WPŁYW WARUNKÓW MIESZANIA NA MORFOLOGIĘ AGLOMERATÓW CZĄSTEK FAZY STAŁEJ

morfologia, kaolin, koagulacja, aglomeracja zawiesin, szara woda Maciej DOBRZAŃSKI, Ewelina GUTKOWSKA, Andrzej JODŁOWSKI* WPŁYW WARUNKÓW MIESZANIA NA MORFOLOGIĘ AGLOMERATÓW CZĄSTEK FAZY STAŁEJ W artykule przedstawiono wykorzystanie analizy obrazu mikroskopowego do oceny wpływu warunków mieszania na morfologię aglomeratów cząstek kaolinu. W przeprowadzonych badaniach laboratoryjnych zastosowano wodę wodociągową zanieczyszczoną glinką kaolinową. Przygotowany roztwór modelowy symulował stałe zanieczyszczenia, które mogą występować w szarej wodzie. Roztwór poddano koagulacji chlorkiem żelazowym. Proces koagulacji stanowi jeden ze sposobów oczyszczania szarej wody. Zmiennymi warunkami w przeprowadzonych doświadczeniach była prędkość obrotowa mieszadła i czas mieszania. Dzięki wykorzystaniu techniki analizy obrazu uzyskano szereg informacji o morfologii aglomeratów cząstek kaolinu. Analizowano kolistość, wydłużenie, zwartość i wypukłość oraz średnicę równoważną. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że zwiększanie prędkości obrotowej przyczynia się do zmniejszenia średnicy równoważnej powstających aglomeratów przy jednoczesnym wzroście wydłużenia. Natomiast wzrost czasu mieszania prowadzi do zwiększenia średnic równoważnych aglomeratów. 1. WSTĘP Szara woda odprowadzana z łazienek i pralni zawiera oprócz zanieczyszczeń rozpuszczonych, szereg cząstek fazy stałej. Jak podaje Jefferson [5] stałe zanieczyszczenia w szarej wodzie mają średnicę powyżej 40 µm. Ich skuteczne usuwanie wymaga uprzedniej aglomeracji, którą można uzyskać w procesie koagulacji. Określenie złożonej struktury zawiesin i morfologii cząstek jest niezwykle istotne w metodach separacji cząstek stałych m.in koagulacji, sedymentacji, flotacji i filtracji [1][3][4]. Zmierzona średnica równoważna cząstek kaolinu w zawiesinie wodnej mieściła się między 30 90 µm. Ogromny postęp w rozwoju technik analizy obrazu daje nowe możliwości identyfikacji ilości i wielkości oraz określenia parametrów morfologicznych cząstek zawiesin. Zawiesi- * Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Komunalnej i Instalacji Budowlanych,90-924 Łódź, al. Politechniki 6, maciej.dobrzanski@p.lodz.pl

112 M.DOBRZAŃSKI i in. ny to układy niejednorodne, dwufazowe, stanowiące jedno z podstawowych zanieczyszczeń szarej wody. Podstawowymi parametrami wpływającymi na proces flokulacji według Kusia [6] oraz Yu i in. [9] są obok dawki koagulanta, prędkość obrotowa mieszadła i czas mieszania. Prędkość obrotowa mieszadła wpływa na częstość zderzeń między cząstkami i aglomeratami. Zbyt duża prędkość powoduje erozję utworzonych aglomeratów. Jak zaobserwowali w swych badaniach Cao i in. [2] oraz Yu i in. [9] wydłużenie czasu mieszania sprzyja tworzeniu się dużych aglomeratów. W dostępnej literaturze nie ma opisu badań nad wpływem wyżej wymienionych parametrów na morfologię aglomeratów powstających w procesie koagulacji. Celem prowadzonych badań było określenie wpływu prędkości obrotowej mieszadła oraz czasu mieszania na ilość, wielkość i morfologię cząstek na przykładzie zawiesiny kaolinu. Do badań wybrano glinkę kaolinową w celu odwzorowania stałych zanieczyszczeń mogących występować w szarej wodzie. Pomiarów dokonano po przeprowadzeniu procesu koagulacji przy ustalonej wcześniej dawce koagulatu, i przyjętej wartości ph. Badania przeprowadzono wykorzystując analizator obrazu Morphologi G3. 2. METODYKA BADAŃ 2.1. PRZEDMIOT BADAŃ Przedmiotem badania były aglomeraty powstałe w procesie koagulacji wysokodyspersyjnej zawiesiny glinki kaolinu w wodzie wodociągowej o stężeniu ok. 0,2 g/dm 3. Koagulację przeprowadzono przy użyciu chlorku żelazowego. Mieszanie prowadzono wykorzystując wielomiejscowe mieszadło JLT-6 firmy Velp Scientifica umożliwiające regulację prędkości obrotowej i czas mieszania. Stosowano mieszadło łopatkowe o wymiarach 7,5 x 2,5 cm oraz zlewkę o pojemności 1 dm 3, wysokości czynnej 13 cm oraz średnicy 10 cm. Badając wpływ prędkości obrotowej mieszadła na skuteczność flokulacji, prowadzono proces przy stałym ph 6, zastosowano czas mieszania 15 min. i dawkę koagulantu równą 8 mg Fe 3+ /dm 3. Przyjęto prędkości obrotowe mieszadła 30, 50, 100, 150 obr/min. Badanie nad wpływem czasu mieszania prowadzono przy stałym ph 6, szybkości mieszania 30 obr/min oraz dawce 8 mg Fe 3+ /dm 3. Próbki pobierano i analizowano w wydłużającym się czasie mieszania od 0,5 do 60 minut. Po 15 minutach, a w przypadku Czasu mieszania po określonym czasie, pobrano próbkę roztworu wraz z utworzonymi aglomeratami do badania morfologii powstałych aglomeratów wykorzystując analizator obrazu Morphologi G3.

Wpływ warunków mieszania na morfologię aglomeratów cząstek kaolinu 113 2.2. APARATURA POMIAROWA MORPHOLOGI G3 Mikroskopowy analizator obrazu Morphologi G3 firmy Malvern to w pełni zautomatyzowany system zapewniający wysokiej jakości obraz oraz szczegółową analizę wielkości, kształtu i liczby cząstek. Układ optyczny umożliwia obserwację cząstek w zależności od wybranego obiektywu o średnicy 50x (0,5-40 µm), 20x (1,75-100 µm), 10x (3,5-210 µm), 5x (6,5-420 µm), 2,5x (13-1000 µm) [7]. Analizator Morphologi G3 może być obsługiwany manualnie jak zwykły mikroskop. Dokładniejszym sposobem postępowania zapewniającym powtarzalność parametrów prowadzenia pomiaru jest zastosowanie standardowych procedur operacyjnych SOP (ang. Standard Operating Procedure). Jest to tworzony indywidualnie przez każdego użytkownika urządzenia zbiór ustawień, według których prowadzona jest analiza (Tab. 1). Najważniejszym parametrem jest ustawiany indywidualnie dla każdego wybranego powiększenia próg widoczności cząstek (Threshold). Odpowiedni zakres Threshold umożliwia pozostawienie do analizy jedynie cząstek interesujących prowadzącego pomiar. Tabela 1. Dane wprowadzone w SOP Parametr Dane Kaseta Wet cell plate (100 x 80) Światło odbite Intensywność światła 65 ± 0,2 Powiększenie 2,5 x (13µm - 1000µm) Próg widoczności (Treshold) dolna granica 0 ; górna granica 137 Obszar badanej próbki 30 mm x 30 mm Filtr analizy cząstek cząstki większe od 30 µm 2.3. ANALIZOWANE PARAMETRY MORFOLOGICZNE Z uzyskanych danych z analizatora obrazu do charakterystyki otrzymanych aglomeratów wykorzystano następujące parametry morfologiczne cząstek: średnica równoważna (µm) - średnica koła o takiej samej powierzchni jaką ma obraz zarejestrowanej cząstki. kolistość stosunek obwodu koła o takiej samej powierzchni co cząstka podzielona przez obwód rzeczywistego obrazu cząstki (przyjmuje wartości od 0 do 1 idealne koło). zwartość - powierzchnia rzeczywista cząstki podzielona przez powierzchnię napiętej nici oplatającej cząstkę (przyjmuje wartości od 0 do 1 idealne koło). wydłużenie - przyjmuje wartości od 0 (idealne koło) do 1.

114 M.DOBRZAŃSKI i in. wypukłość - stosunek obwodu napiętej nici oplatającej cząstkę do obwodu rzeczywistego cząstki (przyjmuje wartości od 0 do 1 idealnie gładka powierzchnia). 2.5. KINETYKA PROCESU FLOKULACJI Prędkość zmniejszania się liczby cząstek dyskretnych w trakcji flokulacji można opisać za pomocą równania (1) uwzględniającego wpływ gradientu prędkości oraz czasu jej trwania [6]. n n o t 3 k a exp 0 G t (1) w którym: n o, n t liczba pierwotnych cząstek koloidalnych w jednostce objętości wody oraz po czasie t; α o współczynnik uwzględniający skuteczność łączenia się cząstek; φ objętość względna kłaczków; k, a wielkości uwzględniające rzeczywiste rozmiary koagulowanych cząstek; Ḡ średni gradient prędkości; t czas koagulacji. Z przedstawionej powyżej zależności przy założeniu zmiennego gradientu prędkości oraz czasu wynika, że wzrost wartości parametru Ḡ lub t przekłada się na mniejszą ilość cząstek pierwotnych po czasie t. Tłumaczyć to można tym, że cząstki zostają aglomerowane w większe skupiska pod wpływem koagulantu. 3. OMÓWIENIE I DYSKUSJA WYNIKÓW 3.1. WPŁYW PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ MIESZADŁA NA MORFOLOGIĘ AGLOMERATÓW CZĄSTEK KAOLINU Podstawowym analizowanym parametrem morfologicznym była średnica równoważna. Na Rys. 1 przedstawiono rozkład średnic aglomeratów cząstek kaolinu przy zmiennych prędkościach obrotowych mieszadła. Stwierdzono, że powstałe struktury tworzyły rozkłady dwumodalne. Przy prędkościach 30 i 50 obr/min obserwowano szeroki zakres wartości średnic od 30 µm do 1000 µm. Jednak największa liczebność (25-30%) aglomeratów odnotowano z przedziału 30-60 µm. Licznie (10-15%) występowały również aglomeraty z przedziału 200-1000 µm. W przypadku większych prędkości (100 i 150 obr/min) zaobserwowano zawężenie przedziału średnic oraz brak

Wpływ warunków mieszania na morfologię aglomeratów cząstek kaolinu 115 aglomeratów większych niż 500 µm, jakie występowały przy mniejszych prędkościach obrotowych. Największy procentowy udział (20-40%) zanotowano dla aglomeratów o średnicy z przedziału 50 100 µm oraz 120 300 µm. Wynika to z tego, że średnica możliwych do uzyskania kłaczków malała wraz ze wzrostem prędkości. Zaobserwowane zjawisko można tłumaczyć opierając się na zależności (1), z której wynika, że na formowanie się kłaczków decydujący wpływ ma gradient prędkości zależny m.in. od prędkości obrotowej mieszadła. Zwiększająca się prędkości obrotowa wpływa na większą częstość zderzeń i siłę odśrodkową, które prowadzą do rozbijania dużych aglomeratów [6]. Zależność tę zaobserwował również Yu i in. [9]. Rys. 1. Rozkład średnicy aglomeratów dla różnych prędkości obrotowych mieszadła (stałe parametry: ph 6; 8 mg Fe 3+ /dm 3 ; 15 min) Rys. 2. Rozkład wartości parametru kolistości dla różnych prędkości obrotowych mieszadła (stałe parametry: ph 6; 8 mg Fe 3+ /dm 3 ; 15 min)

116 M.DOBRZAŃSKI i in. Z uzyskanych danych pomiarowych wynika, że wraz ze wzrostem prędkości obrotowej mieszania następowało przesunięcie ekstremum rozkładu w stronę większych wartości (od 0,25 do 0,5) dla parametru Wydłużenie natomiast dla parametru Kolistości w stronę mniejszych wartości (Rys. 2). Średnie wartości Wydłużenia i Kolistości aglomeratów przy prędkości 30 obr/min wynosiły odpowiednio 0,29 i 0,51 natomiast przy prędkości 150 obr/min osiągnęły wartość 0,32 i 0,45. Oznacza to, że wzrost prędkości obrotowej mieszania wpłynął na strukturę geometryczną kłaczków, które były bardziej wydłużone i jednocześnie mniej koliste. Zaobserwowano również wpływ prędkości mieszania na parametry Zwartość i Wypukłość. Przy niskich prędkościach obrotowych mieszadła aglomeraty odznaczały się większymi wartościami tych parametrów, niż w przypadku większych prędkości. Ekstremum rozkładu parametrów Zwartości i Wypukłości przy prędkości 30 obr/min mieściło się odpowiednio w przedziałach 0,75-0,85 i 0,55-0,65 natomiast przy prędkości 150 obr/min w granicach 0,65 0,75 (Zwartość) i 0,45 0,55 (Wypukłość). Z przedstawionych danych wynika, że wraz ze wzrostem prędkości obrotowej aglomeraty przyjmowały kształt wydłużony, co wiązało się ze zmniejszeniem wartości parametru Kolistość. Przypuszczać można, iż spowodowane było to większą liczbą zderzeń, które przyczyniły się do bardziej postrzępionej struktury aglomeratów (mniejszej wartości Wypukłości ) i mniej zwartej (mniejsza Zwartość ) struktury kłaczków. Na podstawie omówionych wyników stwierdzono związek między wartościami parametru kolistości i wydłużenia (wartość korelacji równa 0,99). Im aglomerat miał kształt bardziej wydłużony (Wydłużenie bliskie 0) tym był mniej kolisty (Kolistość bliska 0). Podobną zależność zauważyć można między Zwartością i Wypukłością, dla których korelacja wyniosła 0,99. Wynika z tego, że aglomerat o bardziej zwartej budowie (Zwartość bliska 1) był mniej wypukły (Wypukłość bliska wartości 1). 3.2. WPŁYW CZASU MIESZANIA NA MORFOLOGIĘ AGLOMERATÓW KAOLINU W celu analizy wpływu czasu mieszania na morfologię aglomeratów kaolinu sporządzono wykres zależności średnicy aglomeratów od czasu mieszania (Rys. 3). Wraz ze wzrostem czasu mieszania następował wzrost ich średnicy równoważnej i zwiększanie się przedziału ufności. Średnia wielkość kłaczków wynosiła po 0,5 min. ok. 92 µm, natomiast po 60 min. była równa ok. 220 µm. Ponadto wraz z wydłużeniem czasu mieszania zwiększył się przedział wielkości obserwowanych aglomeratów. Po 60 minutach procesu odnotowano aglomeraty o średnicach 600 µm. Dodatkowo przy wydłużanym czasie mieszania uzyskano coraz większą liczbę aglomeratów o największych średnicach z przedziału 500 1000 µm. Podobną zależność uzyskali w swych badaniach Cao i in. [2] oraz Yu i in. [9]. Można jednak przypuszczać że opisane powyżej zjawisko wzrostu średnicy aglomeratów w czasie będzie trwać jedynie do momentu, w którym nastąpi stan pewnej

Wpływ warunków mieszania na morfologię aglomeratów cząstek kaolinu 117 równowagi. Wszystkie wolne cząstki możliwe do przyłączenia zostaną wówczas zaglomerowane, a rozbijanie kłaczków przez siły mieszania oraz zderzenia wyrówna siłę wiązania cząstek przez koagulant. W czasie badania (60 minut) nie osiągnięto czasu równowagi, aspekt ten pozostawiono do dalszych badań. Rys. 3. Zależność średnicy równoważnej aglomeratów od czasu mieszania (stałe parametry: ph 6; 8 mg Fe 3+ /dm 3 ; 30 obr/min) Rys. 4. Rozkład wartości parametru kolistości dla wybranych czasów mieszania (stałe parametry: ph 6; 8 mg Fe 3+ /dm 3 ; 30 obr/min)

118 M.DOBRZAŃSKI i in. Czas mieszania wpływał również na pozostałe parametry morfologiczne aglomeratów. Wraz ze wzrostem czasu procesu Kolistość kłaczków malała (Rys. 4), przy jednoczesnym wzroście ich Wydłużenia. Powodem tego był stały ruch obrotowy cieczy pod wpływem mieszadła. Tworzące się aglomeraty rozbudowywały się głównie w kierunku prostopadłym do promienia obrotu. Jak podaje Yu i in. [9] wydłużający czas mieszania przyczynia się do wzrostu liczby zderzeń aglomeratów. Tłumaczy to odnotowany spadek zwartości kłaczków kaolinu, w przedziale 0,9-1 od 40% do 30%. Aglomeraty odznaczały się coraz bardziej poszarpaną strukturą, czego dowodem była zmniejszająca się wartość wypukłości. 3. WNIOSKI 1. Cząstki kaolinu symulujące zawiesiny zawarte w szarej wodzie tworzyły w wyniku koagulacji chlorkiem żelazowym przestrzenne struktury charakteryzowane przez parametry morfologiczne: średnicę równoważną, Wydłużenie, Kolistość, Zwartość i Wypukłość. 2. Wszystkie badane aspekty procesu koagulacji miały istotny wpływ na morfologię kłaczków zbudowanych z cząstek kaolinu. 3. Wzrost prędkości obrotowej mieszadła prowadził do rozbijania aglomeratów (zmniejszająca się średnica) oraz zmiany morfologii kłaczków. Zaobserwowano zmiany parametrów morfologicznych w postaci wzrostu Wydłużenia oraz zmniejszenia się Kolistości, Zwartości i Wypukłości. 4. W wydłużającym się czasie mieszania zwiększała się średnica równoważna i Wydłużenie aglomeratów, natomiast malały Kolistość, Zwartość i Wypukłość. 5. Zaobserwowano wyraźną zależność pomiędzy parametrami Wydłużenie i Kolistość oraz Zwartość i Wypukłość. Badania naukowe zostały wykonane w ramach realizacji Projektu Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. LITERATURA [1] AZEMA N., POUET M.-F., BERHO C., THOMAS O.; Wastewater suspended solids study by optical methods; Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects; 204 (2002) 131 140;

Wpływ warunków mieszania na morfologię aglomeratów cząstek kaolinu 119 [2] CAO B., GAO B., LIU X., WANG M., YANG Z., YUE Q.; The impact of ph on floc structure characteristic of polyferric chloride in a low DOC and high alkalinity surface water treatment; Water Research 45 (2011) 6181 6188; [3] HE W., NAN J., LI H., LI S.; Characteristic analysis on temporal evolution of floc size and structure in low-shear flow; Water Resaerch; (2011) 1-12; [4] ŁOMOTOWSKI J., BURSZTA-ADAMIAK E., KĘSZYCKA M., JARY Z.; Metody i techniki optyczne w badaniach zawiesin; Monografie Instytutu Badań Systemowych PAN 2008, Seria Badania Systemowe, t. 58; [5] JEFFERSON B., LAINE A., PARSONS S.; Technologies for domestic water recycling; Urban Water; 1 (1999) 285-292 [6] KUŚ K.; Wpływ gradientu prędkości na pracę osadników kontaktowych; Ochrona Środowiska; 463/2-3, (1985) [7] Materiały ze strony producenta firmy Malvern; www.malvern.com (25.11.2011); [8] PEREZ Y. G., LEITE S. G.F. and COELHO M. A. Z.; Activated sludge morphology characterization through an image analysis procedure; Brazilian Journal of Chemical Engineering; Vol. 23, No. 03, pp. 319-330, July - September, (2006); [9] YU W., GREGORY J., CAMPOS L., LI G.; The role of mixing conditions on floc growth, breakage and re-growth; Chemical Engineering Journal; 171 (2011) 425 430; EFFECT OF MIXING CONDITIONS ON THE MORPHOLOGY OF KAOLIN PARTICLE AGGLOMERATES Mixing conditions effect on changes of kaolin particles agglomerates during coagulation is presented in the article. Image analysis technology was used during the investigation. Tap water spiked with kaolin clay particles was used during laboratory experiments. Clay suspension modeled solid faze impurities which gray water can contain. Coagulation is one of the processes used during gray water treatment. Kaolin suspension was subjected to coagulation with ferric chloride. Mixing intensity and mixing time were changing parameters during the investigation. Several information concerning morphology of kaolin particles agglomerates was obtained. Circularity, elongation, compactness and convexity and the equivalent diameter were analyzed. It was found on the basis of the results obtained that reduction of the agglomerates equivalent diameter decrease and simultaneous increase of their elongation took place. Mixing time increasing caused an increase of the agglomerates equivalent diameter.