KOAGULACJA DOMIESZEK WODY

Transkrypt

1 KOAGULACJA DOMIESZEK WODY 1. WPROWADZENIE 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. 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. Oprócz koloidów pochodzenia naturalnego w wodach powierzchniowych występują również układy antropogenne pochodzące głównie ze ścieków: białko, skrobia, hemiceluloza, polipeptydy, czy niektóre barwniki organiczne. 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. Proces koagulacji przebiega w dwóch etapach: - etap pierwszy polega na destabilizacji układu, - etap drugi polega na aglomeracji cząstek będącej rezultatem ich nadmiernego zbliżania do siebie, lub zderzania i nazywa się flokulacją. Z kolei we flokulacji rozróżnia się dwie fazy: - flokulację perikinetyczną, kiedy zderzenia cząstek wywołane są czynnikami naturalnymi, głównie ruchami Brown a, - flokulację ortokinetyczną, gdzie zderzenia cząstek zachodzą pod wpływem oddziaływań zewnętrznych. 1

2 W technologii wody decydujące znaczenie ma flokulacja ortokinetyczna, która opisana została przez Smoluchowskiego równaniem: w którym: N o dn dt G = (1) n1 n2 ( d1 + d 2 ) liczba kolizji cząstek wynikających z ortokinetycznego charakteru flokulacji w jednostce objętości G gradient prędkości ruchu cieczy [s -1 ] n 1, n 2 liczba cząstek 1 i 2 w określonej objętości d 1, d 2 średnica cząstek 1 i 2 Gradient prędkości ruchu cieczy charakteryzuje intensywność mieszania i definiowany jest jako rozkład mocy w określonej objętości cieczy o znanej lepkości. w G = (2) µ V gdzie: w rozkład (dyssypacja) mocy [N/s] w określonej objętości cieczy V [m 3 ] µ współczynnik lepkości dynamicznej cieczy [kg/m s] Powyższe parametry mają bezpośredni związek z wykorzystaniem procesu koagulacji w praktyce uzdatniania wody oraz oczyszczania ścieków. Służą one do optymalizacji budowy i komór szybkiego mieszania i komór flokulacji. Dla koagulacji optymalne wartości gradientu prędkości ruchu cieczy tj. takie, przy których mieszanie zapewnia maksymalne ilości zderzeń zdestabilizowanych cząstek, ale również takie, przy których siły ścinające nie powodują jeszcze rozrywania powstających aglomeratów, wynoszą dla koagulacji objętościowej G = s -1. W komorze szybkiego mieszania, której głównym zadaniem jest skuteczne wymieszanie reagentów z wodą, gradient prędkości ruchu cieczy nie powinien być niższy niż G = 1000 s -1. Najczęściej stosowane w technologii wody koagulanty to hydrolizujące sole żelaza i glinu, rzadziej stosowane są węglan magnezu i organiczne koagulanty syntetyczne. Hydroliza rozcieńczonych roztworów tych soli przebiega wieloetapowo i np. dla soli glinu bywa przedstawiona następująco: Al 3+ + H 2 O = Al(OH) 2+ + H + 7 Al H 2 O = Al 7 (OH) H + 13 Al H 2 O = Al 13 (OH) H + Al(OH) 3 = Al OH - 2

3 Al(OH) 3 + OH - - = Al(OH) 4 a dla soli żelaza: Fe 3+ + H 2 O = Fe(OH) 2+ + H + Fe(OH) 2+ + H 2 O = Fe(OH) H + 2 Fe H 2 O = Fe 2 (OH) H + Fe(OH) 3 = Fe OH - Fe(OH) 3 + OH - - = Fe(OH) 4 Uważa się, że mechanizm działania koagulatów hydrolizujących opiera się w niewielkim stopniu na działaniu elektrolitu; w głównej mierze jest to działanie koloidów o znaku ładunku przeciwnym do znaku ładunku cząstek koloidowych w wodzie. Większość koloidów występujących w wodach naturalnych ma znak ładunku ujemny, podczas gdy znak ładunku produktów hydrolizy soli żelaza i glinu jest dodatni. Optimum koagulacji solami hydrolizującymi leży w tych zakresach ph, w których rozpuszczalność produktów hydrolizy jest najmniejsza. Dla soli glinu optimum mieści się w granicach ph = 5,5-7,5, a dla soli żelaza w granicach ph = 5-7 oraz 9-9,6. Dla węglanu magnezu optimum leży w granicach ph = 11-11,5. Kwasy tworzące się w wyniku hydrolizy koagulantów reagują z rozpuszczonymi solami wapnia tworzącymi naturalną zasadowość wody: Al 2 (SO 4 ) H 2 O = 2 Al(OH) H 2 SO 4 (hydroliza) 3 H 2 SO Ca(HCO 3 ) 2 = 3 CaSO CO H 2 O (reakcja z zasadowością) W wodach o bardzo niskiej zasadowości mogą, więc występować problemy z właściwym przebiegiem hydrolizy koagulantów. Optymalne dawki koagulantu oraz ph koagulacji wyznacza się doświadczalnie. Przybliżone dawki optymalne można obliczyć z uproszczonych formuł empirycznych, np.: D = 7 M (3) w której: D M dawka Al 2 (SO 4 ) 3 18 H 2 O, lub Fe 2 (SO 4 ) 3 9 H 2 O mętność [mg/l] Zasadowość niezbędną dla zapewnienia hydrolizy siarczanu glinu można obliczyć z równania empirycznego: Z min =W * D + 0,7< Z (4) w którym: 3

4 D jak wyżej Z min Z W zasadowość niezbędna do hydrolizy koagulantu [mval/l] zasadowość naturalna wody [mval/l] współczynnik określający jednostkowe zużycie zasadowości w procesie hydrolizy koagulantu. W razie konieczności podniesienia zasadowości, orientacyjną dawkę wapna oblicza się z zależności: D CaO = 28 (W D + 0,7 - Z) (5) w której: D CaO dawka wapna [mg CaO/l] Z, W, D jak w poprzednim równaniu Wartości współczynnika W dla niektórych koagulantów wynoszą: KOAGULANT W Siarczan glinu 0,0090 Siarczan żelazowy 0,0107 Siarczan żelazawy 0,0072 Chlorek żelazawy 0,0111 Efektywność procesu koagulacji mierzy się przede wszystkim obniżeniem barwy i mętności wody, a także obniżeniem zawartości materii organicznej mierzonej za pomocą chemicznego zapotrzebowania na tlen lub ogólnego węgla organicznego. W wodach powierzchniowych jednym z parametrów określających efektywność koagulacji jest obniżenie ilości organizmów planktonicznych. 2. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest wybór rodzaju i wielkości dawki reagenta w usuwaniu mętności i barwy naturalnej wody powierzchniowej metodą koagulacji objętościowej. 3. ZAKRES MATERIAŁU WYMAGANY PRZED PRZYSTĄPIENIEM DO WYKONYWANIA ĆWICZENIA Koagulacja, mechanizm, stosowane koagulanty, optymalizacja dawek koagulantu Zasada analizy i wykonywanie oznaczeń zasadowości wody Pojęcie mętności wody, metody oznaczania 4

5 Przyczyny występowania barwy wody, metody oznaczania Oznaczanie ph wody Zalecana literatura: 1. Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne. Praca zbiorowa pod redakcją Jacka Nawrockiego i Sławomira Biłozora. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Poznań A.L. Kowal, M. Świderska-Bróż. Oczyszczanie wody. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa Wrocław SPRZĘT I ODCZYNNIKI Koagulator 6 miejscowy o zmiennej, regulowanej ilości obrotów Zlewki pojemności 1l typ niski 6 szt. Lejki szklane średnicy 8 12 cm Sączki jakościowe średnie o średnicy dobranej do średnicy lejków Statyw do sączenia 6 miejscowy Kolby stożkowe poj. 300 ml, 6 szt. Pipety (najlepiej automatyczne) pojemności 5 10 ml Sprzęt i odczynniki do oznaczania zasadowości Mętnościomierz Zestaw do wizualnego oznaczania barwy, lub spektrofotometr przystosowany do oznaczania barwy wody ph metr 5. SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA 5.1. TEST NACZYNIOWY Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy w badanej wodzie oznaczyć temperaturę, mętność, barwę i zasadowość oraz obliczyć orientacyjną dawkę koagulantu glinowego i żelazowego za pomocą zależności (3) i (4), a następnie stosując kryterium opisane również w (5) określić czy będzie zachodzić konieczność korekty zasadowości wody. W razie potrzeby obliczyć orientacyjną dawkę wapna stosując zależność (6). Po wykonaniu tych czynności należy nalać porcje badanej wody o objętości 1l do sześciu zlewek o pojemności 1l (typ niski). Zlewki z wodą umieścić w odpowiednich stanowiskach na koagulatorze. Jest to sześciomiejscowe mieszadło o zmiennej ilości obrotów. Ilość obrotów 5

6 podczas mieszania szybkiego i wolnego oraz powierzchnia i kształt łapek mieszadeł koagulatora są dobrane w ten sposób, że gradienty prędkości ruchu cieczy zbliżone są do optimum koniecznego dla wymieszania koagulantu z wodą (mieszanie szybkie) oraz odpowiedniego dla flokulacji ortokinetycznej (mieszanie wolne). Po uruchomieniu szybkiego mieszania wprowadzić pipetą odpowiednie objętości roztworu koagulantu: do zestawu pierwszych trzech zlewek koagulantu żelazowego, a do następnych trzech koagulantu glinowego. Do drugiej zlewki każdego zestawu należy dodać objętość odpowiadającą przybliżonej dawce obliczonej w zależności (3) i (4), do pierwszej dawkę o 50% niższą, a do trzeciej o 50% wyższą. Dodawanie roztworu koagulantu należy przeprowadzić szybko, zaraz po uruchomieniu szybkiego mieszania. Po upływie dwóch minut przełączyć koagulator na wolne obroty i prowadzić wizualną obserwację przebiegu flokulacji, notując w przygotowanej wcześniej tabelce momenty występowania poszczególnych etapów procesu: 1. Zmętnienie. 2. Pojawienie się pierwszych kłaczków. 3. Obecność dużej ilości kłaczków w całej objętości wody. 4. Moment klarowania, czyli łączenia się kłaczków w większe aglomeraty wyraźnie widoczne na tle sklarowanej wody. 5. Początek sedymentacji. Po upływie 20 minut zatrzymać mieszanie i po wyjęciu zlewek z koagulatora pozostawić je do sedymentacji na okres min. a następnie sklarowaną wodę ostrożnie sączyć przez sączek jakościowy średni do kolb stożkowych, odrzucając pierwsze 20 ml przesączu. W przesączu oznaczyć ph, barwę, mętność i zasadowość METODYKI ANALITYCZNE Oznaczanie zasadowości Do kolby stożkowej odmierzyć 100 cm 3 wody i dodać 4 krople roztworu fenoloftaleiny i w przypadku wystąpienia różowego zabarwienia zmiareczkować próbkę 0,1 n HCl do jego zaniku. Wyniki zapisać jako Z f (zasadowość fenoloftaleinowa). Następnie dodać 2-3 krople roztworu oranżu metylowego i miareczkować dalej do pierwszej zmiany barwy wskaźnika (z żółtej na pomarańczowo-czerwoną). Wyniki zapisać jako Z m (zasadowość wobec oranżu metylowego). Podczas miareczkowania zachodzą następujące reakcje: 6

7 OH - + H + H 2 O CO H + - HCO 3 (zobojętnianie węglanów) CO H + H 2 CO 3 (zobojętnianie węglanów) - HCO 3 + H + H 2 CO 3 (zobojętnianie wodorowęglanów) Obliczanie wyników: 0,1 V Z = [mval/l] V gdzie: 0,1 stężenie roztworu kwasu solnego V 1 V objętość roztworu HCl zużyta do miareczkowania [ml] objętość próbki wzięta do oznaczenia [ml] Oznaczanie mętności wody Uruchomić mętnościomierz zgodnie z instrukcją dołączoną do urządzenia. Wykonać kalibrację urządzenia stosując wzorce mętności wyskalowane w jednostkach NTU (jednostki odpowiadające jednostką mętności mg/l) Do naczyńka pomiarowego wlać próbkę badanej wody. Ze skali urządzenia odczytać mętność próbki Oznaczanie barwy wody Do naczyńka A wlać wodę badaną a do naczyńka B wodę destylowaną. Oba naczyńka umieścić w odpowiednich, opisanych, miejscach zestawu pomiarowego Zestaw przesuwać nad barwną skalą, dołączoną do zestawu, do momentu zrównania natężenia barwy w naczyńkach A i B. Ze skali barwnej odczytać barwę próbki wody Oznaczanie ph wody Uruchomić ph-metr Do opisanych naczyniek wlać odpowiednie roztwory buforowe Wyjąć elektrodę kombinowaną z naczynia, w którym jest przechowywana, opłukać wodą z tryskawki i zanurzyć w naczyńku z buforem o ph kwaśnym. Sprawdzić 7

8 zgodność odczytu ph z opisanym przez producenta. W razie potrzeby skorygować odczyt. Patrz, instrukcją dołączoną do urządzenia. Wyjąć elektrodę kombinowaną z naczynia, opłukać wodą z tryskawki i zanurzyć w naczyńku z buforem o ph obojętnym. Sprawdzić zgodność odczytu ph z opisanym przez producenta. W razie potrzeby skorygować odczyt. Patrz instrukcja dołączona do urządzenia. Wyjąć elektrodę kombinowaną z naczynia, opłukać wodą z tryskawki i zanurzyć w badanej wodzie. Odczytać wartość ph. Wyjąć elektrodę kombinowaną z naczynia, opłukać wodą z tryskawki i zanurzyć w naczyniu, w którym jest przechowywana. 6. OPRACOWANIE WYNIKÓW Uzyskane wyniki wpisać do tabeli (patrz wzór tabela I) wraz z identycznymi oznaczeniami wykonanymi dla wody surowej. Optymalne dawki obu koagulantów wybrać w oparciu o kryterium maksymalnego obniżenia barwy i mętności. Oznaczenia ph i zasadowości służą jako przybliżone sprawdziany poprawności dawkowania koagulantu w przypadku zastosowania wyników do prac w skali ułamkowotechnicznej lub technicznej. Tabela I. Wyniki badań Dawka Przebieg koagulacji ph Barwa Mętność Zasadowość koagulantu [mg Al (Fe)/l] [-] [mg Pt/l] [mg/l] [mval/l] Woda surowa 8