Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku - Białej	Imię i nazwisko: 1.	Rok 3	Grupa 2	Zespół 5
Pracownia : Technologii wody i ścieków	Temat ćwiczenia: Koagulacja wody - ustalenie optymalnej dawki koagulantu i wyznaczenie czasu flokulacji.	Nr ćwiczenia: 1
Data oddania sprawozdania:	Zwrot do poprawy:	Data oddania:	Data zaliczenia:	Ocena:

Wstęp teoretyczny.

Koagulacja- polega na zmniejszeniu stopnia dyspersji układu koloidalnego. Spośród wielu

czynników powodujących destabilizację układu, a w rezultacie koagulację, w technologii

wody praktyczne znaczenie mają dwa, a mianowicie: działanie elektrolitu oraz działanie

koloidu o znaku ładunku przeciwnym do znaku ładunku cząstek koloidalnych znajdujących

się w wodzie.

Celem koagulacji jest przede wszystkim usuwanie mętności i obniżanie barwy wody.

Przyczyną mętności wody jest obecność w niej iłów, koloidalnej krzemionki lub koloidalnych

związków wapnia. Iły to głównie glinokrzemiany, montmorylonit (podstawowy składnik glin)

i kaolin, czyli ziemia Fullera. Za barwę wody odpowiedzialne są substancje humusowe.

Przedostają się one do wód powierzchniowych na skutek ekstrakcji gleb zawierających

humus, lub w wyniku procesu humifikacji, tj. procesu naturalnego rozkładu materii

organicznej. W wodach podziemnych substancje humusowe pojawiają się w rezultacie

ekstrakcji ksylitów lub węgli brunatnych.

Za pomocą koagulacji usuwa się z wody przede wszystkim koloidy, a także drobną

zawiesinę i niektóre substancje rozpuszczone. Obecność koloidów w wodach naturalnych jest

skutkiem wymywania z gleby iłów, glinokrzemianów, substancji humusowych, a także

połączeń humusowo-mineralnych.

Do najczęściej stosowanych w oczyszczaniu wody koagulantów należą sole glinu i żelaza tworzące w wyniku hydrolizy dodatnio naładowane połączenia skutecznie destabilizujące obecne w oczyszczanej wodzie koloidy. Do związków tych należą:

• siarczan glinowy Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O

• siarczan żelazowy Fe₂(SO₄)₃ · 9H₂O

• siarczan żelazawy FeSO₄ · 7H₂O

• chlorek żelazowy FeCl₃ · 6H₂O

Oprócz podstawowych koagulantów istnieją tzw. środki wspomagające, które dzielimy na:

• kwasy (solny, siarkowy) i zasady (wapno),

• naturalne nieorganiczne flokulanty (bentonit, ziemia Fullera),

• sztuczne nieorganiczne flokulanty (krzemionka aktywna) i sztuczne organiczne flokulanty(polielektrolity).

Na prawidłowy przebieg procesu koagulacji ma wpływ wiele czynników, spośród których należy wymienić:

• naturalny skład wody,

• rodzaj i ilość zanieczyszczeń występujących w wodzie,

• rodzaj i dawka koagulantu,

• substancje intensyfikujące proces flokulacji,

• temperatura,

• czas szybkiego i wolnego mieszania.

Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesem koagulacji oraz ustalenie optymalnej dawki koagulantu i wyznaczenie czasu flokulacji.

Wykonanie ćwiczenia.

Doświadczenie nasze rozpoczęłyśmy od przygotowania próbek. Nalałyśmy do trzech zlewek o pojemności 2 l po 1,5 l badanej wody. Następnie dodałyśmy odpowiednie dawki koagulantu FeCl₃ zawierające odpowiednio: 10, 30 i 60 mg Fe/l wody. Po dodaniu koagulantu, zawartość zlewek mieszałyśmy szybko przez 1 minutę, po czym zmierzyłyśmy odczyn wody i wykonałyśmy korektę za pomocą roztworu HCl do wartości pH = 8,5. Po wymieszaniu próbki zostały poddane procesowi flokulacji trwającemu 30 minut. W tym czasie dokładnie obserwowałyśmy widoczne gołym okiem zmiany zachodzące w wodzie, aby stwierdzić, po jakim czasie powstają wyraźne kłaczki, jaka jest ich wielkość oraz po jakim czasie zaczynają wykazywać tendencję do sedymentacji. Wyniki tych obserwacji umieściłyśmy w poniższej tabeli.

W tym samym czasie oznaczałyśmy także temperaturę, odczyn, mętność, barwę, kwasowość ogólną, zasadowość wobec fenoloftaleiny i ogólną oraz żelazo w wodzie surowej. Po zakończeniu obserwacji opadania zawiesin pokoagulacyjnych przeprowadziłyśmy analizę właściwości trzech próbek w celu porównania ich z wynikami badań wody surowej poddanej koagulacji.

Temperaturę oznaczyłyśmy za pomocą termometru, odczyn za pomocą pH-metru, natomiast mętność za pomocą spektrofotometru.

Barwa została oznaczona według skali dwuchromianowo-kobaltowej. W tym celu musiałyśmy odmierzyć do cylindra Nesslera o pojemności 100ml próbki badanych wód, a następnie porównać je ze skalą wzorców.

Kwasowość została oznaczona wobec fenoloftaleiny. W tym celu musiałyśmy odmierzyć 100cm³ badanych próbek wody do cylindra miarowego z doszlifowanym korkiem. Wodę wprowadzałyśmy tak, aby nie napowietrzać jej. Następnie dodałyśmy 10 kropli roztworu fenoloftaleiny i kilka kropli roztworu winianu sodowo-potosawego. Po tej czynności w próbce zawierającej 10 i 30 mg Fe/l woda zabarwiła się na różowo, co oznaczało iż nie zawiera ona kwasowości ogólnej. Natomiast w wodzie surowej i próbce zawierającej 60mg Fe/l dalej prowadziłyśmy oznaczenie kwasowości ogólnej miareczkując próbki wody roztworem 0.1n NaOH do słabo różowego zabarwienia, nie znikającego przez co najmniej 3 minuty, mieszając próbkę po każdym dodaniu porcji roztworu NaOH. Każde oznaczenie poszczególnych próbek wody wykonałyśmy dwukrotnie.

Zasadowość ogólną oznaczyłyśmy odmierzając do kolby stożkowej o pojemności 250cm³, 100cm³ badanych próbek wody, następnie dodałyśmy 4 krople roztworu fenoloftaleiny a po zabarwieniu roztworu na różowo miareczkowałyśmy próby 0.1n HCl aż do zaniku zabarwienia. Do próbek wody dodałyśmy 3 krople oranżu metylowego i dalej miareczkowałyśmy próby do pierwszej zmiany zabarwienia roztworu z żółtej na łososiową. Każde oznaczenie poszczególnych próbek wody wykonałyśmy dwukrotnie

Żelazo oznaczałyśmy kolorymetryczną metodą rodankową. W tym celu musiałyśmy do cylindra Nesslera odmierzyć 100ml badanych próbek wody, a następnie dodać 10ml roztworu HCl i 0,5ml roztworu nadtlenku wodoru 3% i wymieszać zawartość. Po upływie 5minut dodałyśmy 5ml roztworu rodanku amonu 5%, wymieszałyśmy całość i porównałyśmy powstałe zabarwienie ze skalą wzorców.

Przykładowe obliczenia wyników poszczególnych oznaczeń zamieszczone są poniżej, a wszystkie wyniki zestawione zostały w tabeli.

Pomiary i obliczenia.

1. Ustalenie odpowiednich dawek koagulantu (roztworu FeCl₃) dla wód zawierających 10, 30, 60 [mgFe / l]

1. Przykładowe obliczenie dla 10 mg Fe / l wody:

V_H2O= 1,5 [dm³] C^Fe3+= 10 [ mg/l] FeCl₃ – 5% , d_FeCl3= 1,05 [g/cm³] M_FeCl3= 162,2 [g/mol] M_Fe= 55,9 [g/mol]

Zakładając gęstość roztworu koagulantu ρ = 1,05 g/ml o stężeniu 5% otrzymano następujące zależności:

5 gFeCl₃ - 100g _r-ru

x - 1,05g

x = 0,0525 g FeCl₃ / 1cm³

x = 52,5 mgFeCl₃ / 1cm³

162,2 mgFeCl₃ – 55,9 mgFe

x₁ mgFeCl₃ – 10 mgFe

x₁ = $\frac{162,2\ \bullet 10}{55,9}$ = 29 mgFeCl₃

52,5 mg FeCl₃ – 1cm³

29 mg FeCl₃ – x₂

x₂ = 0,55 cm³ ≈ 0,6 cm³ ( w 1l)

tak więc w 1,5 l badanej wody - 0,9 cm³

1. dla 30 mg Fe/l wody = 2,7 cm³ FeCl₃

2. dla 60 mg Fe/l wody = 5,4 cm³ FeCl₃

1. Przebieg flokulacji oceniony wg skali:

1 – opalizacja ↓ - początek opadania

2 – początek kłaczkowania ↓↓ - szybkie opadanie

3 – kłaczki bardzo drobne ↓↓↓ - bardzo szybkie opadanie

4 – kłaczki drobne

5 – klaczki średnie

6, 7 – kłaczki dość duże

8 – kłaczki duże

9,10 – kłaczki bardzo duże

Tabela 1. Wyniki obserwacji wolnego mieszania

Dawka koagulanta [mg Fe/l]	Czas flokulacji [min]
	1
10	2
30	3
60	5↓

Czas sedymentacji:

dla próbki I: 24 minut dla próbki II: 20 minut dla próbki III: 16 minut

1. Opis przebiegu analizy wody surowej oraz przebadanych próbek.

W wodzie surowej wykonano oznaczenia barwy, mętności, odczynu, temperatury, kwasowości ogólnej, zasadowości wobec fenoloftaleiny i zasadowości ogólnej oraz żelaza.

a) temperatura – 20 [^oC]

b) mętność – 10 FAU

c) barwa:

X =$\ \frac{a\ 100}{V}$ [mg Pt/ l]

X = $\frac{5\ \bullet 100}{100}$ = 5 [mgPt / l]

gdzie:

a – odczytana ze skali wzorców barwa próbki wody – 5 [mg Pt/ l]; V – objętość wody użyta do oznaczania – 100 [ml].

1. odczyn: pH = 7,16

2. zasadowość ogólna (wobec oranżu metylowego)

X = $\frac{a\text{\ \ } \bullet \ n\ \bullet \ 1000}{V}$ [mval/dm³]

X = $\frac{\ \ 3,04\ \bullet \ 0,1\ \bullet 1000}{100}$ = 3,04 [mval/dm³]

gdzie:

a – ilość roztworu kwasu zużytego na zmiareczkowanie próby, a = 3,04 [cm³];

n – normalność roztworu kwasu solnego, n = 0,1;

V– objętość próbki wody zużytej do oznaczenia, V = 100 [ml].

1. zasadowość wobec fenoloftaleiny – brak

2. kwasowość ogólna:

K_og = $\frac{a\text{\ \ \ } \bullet \ 100}{V}$ [mval/dm³]

K_og = $\frac{50\ \ \bullet \ 0,57}{100}$ = 0,285 [mval/dm³]

gdzie:

a – ilość roztworu 0,05 n NaOH zużyta do zmiareczkowania próbki badanej wody wobec fenoloftaleiny, a = 0,57 [ml];

V – objętość próbki wody zużytej do oznaczenia, V = 100 [ml].

1. żelazo:

X =$\ \frac{a\ \ 1000}{V}$ [mg Fe_og / l]

X = $\frac{0,03\ \bullet \ 1000}{100}$ = 0,3 [mg Fe_og / l]

gdzie:

a – ilość żelaza w próbce odczytana ze skali wzorców, a = 0,03 [mg Fe_og / l]; V - objętość próbki wody użyta do oznaczenia, V = 100 [ml].

Tabela 2. Wyniki analiz fizykochemicznych dla wód zawierających 10, 30, 60 [mgFe / l]

Reagent	Wyniki oznaczeń
Fe (FeCl3)	Mętność
mg/l	FAU
10	0
30	1
60	0
woda surowa	10

4. Skuteczność usunięcia barwy oraz mętności dla wody zawierającej 10 [mgFe / l]

1. % usunięcia barwy = $\frac{\text{barwa}\ \text{wody}\ \text{surowej} - \text{barwa}\ \text{wody}\ \text{dla}\ \text{danej}\ \text{dawki}}{\text{barwa}\ \text{wody}\ \text{surowej}}$ ∙ 100 %

% usunięcia barwy = $\frac{5\left\lbrack \frac{\text{mgPt}}{l} \right\rbrack - 5\ \lbrack\frac{\text{mgPt}}{l}\rbrack}{5\ \lbrack\frac{\text{mgPt}}{l}\rbrack}$ ∙ 100 % = 0%

1. % usunięcia mętności = $\frac{me\text{tno}sc\ \text{wody}\ \text{surowej} - me\text{tno}sc\ \text{wody}\ \text{dla}\ \text{danej}\ \text{dawki}}{me\text{tno}sc\ \text{wody}\ \text{surowej}}$ ∙ 100 %

% usunięcia mętności = $\frac{10\left\lbrack \frac{\text{mg}\text{SiO}2}{l} \right\rbrack - 0\ \lbrack\frac{\text{mg}\text{SiO}2}{l}\rbrack}{10\ \lbrack\frac{\text{mg}\text{SiO}2}{l}\rbrack}$ ∙ 100 % = 100 %

Tabela 3. Skuteczność usunięcia barwy i mętności dla wód zawierających 10, 30, 60 [mgFe/ l]

	% usunięcia barwy	% usunięcia mętności
10	0	100
30	0	90
60	0	100

Wykres 1.Skuteczność usunięcia barwy i mętności dla wód zawierających 10, 30, 60 [mgFe/l]

Wnioski:

Celem ćwiczenia było ustalenie optymalnej dawki koagulantu pozwalającej przeprowadzić proces koagulacji umożliwiającej powstanie dużych, łatwo opadających kłaczków a także równoczesne uzyskanie wody o odpowiednio niskich wartościach barwy oraz mętności. Można zauważyć, że podczas zwiększenia dawki koagulanta widoczne jest znaczne zmniejszenie zasadowości. Przy procesie sedymentacji przy dawce 10 mg i 30 mg Fe można zauważyć stosunkowo wolne opadanie zawiesiny bez wyraźnie wytwarzającego się osadu na dnie. Znacznie szybciej przebiegała sedymentacja przy dawce 60 mg, podczas której kłaczki szybko opadały, tworząc wyraźny osad na dnie. Barwa w każdej dawce jest taka sama. Udało nam się usunąć 100% mętność w wodzie w dawce 10 i 60, natomiast w dawce 30 usunęliśmy 90% mętności. Na podstawie obserwacji wolnego mieszania- flokulacji, wyciągnęłyśmy wnioski, że optymalną dawką koagulantu, dzięki której udało się uzyskać pożądane wskazania jest dawka 10 mg Fe/dm³. Po analizie wyników obserwacji przebiegu procesu koagulacji wysunęłyśmy taki wniosek, iż optymalny czas flokulacji dla wyłonionej dawki 10 mg Fe/dm³ wynosi 20 minut, gdyż po upływie tego czasu nie zaobserwowałyśmy już dalszego powiększania się kłaczków, co jest równoważne ze zwiększeniem się tempa ich sedymentacji.

Bibliografia:

1. „Laboratorium z technologii wody”. Skrypty uczelniane Politechniki Śląskiej, Waldemar Sawiniak.

2. „Oczyszczanie wód i ścieków przemysłowych metodą koagulacji” Kucharski J., Moniuszko A.

3. „Chemiczne i fizyko chemiczne oczyszczanie ścieków” Anielak A.M.