05.12.2014
1
Obrada industrijskih otpadnih voda
II dio dr.sc. Ana Lončarić Božić, izv.prof.ZPIOKT, Savska 16/[email protected]
• industrija papira
• tekstilna industrija
• industrija bojila i pigmenata
• metalurgija i rudarstvo
• industrija umjetnih gnojiva
• prehrambena industrija
• ali i obrada prirodnih voda koje sadrže koloidne čestice
Obrada industrijskih otpadnih voda
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
05.12.2014
2
Fizikalno-kemijska metoda
Princip:
• dodatak kemijskih reagensa
• formiranje čestica koje je moguće ukloniti iz vode gravitacijskom sedimentacijom (taloženjem) ili filtracijom
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
www.ctech-europe.com
Karakteristike otpadnih voda / onečišćivala
• veličina čestica
prave otopine
koloidne disperzije ili koloidne otopine
suspenzije
• koloidne čestice (10-3 – 10-6 mm)
• agregati atoma i molekula ili velike molekule
(npr. proteini)
• koloid – grčke riječi kolla (ljepilo), eidos (oblik, tip)
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
A.P Sincero and G.A. Sincero, Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater, IWA Publishing, London, 2003
05.12.2014
3
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
A.P Sincero and G.A. Sincero, Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater, IWA Publishing, London, 2003
• Koloidne čestice prisutne u vodi uzrokuju
turbiditet i obojenje.
• Koloidne čestice, zbog svoje veličine (male
specifične težine), ne mogu se taložiti pod
utjecajem gravitacije, premale su za uklanjanje
standardnom filtracijom
• Koloidne čestice nalaze se u vodi u stanju
stabilne disperzije.
Koncentracija koloidnih čestica određuje se turbidimetrijom ili nefelometrijomSpektrofotometrijske metodeTurbidimetrija- određuje se dio upadnog zračenja P0 koji je prošao kroz otopinu Pt. Iz razlike se izračunava udio raspršenog zračenjaNefelometrija –direktno mjerenje raspršenog dijela zračenja – prikladnija za niske koncentracije
S=log (I0/It )= k c L(analogno Lambert-Beerovom zakonu A = ε c L)
05.12.2014
4
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
Brzina taloženja koloidnih čestica je vrlo
mala, a računa se prema Stokes-ovom
zakonu:
gdje je
d= promjer čestice, m
ρ = gustoća, kg/m3
g = konstanta, m/s2
η = dinamička viskoznost, Pas
18,0
)(2
2
ηρρ×
×−=
gdv OHs
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
Primjer:Koloidna čestica d=10-5 cmT= 273 K Brzina taloženja: v= 10-6 cm/s • Čestica može prijeći put taloženja od 1 cm za 11,6 dana• Za put taloženja od 100 cm vrijeme taloženja iznosi oko 1160 dana , cca. 3,2 godine. • Koloidne čestice mogu se ukloniti iz vode taloženjem povećanjem veličine čestice, odnosno povećanjem brzine taloženja na oko 2 do 4 m/h.
• U svrhu povećanja veličine koloidnih čestica neophodno je smanjenje naboja do ± 5 mV, jer se u ovom području električki nabijene čestice mogu približiti do 10 Ǻ (10-7 cm), kada započinje djelovanje van der Waals-ove privlačne sile.
05.12.2014
5
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
A.P Sincero and G.A. Sincero, Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater, IWA Publishing, London, 2003
Uzrok stabilnosti disperzije je afinitet čestica prema
otapalu (vodi) odn. odbojne sile između koloidnih
čestica.Afinitet prema otapalu
• hidrofobne
• hidrofilneHidrofobne čestice su imaju negativan površinski naboj i njihova disperzija je stabilna uslijed elektrostatskog odbijanja
Hidrofilne čestice imaju veliki afinitet prema vodi. Obično imaju vrlo slab površinski naboj (-), ali disperzija se stabilizira hidratacijom. U stvari su otopine, ali se zbog veličine čestica (molekula) ubrajaju u koloidne otopine
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
A.P Sincero and G.A. Sincero, Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater, IWA Publishing, London, 2003
Koloidne disperzije ne posjeduju električni naboj
Negativni površinski naboj koloidnih čestica neutraliziran je protunabojem vodene faze.
Rezultat: postojanje električnog dvosloja na granici faze koloidna čestica- voda (slika)
05.12.2014
6
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
A.P Sincero and G.A. Sincero, Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater, IWA Publishing, London, 2003
• Zbog odbojnih sila između čestica istoimenog
naboja koloidne čestice ne mogu se dovoljno
približiti da bi se pod djelovanjem van der
Waalsovih privlačnih sila povezale u agregate
• Povezivanjem koloidnih čestica u veće
agregate omogućava se njihovo taloženje i
uklanjanje iz vode
• Proces koagulacije /flokulacije
Destabilizacija disperzije
prevladavanje odbojnih sila
A.P Sincero and G.A. Sincero, Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater, IWA Publishing, London, 2003
Ovisnost međučestičnih sila o udaljenosti
Van der Waalsove privlačne sile
odbojne sile
Kada se čestice dovoljno približe –prevladavaju privlačne sile
05.12.2014
7
a 61Vr
∝
1. Privlačne van der Waalsove sile su vrlo jake na malim udaljenostima:
1. Elektrostatske odbojne sile:
R 21Vr
∝
Smanjivanje udaljenosti (r) → stvaranje agregata, rast čestica
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
Koagulacija, lat. coagulare = dovesti skupa
1) Koagulacija
Destabilizacija → Prevladavanje odbojnih sila
Proces u kojem koloidne čestice dispergirane ili otopljene u tekućem mediju gube svoju stabilnost, te se sjedinjuju formirajući nakupine više čestica. Kada ove nakupine dosegnu određene veličine, ne pokazuju Brown-ovo kretanje, podliježu djelovanju sile teže i talože se.
2) Flokulacija, lat. flocculus = čuperak vune ili labava vlaknasta struktura
Proces kontakta i rasta čestica.
05.12.2014
8
Mehanizmi destabilizacije koloidnih disperzija
1) Kompresija difuznog dvosloja• Promjena ionske jakosti otopine• Postiže se dodatkom tzv. indiferentnih elektrolita (ioni koji
nemaju specifičan afinitet prema koloidnoj čestici)• Visoka koncentracija elektrolita u otopini rezultira visokom
koncentracijom protuiona u difuznom sloju• Volumen difuznog sloja smanjuje se kako bi zadržao
neutralnost• Posljedica: smanjuje se debljina difuznog sloja• KOMPRESIJA• Na manjoj udaljenosti do izražaja dolaze privlačne sile• Učinkovitost destabilizacije (koagulacije) ovim mehanizmom
povećava se s povećanjem naboja iona• [Na+]:[ Ca2+]:[ Al3+]=1:10-2:10-3 za destabilizaciju istog koloida
Mehanizmi destabilizacije koloidnih disperzija
2) Adsorpcija i neutralizacija naboja• Dodatak protuiona (+) koji imaju specifičan afinitet prema
površini koloida • Njihovom adsorpcijom na površini smanjuje se primarni
površinski naboj čestice • Rezultat: smanjenje odbojnih sila• Primjer : dodecilamonijev kation C12H25 NH3
+
• Hidrofoban je, penetrira do površine koloida i adsorbira se i neutralizira je
• Optimalna doza koagulanta proporcionalna je koncentraciji koloida (onečišćivala)
• Stehiometrija koagulacije
05.12.2014
9
Mehanizmi destabilizacije koloidnih disperzija
3) Zahvaćanje u talog• Neke metalne soli Al (III) i Fe(III) (najčešće Al2(SO4)3 FeCl3)
kada se dodaju u vodu stvaraju talog• Al(OH)3(s), Fe(OH)3(s) • Potrebne količine koagulanta - veće od granice topljivosti
hidroksida• Primjer:
Fe(OH)3 ↔Fe3+ + 3OH-
Kpt=[Fe3+] [OH-]3= 10-38
• Prisutne koloidne čestice zahvaćaju se u talog i na taj način se uklanjaju iz vode
• “sweep” koagulacija
Mehanizmi destabilizacije koloidnih disperzija
4) Adsorpcija i međučestično premošćivanje• Dodatak polimera kao sredstva za koagulaciju/flokulaciju• Polimerna molekula jednim se krajem veže na površinu
koloida, a drugim se krajem može vezati na drugu česticu tvoreći “most”
• Stvara se kopleks čestica- polimer –čestica
05.12.2014
10
Najčešći način destabilizacije koloida u
procesima obrade voda
koagulacijom/flokulacijom je adsorpcija
koagulanta i dahvaćnje u talog
Sredstva za koagulaciju/flokulaciju
• anorganska
• organska
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA
Sredstva za koagulaciju:anorganskasoli polivalentnih kationaAl2(SO4)3
Fe2(SO4)3
FeCl3[Al2(OH)nCl6-n]m Polialuminij klorid,
PAC
Sol Mol. koncentracija
KCl 50 10-3
CaCl2 0.65 10-3
AlCl3 0.095 10-3
Tablica: identičan koagulacijski efekt s različitim solima za koloidnu otopinu As2S3.
Sredstva za koagulaciju:organska
hidrolitičke reakcije Al(III) → [Al8(OH)20]4+ najčešća formula kompleksa
05.12.2014
11
Parametri procesa koagulacije/flokulacije
• sastav vode,
• pH
• tip i koncentracija koagulanta
• temperatura
• intenzitet i trajanje miješanja u odabranoj konfiguraciji uređaja
“jar test”
optimalni parametri procesa
Utjecaj pH na učinkovitost procesa
• rezultati jar testa
05.12.2014
12
Utjecaj koncentracije koagulanta na učinkovitost procesa
• rezultati jar testa
KOAGULACIJA / FLOKULACIJA2 osnovna koraka, stupnja
I stupanj: • dodatak koagulanta (flokulanta) • brzo miješanje, • destabilizacija
• Promjena ionska jakosti medija –kompresija električnog dvosloja
• Promjena svojstva koloidnih čestica –adsorpcija i neutralizacija
• Adsorpcija i međučestično povezivanje• Zahvaćanje u talog
• početak stvaranja flokulaII stupanj: • sporo miješanje, • kontaktiranje • rast flokula
05.12.2014
13
I stupanj
Brzo miješanjeReakcije hidrolize; brze reakcijeKarakteristična veličina - Intenzitet miješanjaG x t produkt
Vrijeme kontakta (s) 20 30 40 60
Gradijent brzine (s-1) 1000 900 790 700
G PV
=μ
G = gradijent brzine, s-1
P = snaga (unešena miješanjem), WV = volumen vode u tanku, m3
μ= dinamički viskozitet, Past = trajanje miješanja, s
II stupanj
Sporo miješanjeRast česticaOmogućiti kontaktiranje čestica Spriječiti “slamanje”aglomerata”Spriječiti taloženje u uređaju za flokulaciju.
G x t = 10 -105
G = 10- 75 s-1
t = 10-30 min (600- 1800 s)
G prevelik – smična naprezanja ne dozvoljavaju formiranje velikih flokula
G premali – smanjena vjerojatnost kolizije čestica – nema rasta flokula
05.12.2014
14
Doziranje reagensa
Brzo miješanjeKoagulacija
Destabilizacija čestica
Sporo miješanjeFlokulacija
Sudari čestica / Rast flokula
Talog / mulj
filtracija
Doziranje pomoćnih reagensa
dezinfekcija ?
Ulaz vode
Izlaz vode
Koagulacija / flokulacija