UKŁAD KOLOIDALNY - niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.

KOAGULACJA - proces pozwalający na usunięcie z wody koloidów oraz zawiesin trudnoopadajacych.

Istotą procesu jest łączenie się pojedynczych cząstek fazy rozproszonej w większe skupiska (aglomeraty), które można usunąć z oczyszczanej wody na drodze sedymentacji lub filtracji.

*** proces polegający na łączeniu się cząstek rozproszonych koloidu w większe agregaty, tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze.

ETAPY KOAGULACJI:

1. szybkie mieszanie - ma na celu równomierne rozprowadzenie koagulanta w całej masie wody

2. wolne mieszanie - pozwala na właściwy przebieg kłaczkowania

MECHANIZM KOAGULACJI

1. etap destabilizacji układu koloidalnego 2. etap flokulacji

**** Koagulację prowadzi się za pomocą koagulantów, które ulegają hydrolizie a produkty ich hydrolizy powodują koagulację elektrolitem oraz koagulację koloidem o znaku przeciwnym w stosunku do koloidów usuwanych.

Po dodaniu koagulanta do oczyszczanej wody następuje trwająca kilka sekund faza destabilizacji cząsteczek koloidalnych w wyniku reakcji chemicznych i fizycznych. Destabilizująca rola jonów koagulantów polega na neutralizowaniu ładunku elektrycznego usuwanych jonów. Destabilizację koloidów powodują jony i produkty hydrolizy koagulantów (wodorotlenki).

Po fazie destabilizacji następuje trwająca znacznie dłużej faza tzw. flokulacji, w czasie której w wyniku transportu i zderzeń destabilizowanych cząstek powstają kłaczki skutecznie usuwane z wody na drodze sedymentacji lub filtracji.

niestabilne stan

stabilne koloidy ----------------------- > mikrocząsteczki -----------------------> aglomeraty ------------------------- > ustalony

Destabilizacja transport częściowa

i aglomeracja deaglomeracja

KOAGULACJĘ KOLOIDÓW MOŻNA SPOWODOWAĆ POPRZEZ:

- dodanie koloidów o znaku przeciwnym do znaku koloidów obecnych w oczyszczanej wodzie,

- dodanie elektrolitu, który zmniejsza potencjał elektrokinetyczny i ułatwia aglomeracje koloidów obecnych

w wodzie

- działanie promieniami β i α

- ogrzewanie

- działanie mechaniczne np. wstrząsanie lub mieszanie

- dehydratację spowodowaną środkami odwadniającymi

- wymrażanie

- stężanie lub rozcieńczanie zolu

- naświetlanie radiochemiczne, promieniami rentgenowskimi, ultrafioletem

- ultradźwięki

- zmianę pH

EFEKTY SKUTECZNEJ KOAGULACJI :

- duży stopień usuwania koloidów i zawiesin trudnoopadajacych

- zmniejszenie mętności, intensywności barwy

- zmniejszenie ubocznych produktów dezynfekcji, mikrozanieczyszczeń zawartych w wodzie oczyszczanej w postaci form trudno rozpuszczalnych

DYSPERSJA - proces rozdrobnienia substancji rozproszonej (zawieszonej) w układach koloidalnych.

SZYBKOŚĆ KOAGULACJI - warunkowana jest ruchami Browna (których intensywność jest warunkowana przez stężenie cząstek fazy rozproszonej i ich szybkością dyfuzji. Są one wynikiem zderzeń cząstki koloidalnej z cząsteczkami wody).

Oddziaływania międzycząsteczkowe - mogą być regulowane składem elektrolitów w układzie.

SZYBKOŚĆ KOAGULACJI ZALEŻY OD:

- szybkości ruchów Browna

- stężenia polielektrolitu szybkość wzrasta wraz ze wzrostem stężenia elektrolitu

- zawartości cząsteczek zdyspergowanych w zawiesinie koloidalnej

KOAGULANTY

- Na2Al2O4 glinian sodowy

- FeCl₃ •6H20 chlorek żelaza (III)

- Fe(SO₄)₃ •9H20 siarczan żelaza(III)

- FeSO4 •7H2O siarczan żelazowy

- Al₂(SO₄)₃ •18H20 siarczan glinu

- Al2(SO4)3•K2SO4 •24H2O siarczan glinowo potasowy

- Ca(OH)₂ Wodorotlenek wapnia

- NaCl chlorek sodu

- FeCl₂ chlorek żelaza (II)

KOAGULANTY POLIMEROWE - związki wielkocząsteczkowe o strukturze liniowej zawierające grupy funkcyjne obojętne i jonogenne.

Struktura liniowa i hydrofilowy charakter grup decydują o rozpuszczalności polimerów w wodzie.

Rodzaj grup sprawia że oddziałują one na zanieczyszczenia, wywołują ich agregację i przyspieszają sedymentację.

DLACZEGO STOSUJEMY KOAGULANTY POLIMEROWE:

- znaczna ich skuteczność działania, wielokrotnie zwiększają szybkość klarowani wód

- mogą być zamiennikami koagulantów nieorganicznych (związków glinu i żelaza).

Związki żelaza pogarszają smak i barwę, stwarzają warunki rozwoju bakterii żelazowych i innych.

Związki glinu zwiększają ryzyko zachorowań na choroby Parkinsona i Alzheimera oraz choroby krwi.

- flokulanty i koagulanty polimerowe stosowane w bardzo małych ilościach ulegają w wodzie biodegradacji.

- duża skuteczność i możliwość kompleksowego działania sprawiają że należą one do środków ekonomicznych.

PRZEDAWKOWANIE KOAGULANTA - warstwa osadu zamieszanego nie jest stabilna, a rozdział faz bardzo rozmyty co prowadzi do wytworzenia się kłaczków i zablokowania filtrów.

*** Nadmiar koagulanta prowadzi do przewagi cząstek o odmiennym ładunku i tworzy się nowy układ koloidalny.

*** Nadmiar koagulanta powoduje powstanie stabilnego układu koloidalnego o znaku ładunku elektrycznego odpowiadającym ładunkowi stosowanego koagulantu.

OPTYMALNA DAWKA KOAGULANTA - najmniejsza jego ilość niezbędna do przeprowadzenia prawidłowej koagulacji. Szybkość kłaczkowania (flokulacja) jak i wielkość kłaczków pozwalają na szybkie usunięcie większości zanieczyszczeń wody.

REGUŁA HARDY - SCHULZA - zdolność koagulacyjna kationów dwuwartościowych jest ok 80 razy większa, a trójwartościowych 640 razy większa niż jonów metali alkalicznych.

*** wzrost wartościowości jonów elektrolitu znacznie podnosi ich skuteczność koagulacyjnego działania.

*** siła koagulacyjna kationów organicznych wzrasta w miarę wydłużania się łańcucha.

PODZIAŁ KOLOIDÓW:

- fazowe - fizycznie niejednorodne z widoczną granicą rozdziału faz ciecz -ciało stałe. Mają charakter hydrofobowy, na ich powierzchni adsorbują się jony posiadające określony ładunek, nieadsorbuje się woda.

- hydrofobowe - znajdujące się w wodzie (cząstki zawiesin nieorganicznych i bezwodne tlenki metali) powodują mętność wody.

- cząsteczkowe - zbliżone do koloidów fazowych. Roztwory koloidów cząsteczkowych (cząstki organiczne zawieszone, żywe i martwe mikroorganizmy oraz uwodnione tlenki metali) są jednorodne i mają na ogół charakter hydrofilowy. Ich obecność w wodzie wywołuje barwę.

- asocjacyjne składają się z cząstek powstałych przez asocjację cząstek substancji rozpuszczonej. Zmniejszają napięcie powierzchniowe między dwiema fazami. Cząstki koloidu asocjacyjnego zawierają części hydrofobowe i hydrofilowe - tworzą odpowiedni rodzaj emulsji.

STABILNOŚĆ KOLOIDÓW - zależy od stopnia zasolenia ścieków oraz od zawartości substancji powierzchniowo czynnych.

Miernikiem stabilności koloidów jest potencjał elektrokinetyczny ζ.

ZAKRES ZASTOSOWAŃ KOAGULANTÓW POLIMEROWYCH I FLOKULANTÓW:

- proces klarowania, wydzielania zawiesin koloidalnych wywołujących mętność wody, barwę

- zmniejszanie zawartości substancji pożywkowych osadach, ogra­niczających zachodzenie w nich procesów biologicznych, co prowadzi do obniżenia objętości szlamów

- kształtowanie struktury osadów

- dezynfekcja, działanie bakteriobójcze i nicieniobójcze

**** koagulanty i flokulant polimerowe ulegają w wodzie biodegradacji.

SEDYMENTACJA - opadanie cząstek ciała stałego zawieszonego w cieczy pod wpływem siły ciężkości.

SZYBKOŚĆ SEDYMENTACJI - określa czas opadania cząstek zdyspergowanych na jednostkowej drodze. Jednostką szybkości sedymentacji jest m/godz.

- szybkość sedymentacji zależy od ilości dodanego koagulanta polimerowego lub flokulanta.

NaCl - nie jest dobrym koagulantem ponieważ posiada mały ładunek.

PRĘDKOŚĆ SEDYMENTACJI

w =

w - prędkość swobodnego opadania cząsteczki

z - gęstość zawiesiny

FLOKULACJA - połączone w wyniku koagulacji cząstki ulegają dalszemu zlepianiu się i narastania. Powstają w ten sposób aglomeraty o masie i rozmiarach pozwalających na przeprowadzenie procesów filtracji lub sedymentacji. Tworzące się kłaczkowate zawiesiny maja bardzo rozwiniętą powierzchnię .

FLOKULANTY:

- krzemionka aktywowana

- polielektrolity

Poli (akrylamid) Poli (akrylamid) hydrolizowany

CH₂ ─ CH (CH₂ ─ CH)x (CH₂ ─ CH)y

│ │ │

C = 0 C = 0 COOH

│ │

NH NH₂

Poli (chlorek epichlorohydryna amoniowa) Poli (tlenek etylenu)

CH₃

│ CH₂ ─ CH₂ ─ O

N ─ CH₂ ­­─ CH ─ CH₂

│ │

CH₃ OH

OPTYMALNA ILOŚĆ FLOKULANTA - jest zwykle mniejsza niż łączna zdolność powierzchni cząstek stałych do jego adsorpcji.

Optymalna dawka polielektrolitu to taka, która powodują pokrycie co najmniej 50% powierzchni usuwanych zanieczyszczeń. Polielektrolity powodują destabilizację usuwanych koloidów w wyniku neutralizacji ładunku co powoduje aglomerację i powstanie dużych i trwałych kłaczków.

POLIELEKTROLITY - wysokocząsteczkowe polimery organiczne. Zawierają one grupy jonotwórcze.

Dzieli się je na:

- niejonowe (polialkohole, poliamidy)

- anionowe (polimery karboksylowe i sulfonowe)

- kationowe (polimery sulfonowe i fosfoniowe)

MECHANIZM FLOTACJI - DWUSTOPNIOWY:

- adsorpcja makrocząsteczek na cząsteczkach zdyspergowanych i tworzenie flokuł

- łączenie flokuł poprzez tzw mostkowanie w makroflokuły o strukturze zbitej lub porowatej, bardziej stabilnej niż agregaty koagulacyjne.

Makroflokuły łatwiej ulegają sedymentacji, dają się dobrze filtrować

EFEKT FLOKULACJI ZALEŻY OD:

1. parametrów polimeru 2. parametrów układu koloidalnego:

- rodzaje grup funkcyjnych - wielkość i budowa cząsteczek

- polarność - wartość i znak potencjału elektrokinetycznego

- stopień dysocjacji - pH

- znak jonów - wartościowość i znak jonów

- hydrofobowość - stężenie

- stężenie roztworu polimerowego - rodzaj cząsteczek zdyspergowanych