05.12.2014

1

Obrada industrijskih otpadnih voda

II dio dr.sc. Ana Lončarić Božić, izv.prof.ZPIOKT, Savska 16/IIabozic@fkit.hr

• 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