POLITECHNIKA LUBELSKA

Wydział Mechaniczny

Temat: Koagulacja

MD 102.4a

Wstęp teoretyczny.

Koagulację definiuje się jako proces łączenia cząstek koloidalnych oraz drobnej zawiesiny w zespoły cząstek (aglomeraty) w wyniku zaistnienia destabilizacji układu, co można uzyskać przez:

• dodanie do koloidalnego, zawiesinowego roztworu elektrolitu obniżającego potencjał elektrokinetyczny;

• wytworzenie wodorotlenków metali, na których absorbują się jony, koloidy i cząstki zawiesinowe;

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

Zjawiska zachodzące na granicy faz, w procesie koagulacji i współstrącania, są ściśle związane z potencjałem powierzchniowym cząstek koloidalnych i zawiesinowych - a więc z podwójną warstwą elektryczną.

Potencjał elektrokinetyczny stabilnych koloidów, roztworów quasikoloidalnych wynosi 70 mV. Przy zmniejszeniu potencjału do 30 mV rozpoczyna się koagulacja cząstek, a szybka koagulacja ma miejsce, gdy potencjał ς zbliża się do zera. Wielkość potencjału ς stanowi zatem o stabilności układu rozproszonego. Im wyższy potencjał tym większe siły odpychające działają między cząstkami.

Oprócz elektrostatycznych sił odpychania (lub przyciągania) działają siły międzycząsteczkowe van der Waalsa, w wyniku których cząsteczki przyciągają się wzajemnie. Przy czym siły te działają na bardzo małą odległość, a ich energia przyciągania jest odwrotnie proporcjonalna do szóstej potęgi promienia odległości między środkami odpowiednich ładunków. W przypadku cząstek o kształcie kulistym oddziaływanie sił dyspersyjnych (Londona) jest odwrotnie proporcjonalne do promienia odległości co oznacza, że zasięg działania tych sił jest największy, dlatego przyjmuje się, że koagulacja zachodzi w wyniku działania sił van der Waalsa - Londona, które pojawiają się po pokonaniu wału energetycznego. O zaistnieniu koagulacji lub nie, zgodnie z teorią DOLV (podaną niezależnie przez Derjaguina, Overheeka, Londona i Verweya), decyduje wypadkowa siły elektrostatycznej i sił van der Waalsa - Londona.

Jedna z teorii mówi, że proces koagulacji zachodzi przede wszystkim w wyniku oddziaływań elektrostatycznych między jonami, dipolami wodnymi i ładunkiem powierzchniowym ciała stałego. Przebieg zachodzącego procesu koagulacji wygląda następująco:

1. Teoria zakłada polarny charakter powierzchni cząstki ciała stałego, o nadmiarze ładunków ujemnych. Powierzchnia taka w wodzie ulegać będzie hydratacji. Woda nawet chemicznie czysta, nie zawierająca ani kwasów, ani zasad ulega w bardzo małym stopniu dysocjacji (autodysocjacji). Stąd cząstki ciała stałego będącego w wodzie destylowanej, w warstwie Sterna będą miały zaadsorbowane dipole wodne, zwrócone do ujemnie naładowanej powierzchni cząstki ciała stałego swym dodatnim biegunem. Teoretycznie potencjał warstwy adsorpcyjnej powinien odpowiadać potencjałowi powierzchniowemu cząstki ciała stałego. Cząstki takie, zakładając znaczny potencjał powierzchniowy, nie będą koagulować.

2. Do wyżej wymienionego roztworu dodany jest koagulant, na przykład sól kationu dwuwartościowego. Sól w wodzie ulega dysocjacji. Kationy, mając większy dodatni ładunek od dipoli wodnych, wypierają je z powierzchni cząstki ciała stałego i wiążą się z powierzchnią tego ciała stałego jednym elektronem. W warstwie Sterna następuje spadek potencjału elektrycznego, proporcjonalny do ilości zaadsorbowanych w tej warstwie kationów. Zmniejsza się wtedy potencjał elektrokinetyczny.

3. Zwiększa się dawkę koagulantu. Wzrasta w warstwie adsorpcyjnej stężenie kationów. W warstwie adsorpcyjnej są jeszcze dipole wodne, których ujemne bieguny kompensują dodatni ładunek ostatniego orbitalu kationu. Potencjał warstwy Sterna spada do zera. Teoretycznie nie ma warstwy dyfuzyjnej. Cząstki ciała stałego nie odpychają się, zbliżają się do siebie na odległość warstwy Sterna, zachodzi agregacja cząstek.

4. Następuje ukierunkowanie się względem siebie warstw Sterna cząstek ciała stałego - w wyniku elektrostatycznego przyciągania się ujemnych biegunów wodnych dipoli do kationów o nieskompensowanym ładunku dodatnim. Zachodzi koagulacja.

5. Kationy będące w warstwach Sterna, wykazują do powierzchni ciała stałego większe powinowactwo niż dipole wodne. W wyniku tego będące na granicy faz dipole wodne zostają wyparte przez kationy, które ostatecznie łącząc cząstki ciała stałego tworzą trwałe flokuły. Jest to koagulacja trwała.

6. Dalsze zatężanie roztworu kationami, będzie zwiększać ich stężenie w warstwie Sterna. Potencjał elektrokinetyczny zmieni swój znak z ujemnego na dodatni. Wartość jego będzie wzrasta wraz z ilością zaadsorbowanych w warstwie Sterna kationów. Maksymalny dodatni potencjał, przy adsorpcji kationu dwuwartościowego, powinien odpowiadać bezwzględnej wartości potencjału powierzchniowego ψ_o. Przy adsorpcji kationów trójwartościowych, potencjał Sterna będzie ≈2ψ_o. W warstwie dyfuzyjnej zatężają się ujemne przeciwjony. Koagulacja nie zachodzi. Nastąpiło przedawkowanie koagulantu.

7. W wyniku dalszego zwiększania dawki koagulantu wzrasta stężenie ujemnych jonów na wewnętrznej powierzchni warstwy dyfuzyjnej. Płaszczyzna ścinania powstaje nie w odległości grubości warstwy Sterna, a w odległości zwartej wewnętrznej części warstwy dyfuzyjnej wypełnionej ujemnymi przeciwjonami. Potencjał elektrokinetyczny zmniejsza swoją dodatnią wartość, a nawet przy dużym stężeniu przeciwjonów na wewnętrznej powierzchni warstwy dyfuzyjnej może przyjąć wartości ujemne.

Najczęściej jako elektrolity stosowane są sole żelaza i glinu, czyli sole metali wielowartościowych, łatwo ulegające hydrolizie. Sole kationów dwuwartościowych mają mniejszą zdolność koagulacyjną od soli kationów trójwartościowych. Dlatego często w trakcie koagulacji jony Fe(II) przeprowadza się w Fe(III) przez utlenianie, np. chlorem:

6FeSO₄ + 3Cl₂ = 2Fe₂(SO₄)₃ + 2FeCl₃

Reasumując, prowadząc koagulację solami hydrolizującymi, zachodzą równocześnie:

• koagulacja polegająca na łączeniu się, w wyniku wzajemnego przyciągania, rozproszonych cząstek zanieczyszczeń stałych o różnoimiennym ładunku powierzchniowym;

• adsorpcja rozpuszczonych substancji na wytrącających się wodorotlenkach i w podwójnej warstwie elektrycznej koagulowanych cząstek;

• elektrostatyczne przyciąganie wytrącających się wodorotlenków i rozproszonych cząstek zanieczyszczeń stałych;

• współstrącanie chemiczne i strącanie chemicznych osadów, spełniających w procesie koagulacji taką samą funkcję jaką pełnią wytrącające się wodorotlenki.

Czynniki wpływające na proces koagulacji

Podstawowymi czynnikami wpływającymi na proces koagulacji są:

• dawka i rodzaj koagulantu;

• odczyn;

• temperatura ścieków;

• prędkość mieszania;

• środki wspomagające.

Ponadto bardzo ważny jest skład ilościowo - jakościowy ścieków, tzn. ilość i rodzaj zanieczyszczeń rozpuszczonych, koloidalnych oraz zawiesinowych.

Odczyn

Wielkość pH zależy od rodzaju koagulowanych cząstek i rodzaju dozowanego koagulantu.

Proces koagulacji solami glinu powinno się prowadzić przy pH = 5,5÷8,0. Przy wyższych wartościach pH wytrącony wodorotlenek glinowy rozpuszczając się przechodzi w glinian.

Optymalne warunki dla koagulacji solami żelazawymi są w zakresie pH > 9. Kłaczki wytrącającego się wodorotlenku są duże, ciężkie i łatwo sedymentujące. Przy odczynie pH < 8 wodorotlenek żelazawy ma znaczną rozpuszczalność.

Sole żelazowe mogą być stosowane w granicach pH = 4÷7 oraz powyżej 8,5. Wydzielony wodorotlenek ma dobre właściwości sedymentacyjne.

Przy koagulacji ścieków węglanem magnezowym wymagany jest wysoki odczyn pH = 11,3.

Temperatura ścieków

Aby zaistniała koagulacja zdyspergowanych cząstek, konieczny jest ich wzajemny kontakt. Samoistna koagulacja cząstek koloidalnych następuje pod wpływem dyfuzji cieplnej. Podniesienie temperatury koagulowanych ścieków podwyższa energię i ruchliwość cząstek, co powinno prowadzi do przyspieszenia procesu koagulacji. Wzrost temperatury wpływa korzystnie na proces strącania chemicznego, ponieważ wzrasta szybkość reakcji chemicznej. Natomiast jeżeli usuwanie zanieczyszczeń następuje głównie w wyniku adsorpcji na wydzielonych osadach koagulantu, wyższa temperatura powoduje obniżenie wpływu efektów koagulacji.

Wpływ mieszania

Mieszanie ścieków w procesie koagulacji ułatwia i przyspiesza kontakt koagulowanych cząstek. W ten sposób efekty koagulacji można uzyskać po kilkunastu lub kilkudziesięciu minutach. Duże prędkości mieszania są korzystne w pierwszym etapie koagulacji, do rozprowadzenia koagulantu w całej objętości ścieków. Powstawanie dużych aglomeratów jest możliwe przy małych prędkościach mieszania, umożliwiających kontakt i nierozrywających powstałych połączeń między cząstkami. Dlatego w praktyce rozróżnia się mieszanie szybkie i mieszanie wolne. Czas szybkiego mieszania zależy od rodzaju stosowanego mieszadła, przeciętnie jest w granicach 10 ÷ 120 s, prędkość obrotowa mieszadeł powinna wynosić 0,5 ÷1,0 m/s. Mieszanie wolne odbywa się w komorach wolnego mieszania, w których ścieki powinny cyrkulować z prędkością około 0,3 m/s, co przeciwdziała opadaniu wytrąconych kłaczków na dno. Prędkości powyżej 0,7 m/s powodują rozbijanie kłaczków.

Środki wspomagające

Celem uzyskania dużych kłaczków, łatwo sedymentujących, w procesie koagulacji stosowane są substancje wspomagające. Do takich substancji można zaliczyć bentonity, pylisty, węgiel aktywny i inne. Substancje te mogą spełniać rolę obciążnika wytrącanego osadu. Mogą również stanowić koloid, zawiesinę o przeciwnym znaku ładunku powierzchniowego do ładunku powierzchniowego koagulowanych cząstek. W drugim przypadku uzyskujemy przyspieszenie procesu koagulacji przez elektrostatyczne przyciąganie się cząstek o różnoimiennym ładunku powierzchniowym.

Proces koagulacji można wspomagać dodając flokulanty. Mechanizm działania polielektrolitu polega na jego adsorpcji na koloidzie.

Dawki koagulantów

Dawki koagulantów powinny być wyznaczone dla każdego przypadku doświadczalnie. Orientacyjne wielkości dawek technicznego uwodnionego siarczanu glinowego (d, g/m³) można obliczyć według wzorów:

D - dawka koagulantu

B - barwa

M - mętność

Przebieg ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest badanie zanieczyszczenia wody z Bystrzycy za pomocą procesów sedymentacji i koagulacji.

Przed procesami przeprowadziliśmy następujące pomiary:

• Wodę z Bystrzycy (rozcieńczona 1/5)

• Barwa B = 30Pt/dm³

• Mętności M = 100 x 5 = 500mg/dm³

• pH = 7,9

• Stąd obliczamy dawkę koagulantu

D = 6
= 32

D = 6
= 6 x 24 = 144

32 + 144 = 176

175 : 5 = 32 ml

Do dwóch litrów wody dodano 20 cm³ koagulantu, którym był 0,5% chlorek żelaza (FeCl₃). Do wody dodano wodorotlenek wapnia Ca(OH)₂ w celu podwyższenia pH. Część wody przefiltrowano, a część wody wlano do wlewka. Po procesie koagulacji wyznaczono barwę i mętność, która wynosiła:

B = 5 ÷ 10 Pt/dm³

M = 10 mg/dm³

pH = 6,8

Tak więc widać, że zaszły procesy redukcji, które wynosiły

R_B = (B_O - B_I/B_O) x 100% = (30 - 10/30) x 100% = 66,7%

R_M = (M_O - M_R/M_O) x 100% = (500 - 10/500) x 100% = 98%

We wlewku natomiast zaobserwowano proces opadu osadu na dno w określonym czasie, objętość osadu wynosiła po:

5 min - 60 cm³

10 min - 52 cm³

15 min - 46 cm³

20 min - 35 cm³

25 min - 27 cm³

30 min - 24 cm³

35min - 23cm³

Wnioski:

Proces sedymentacji i koagulacji zapewnił nam gruntowną przemianę własności fizycznych wody, jej ulepszenia. W wyniku koagulacji uzyskano stopień redukcji mętności 98% i barwy 66,7%. Wynika z tego, że proces ten jest dobrym sposobem wstępnym oczyszczania wodnego, gdyż woda skierowana bezpośrednio na filtr bardzo szybko zapchałaby go. Natomiast po oddzieleniu osadu otrzymuje się prawie czystą wodę, którą poddaje się dalszemu procesowi uzdatniania.

Z wykresu widać, że osad samoczynnie opada w czasie. Coraz mniejsza szybkość opadania powoduje to, że osad oddziaływuje na opadające cząstki. W celu przyspieszenia opadania należałoby dodać krzemionki, która zwiększyłaby masę zawiesiny.

Literatura

B. Gomółka - Podstawy ochrony środowiska.

E. Kempa - Podstawy ochrony środowiska.

I. Wiatr - Inżynieria ekologiczna.

---