Koagulacja to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze. Istnieje koagulacja odwracalna i nieodwracalna, a także spontaniczna i wymuszona. W wyniku koagulacji może następować zjawisko żelowania, tworzenia się past i materiałów stałych, sedymentacji lub pokrywania powierzchni mieszaniny warstwą fazy rozproszonej.

Typowe struktury koagulacyjne to dyspersje polimerów, niektóre rodzaje farb, tworzywa sztuczne, oraz produkty koagulacji białek, takie jak np. jogurt. Koagulacja białka występuje na skutek zniszczenia jego trzeciorzędowej struktury, prowadzącego do łączenia się rozpuszczalnych w wodzie białek w nierozpuszczalne strzępki i całkowitej utraty ich aktywności biologicznej. Koagulacja białek może następować pod wpływem temperatury lub czynników chemicznych (np. wysokiego stężenia soli, tzw. wysalanie).

Koagulantami nazywamy związki chemiczne (sole), które w wodzie ulegają hydrolizie tworząc nierozpuszczalne wodorotlenki i wolny kwas.

Najczęściej stosowanymi koagulantami są sole glinu i żelaza, jak:

Al₂(SO₄)₃x 18 H₂O – siarczan glinu

Na₂Al₂O₄ – glinian sodu

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

FeCl₃ x6 H₂O – chlorek żelazowy

FeSO₄ x7 H₂O – siarczan żelaza (II)

FeSO₄ x7 H₂O [Fe₂(SO₄)₃ + FeCl₃] – chlorowany siarczan żelazowy

Ilość koagulantu potrzebna do uzyskania odpowiedniego stopnia oczyszczenia wody jest różna i powinna być dawką optymalną, tj. najmniejszą ilością koagulantu dającą najlepsze wyniki. Dawka optymalna Al₂(SO₄)₃ dla różnych wód waha się od kilkunastu do kilkuset mg/dm³

Środki wspomagające koagulację

Celem stosowania środków wspomagających koagulację jest przyspieszenie

powstawania kłaczków i ich sedymentacji, zwiększenie powierzchni właściwej kłaczków, a

więc ich pojemności sorpcyjnej, zmniejszenie ujemnego wpływu niskich temperatur wody,

rozszerzenie optymalnego dla koagulacji zakresu pH i zmniejszenie dawki koagulantu.

Substancjami wspomagającymi koagulację mogą być substancje nieorganiczne lub

organiczne. Dawki substancji wspomagających są mniejsze niż koagulantów. Część ze

stosowanych substancji działa jako obciążniki kłaczków, inne wspomagają flokulację.

Do obciążników należŜą gliny, bentonit, ziemia Fullera, pył granitowy, anhydrytowy, drobny

piasek kwarcowy lub mielony węglan wapniowy. Typowymi flokulantami są krzemionka

aktywowana oraz polielektrolity.

Flokulacja - jest to końcowy etap niektórych rodzajów koagulacji t.j. wypadania osadu z koloidów. Dokładnie jest to proces tworzenia się wiązań chemicznych między micelami, na skutek czego micele łączą się w duże agregaty, które w widoczny sposób wypadają z mieszaniny tworząc osad lub mętną zawiesinę.

Flokulanty

Flokulantami są substancje polimerowe o łańcuchowej budowie cząsteczki, rozpuszczalne w wodzie a ich masa cząsteczkowa jest od około miliona do kilkunastu milionów

Flokulanty stosuje się do przyspieszania opadania ziarn, polepszania filtracji, wzbogacania minerałów, modyfikacji procesu flotacji.

Istota procesu flokulacji

Flokulanty anionowe są szczególnie przydatne przy klarowaniu i odwadnianiu zawiesin mineralnych w ośrodkach z odczynem zasadowym lub obojętnym.

Flokulanty obojętne mają najszersze zastosowanie zarówno w przeróbce węgla, soli i rud.

Flokulanty kationowe uzywane są przede wszystkim do klarowania zawiesin substancji organicznych. Można je stosować do zawiesin charakteryzujących się odczynem kwaśnym (np. w metalurgii).

Flokulanty można podzielić na:

- Flokulanty mineralne – będące związkami silnie koagulującymi których działanie polega na adsorpcji lub neutralizacji ładunków ciał będących w zawiesinie. Najczęściej stosowanymi są: krzemionka aktywowana, niektóre aktywowane gliny.

- Flokulanty organiczne - będące polimerami rozpuszczalnymi w wodzie mogącymi posiadać ładunek dodatni, ujemny lub zerowy. W tym ostatnim przypadku ich działanie polega na adsorpcji. Najbardziej znanymi flokulantami organicznymi są: pochodne amylowe (np. skrobia kartoflana i kukurydziana), algianty (otrzymywane z alg morskich i mają charakter anionowy)

Flokulanty syntetyczne - są to poliakryloamidy będące pochodnymi akryloamidu, mające charakter niejonowy. Grupa funkcyjna amidowa jest silnie polarna i pozwala na „mostkowanie” (silne fizyczne wiązania) z cząsteczkami koloidalnymi poprzez wiązania Van der Waalsa. Dotychczas otrzymano całą serię pochodnych przez kopolimeryzację z tą strukturą:

- ze związkami o charakterze kwasowym – kopolimery anionowe

- ze związkami typu aminy – kopolimery kationowe

1. Zestaw do wykonania ćwiczenia

• cylindry Nesslera

• mieszadło magnetyczne

• zlewki

• spektrofotometr

• koagulant (?)

• flokulant (?)

1. Przebieg badania

Próbkę badanej mętnej wody umieszczono w spektrofotometrze celem zmierzenia jej początkowej mętności. Pomiar wykazał mętność 344 FTU. Do sześciu cylindrów Nesslera wlano po 100 cm³ badanej mętnej wody. Następnie wodę z pierwszego cylindra przelano do zlewki, pipetą zakroplono ustaloną wcześniej dawkę koagulantu (dawki koagulantu podane niżej w wynikach doświadczenia). Zlewkę umieszczono na mieszadle magnetycznym i mieszano przez czas trzech minut ( pierwsze 30 sekund na obrotach szybkich, pozostałe 180 sekund na obrotach zmniejszonych). Po wymieszaniu zawartość zlewki przelano do cylindra, obserwując próbkę i zapisując czas opadnięcia flokuł do 50 cm³ w cylindrze. Po 20 minutach zbadano mętność wody po koagulacji. Analogicznie badanie przeprowadzono dla pięciu pozostałych próbek.

Po uzyskaniu wyników mętności wody dla wszystkich próbek, dokonano ustalenia optymalnej dawki koagulantu.

Badanie przeprowadzono jeszcze raz: dla trzech próbek wody z dawką koagulantu wynoszącą 0.5 cm³ i różnymi dawkami flokulant- 0.1 cm³, 0.15 cm³, 0.2 cm³ oraz dla dwóch próbek z dawką koagulantu wynoszącą 0,4 cm³ i dawkami flokulantu: 0.1 cm³ i 0.2 cm³. Badanie przeprowadzono w analogiczny sposób jak poprzednio: dodając do próbki wody odmierzoną ilość koagulantu i flokulantu, mieszając przez czas trzech minut i odstawiając próbki na czas dwudziestu minut. Po tym czasie dokonano pomiaru mętności wody.

1. Opracowanie wyników badania

Dawki koagulantu użyte w badaniu:

1	2	3	4	5	6
1 kropla	0.2 cm^3	0.5 cm^3	0.8 cm^3	1.0 cm^3	1.2 cm^3

Mętność początkowa wody:

1. pomiar	344 FTU
2. pomiar	343 FTU

Zestawienie wyników badania pierwszych sześciu próbek

numer próbki	dawka koagulantu [cm^3]	czas koagulacji (do opadnięcia flokuł poniżej 50 cm^3)	mętność próbki po czasie 20 minut [FTU]
1	1 kropla	po dłuższym czasie	156
2	0.2	7 minut	7
3	0.5	9 minut	3
4	0.8	5 minut	9
5	1.0	6 minut	7
6	1.2	6 minut	10

Jako optymalną dla badanej wody przyjęto dawkę koagulantu wynoszącą 0.5 cm³.

Zestawienie danych z badania wody z użyciem flokulantu.

Numer próbki	Dawka koagulantu [cm^3]	Dawka flokulantu [cm^3]	czas koagulacji (do opadnięcia poniżej 50 cm^3)	Mętność próbki po 20 minutach [FTU]
1	0.5	0.1	10 minut	5
2	0.5	0.15	8 minut	10
3	0.5	0.2	12 minut	4
4	0.4	0.1	7 minut	8
5	0.4	0.2	10 minut	5

1. Wnioski

Początkowa mętność wody wynosiła 344 FTU. Na podstawie wykonanych analiz udało się dobrać optymalną dawkę koagulantu, potrzebną do jej oczyszczenia, która wyniosła 0,5 cm³/100 cm³ wody. Mętność tak oczyszczonej z fazy stałej wody wyniosła 3 FTU. Czas potrzebny na opadnięcie flokuł do poziomu 50cm³ w cylindrze wyniósł 9 minut.

Po ustaleniu optymalnej dawki koagulantu i przeprowadzeniu badań służących ustaleniu optymalnej dawki flokulantu można wysunąć następujące wnioski:

• najkrótszy czas opadania wystąpił przy dawce 0,4 cm³ koagulantu i 0,1 cm³ flokulantu. Jednakże mętność tak otrzymanej próbki wyniosła 8 FTU, co jest wynikiem niezadowalającym

• najmniejszą mętność wody wynoszącą 4 FTU uzyskano przy dawce 0,5 ml koagulantu i 0,2 ml flokulantu i czasie opadania wynoszącym 12 minut. Jak wynika z naszych obserwacji jest to czas dłuższy o 3 minuty od czasu opadania próbki z 0,5 cm³ koagulantu bez dodania flokulantu. Również mętność wody jest o 1 FTU wyższa.

Na podstawie wyników badań można stwierdzić, iż dodanie flokulantu nie przyspieszyło efektu opadania osadu. Również nieznacznie wzrosła mętność tak oczyszczonej wody. Powodem tego, może być niedokładne określenie optymalnej dawki koagulantu. Pomiar mętności również mógł być przeprowadzony niedokładnie; w próbce mogły się znaleźć drobiny wytrąconego osadu, przez co mętność oczyszczonej wody wzrosła.

Reasumując, optymalna dawka koagulantu dla badanej wody wynosi 0,5 ml koagulantu na 100 ml wody. Przy tej dawce otrzymujemy najlepsze efekty koagulacji- mętność wynoszącą 3 FTU i czas opadania 9 minut. Koagulacja najlepiej przebiega bez udziału flokulantu, przy udziale którego wzrasta czas opadania cząstek i mętność oczyszczonej wody.
Jeśli jednak w procesie oczyszczania analizowanej wody musiałby brać udział flokulant, optymalną dawkę stanowiłaby 0,2 ml na 100 ml wody.