TEHNOLOGII I ECHIPAMENTE DE PROTEJARE I EPURARE

APE Curs 8

III. Procese unitare chimice de tratare/epurare a apelor industriale

(continuare)

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Impuritile prezente n apele uzate variaz: 10-7 mm - 1 mm

O parte din acestea pot fi separate prin sedimentare.

ntruct impuritile cu dimensiuni i viteze de sedimentare prea mici nu pot fi separate din ap prin sedimentare se recurge la agregarea lor n particule mai mari, care pot fi ndeprtate prin coagulare i sedimentare.

Coagulare = aglomerare

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Dimensiuni pe tipuri de particule i tipuri de filtre

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Coagularea suspensiilor din ap este o operaie ajuttoare a procesului de decantare a apelor uzate, care intervine naintea decantrii.

n scopul coagulrii sunt folosite substanele chimice (coagulanii) care se disperseaz n ap i conduc la glomerarea particulelor fine, sub form de flocoane, care sub efectul greutii cad pe fundul bazinului de decantare.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Procesul de coagulare este recomandat atunci cnd: Apele uzate au variaii sezoniere mari (de debit i

concentraie) sau sunt necesare grade diferite de epurare

Cnd se impune un grad de epurare mai avansat fa de cel obinut prin sedimentarea simpl

Pentru evitarea unor mirosuri neplcute n jurul staiei de epurare

n cazul apelor uzate cu coninut ridicat de ape uzate industriale

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Particulele foarte fine sunt nconjurate de nveliuri de ioni i posed o ncrcare electric care provoac repulsia particulelor ntre ele.

Astfel, pentru agregarea lor este necesar nvingerea sau anularea acestor fore de repulsie.

Particulele ntre care nu exist interaciune sunt alctuite din dou pri: - nucleul, partea interioar, neutr din punct de vedere

electric, care constituie masa micelei; - partea exterioar, ionogen, format din dou straturi

de ioni.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Conform concepiei stratului dublu electric exist un strat de adsorbie, care ader direct la nucleu i este denumit strat fix sau Helmholtz i un strat difuz, care este format din antiioni sau contraioni. n jurul nucleului se formeaz un strat asemntor unui condensator i este denumit strat dublu electric .

Modelul stratului dublu

electric

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Un sistem coloidal (amestec de faz solid i lichid) nu are o sarcina electric (este neutru pe ansamblu), astfel nct sarcina iniial a particulelor trebuie s fie neutralizat de faza lichid.

Ca urmare, la interfaa dintre orice particul i lichid se va forma un strat dublu electric.

Acest strat dublu este format din sarcina particulei i excesul echivalent de ioni de sarcin contrar care se acumuleaz n ap lng suprafaa particulei, datorit atraciei electrostatice. Are loc astfel creterea concentraiei, iar micarea brownian poate duce la desprinderea acestor ioni de pe suprafaa particulei i la difuzia lor n soluie, unde concentraia este mai sczut. Aceste dou procese diferite (difuzie i atracie electrostatic) conduc la difuzia

sarcinii n lichidul din jurul unui strat difuz.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Particulele coloidale ale poluanilor din ap, datorit ncrcrii superficiale cu sarcini electrice, apar ncrcate cu un potenial negativ, numit potenial zeta sau potenial electrocinetic.

Coloizii sunt ncrcai negativ, ncrcare ce le confer stabilitate sau echilibru stabil, nu sedimenteaz i se menin n echilibru mult timp.

Perturbarea echilibrului coloidal se realizeaz prin neutralizarea sarcinilor electrice (reducerea forelor de respingere) ce conduce la sedimentarea particulelor datorit formrii unor particule mai mari numite flocoane.

Stabilitatea i respectiv instabilitatea particulelor n suspensie reprezint factorul determinant al diferitelor fore de atracie sau de repulsie :

Fore Van der Waals Fore electrostatice Fore de atracie universal Micare brownian

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Coloizii sunt particule insolubile suspendate n ap. Stabilitatea lor extrem este conferit i de diametrul redus

(sub 1 micron). Coloizii pot fi : Minerali: nmoluri, argile, silice, sruri i hidroxizi metalici Organici: acizii humic i fulvic, ageni activi de suprafa,

colorani Biologici: micro-organisme (patogene sau nepatogene),

inclusiv bacterii, plancton, alge i virusuri.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Termenul de coagulare este folosit pentru a descrie procesul de destabilizare produs prin compresia celor dou nveliuri electrice care nconjoar particulele coloide, ceea ce face posibil agregarea lor

Termenul de floculare se refer la destabilizarea prin adsorbia unor molecule mari de polimeri care formeaz puni de legtur ntre particule.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Coagularea este o etap intermediar, care este esenial n procesul de tratare i epurare fizico chimic a apelor i apelor reziduale.

Aceasta reprezint primul pas n eliminarea particulelor coloidale i funcia sa principal const n destabilizarea particulelor.

Aceast destabilizare este reprezentat prin neutralizarea sarcinilor electrice prezente pe suprafaa particulelor, ceea ce nlesnete aglomerarea coloizilor.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Procesul de coagulare include: - injecia coagulantului - destabilizarea chimic a particulelor - contactul fizic dintre particule Ca rezultat are loc procesul de agregare a particulelor. n practic se realizeaz n dou tipuri de uniti amplasate

n serie: unitatea de amestec rapid n care se realizeaz dozarea coagulantului, amestecul i destabilizarea particulelor; i unitatea de floculare n care se realizeaz contactul interparticule.

Procesul fizic prin care se realizeaz contactul dintre particule (agregarea) se numete floculare.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Procesul de coagulare se desfoar n dou faze: faza pericinetic (rapid), la introducerea reactivului,

ntr-un timp foarte scurt, cnd are loc neutralizarea i formarea de microflocoane neobservabile cu ochiul liber; (determinat de rezultatele energiilor de atracie i de respingere dintre particule)

faza ortocinetic, n care are loc formarea de flocoane mari, vizibile cu ochiul liber, chiar agregate, uor sedimentabile (agitare mecanic, centrifugare, aplicare de cmpuri ultrasonice, electrolii)

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Mecanismul coagulrii poate fi prezentat pe scurt n dou etape:

1. Neutralizarea sarcinilor : corespunde reducerii sarcinilor electrice care au un efect de repulsie asupra coloizilor;

2. Agregarea particulelor: - adsorbia moleculelor de electrolit i crearea de zone cu ncrcare diferit la suprafaa particulelor

Pentru destabilizarea suspensiei coloidale, coagularea produce urmtoarele efecte:

Pentru mecanismul coagulrii, sarcina cationic este mai important dect greutatea molecular. De fapt, sarcina cationic favorizeaz destabilizarea i agregarea coloizilor n suspensie prin neutralizarea sarcinilor de la suprafata acestora.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Cea mai simpl form de agregare (coagulare) are loc prin coliziunea particulelor de coloizi, determinat de micarea brownian.

La nceputul procesului: - cantitatea de flocoane: este de ordinul

sutelor de mii/cm3 de ap, La sfritul procesului: exist

5-10 flocoane/cm3 de ap.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Flocularea - este etapa n care particulele coloidale destabilizate (particulele formate n etapa de coagulare) se unesc n aglomerate (flocoane).

Etapa de floculare poate fi aplicat n procedeele de tratare/epurare a apelor/apelor reziduale numai n situaiile n care particulele sunt deja destabilizate.

Ca urmare, este o etap care urmeaz logic celei de coagulare.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Floculanii, cu greutatile lor moleculare foarte mari (lan lung al monomerului) i sarcinile electrice pe care le poart, aglomereaz particulele destabilizate i le leag de-a lungul lanului polimerului. In cursul etapei de floculare urmeaz apoi o cretere a

dimensiunilor particulelor de impuriti prezente n ap, rezultnd formarea flocoanelor. Tipul de legturi ntre particulele destabilizate i

floculant sunt n principal - legturi ionice - legturi de hidrogen.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Mecanismul coagulrii - floculrii Sunt considerate patru mecanisme i anume: compresia stratului electric al coloizilor; neutralizarea sarcinilor electrice ale coloizilor; formarea precipitatelor; adsorbie i legare ntre particulele de

precipitare prin puni sau lanuri n punte, Me-OH-Me

Etapele agregrii

Mecanismul floculrii

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Factorii care contribuie la destabilizarea particulelor sunt: hidroliza ionilor polivaleni i formarea de specii

monomerice i polimerice de hidroliz adsorbia speciilor de hidroliz la interfaa particulelor

coloidale; prinderea particulelor destabilizate n agregate; antrenarea particulelor destabilizate prin fore Van der

Waals;

schimbri n structura polimerilor de tip Me-OH-Me, cu contribuie n adsorbia flocoanelor.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Procesul de coagulare-floculare este influenat de:

chimismul apei, de pH, alcalinitatea (HCO3-), valoarea indicatorilor Cl-, SO42-, de substanele organice prezente, n special

acizi humici i acizi fulvici. de tipul algelor existente, n cazul apelor cu

ncrcare biologic

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Concentraia cationilor bivaleni i trivaleni din ap poate exercita o influen important asupra capacitii polielectroliilor anionici de a agrega coloizii ncrcai negativ. ntruct particulele coloidale sunt prezente n aproape toate

categoriile de ape uzate industriale, coagularea este unul dintre procesele de epurare care i gsete o aplicare larg n practic. n practica tratrii apei, cele mai folosite procedee sunt: coagularea cu adaos de reactivi chimici numii coagulani; coagularea electric sau electrocoagulare. Adaosul de coagulani cationici sau de polielectrolii n doze

excesive poate duce la inversarea sarcinii particulelor coloidale i la restabilizarea lor.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Pentru realizarea coagulrii, deci a destabilizrii sistemelor coloidale prin neutralizarea ncrcrii electrice din stratul de adsorbie, se utilizeaz ageni de coagulare, care sunt sruri ale acizilor tari i ale bazelor slabe (frecvent, sruri de aluminiu sau fier).

Eficiena agentului de coagulare crete o dat cu valena ionului metalic.

K+ < Ca2+ < Al3+ Marea majoritate a coloizilor prezeni n apele uzate au ncrcare negativ. Prezena ionilor de semn opus semnului particulei coloidale va micora valoarea potenialului electrocinetic sub valoarea critic, permind coagularea. Acest efect va fi cu att mai pronunat cu ct sarcina ionului

metalic va fi mai mare. Astfel, eficiena unei sri a unui metal trivalent va fi de 500 de ori mai mare dect cea a srii unui metal monovalent.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

La coagularea cu sruri metalice are loc formarea de hidroxizi metalici polimerizai, ncrcai electric pozitiv, capabili s se adsoarb pe suprafaa particulelor i n acelai timp s asigure legturi ntre mai multe particule.

Doza de coagulant necesar pentru destabilizare depinde de:

- concentraia coloizilor, - pH - prezena n soluie a altor ioni

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Mecanismele prin care produii de hidroliz pot aciona cnd o sare metalic hidrolizabil este adugat unei ape care conine particule i

materii organice naturale. Dac doza de coagulant este suficient i condiiile fizice sunt favorizante, prezena produilor de hidroliz conduce la formarea de flocoane.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Dintre srurile de aluminiu, cele mai folosite drept coagulant sunt: Al2(SO4)3.18H2O, AlCl3.6H2O, alaunul de aluminiu i sodiu (potasiu), aluminatul de sodiu.

Srurile de aluminiu acioneaz prin produii de hidroliz, care constitue elementul activ al coagulrii i care se formeaz n domeniul de pH 6,5 8,1. Srurile de fier cel mai frecvent utilizate drept coagulani

sunt FeSO4.7H2O,Fe2(SO4)3.nH2O, FeCl3.nH2O. Srurile de fier divalent trec n fier trivalent, aceast oxidare

putnd avea loc, n cazul apelor bogate n oxigen, pe baza oxigenului dizolvat, sau, n cazul unei insuficiente prezene a oxigenului n ap, prin adugarea unui agent de oxidare (pe baz de clor cel mai frecvent).

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Utilizarea srurilor de fier ca ageni de coagulare asigur unele avantaje, cum ar fi:

vitez de depunere mai mare a flocoanelor, deci reducerea duratei de sedimentare i a volumului bazinelor de decantare, ca urmare a greutii specifice mai mari a produilor de hidroliz ferici; domeniul de pH de coagulare mult mai larg al srurilor

de fier (3 10) n comparaie cu cele de aluminiu; viteza de hidroliz a srurilor ferice mult mai puin influenat de temperatur; favorizarea de ctre hidroxidul feric a oxidrii unor substane organice (fenol, de exemplu), de ctre oxigenul din ap.

d. Fenomene de coagulare i floculare la ndeprtarea poluanilor din apele uzate

Ageni de floculare Rolul adjuvanilor de coagulare se manifest n prevenirea

formrii flocoanelor fine, ce sedimenteaz greu, ca urmare a existenei unei ncrcri reziduale pozitive pe suprafaa complexelor de coagulant.

Cei mai utilizai floculani sunt: - Argilele minerale (bentonitele), - Acizii silicici, - Ageni de floculare organici naturali (CMC, amidon) - Ageni de floculare sintetici

http://www.youtube.com/watch?v=5uuQ77vAV_U&feature=related

Floculare

http://www.youtube.com/watch?v=lHIk57r40ik

e. Schimbul ionic

Schimbul ionic se aplic pentru a ndeprtarea speciilor nedorite ionice i ionizabile din apa rezidual, respectiv: ioni ai metalelor grele cationici sau anionici, de

ex.: Cr3+ sau cadmiul i compuii si; compui anorganici ionizabili, cum ar fi H3BO3; compui organici ionizabili sau ionici, solubili,

cum ar fi acizii carboxilici, acizii sulfonici, unii fenoli, amine sub form de sruri acide, amine cuaternare, sulfat alchil i mercur organic.

e. Schimbul ionic

Acest proces de epurare are la baz proprietatea unor metale (mai ales solide) ca, atunci cnd sunt puse n contact cu o ap mineralizat (coninnd sruri ionizate), s nlocuiasc (s schimbe) ionii din ap cu ioni proprii (prezeni n metalul nsui).

Se deosebesc: - Schimbtori de cationi (cationii) - Schimbtori de anioni (anionii). Reaciile sunt reversibile i ca urmare prin tratarea

schimbtorilor de ioni epuizai cu acizi n cazul cationiilor i cu baze n cazul anioniilor se reface cationitul i respectiv, anionitul.

e. Schimbul ionic Pentru schimbul ionic sunt utilizate de obicei rinile

granulate macroporoase cu grupuri funcionale anionice sau cationice, de tipul:

Schimbtor cationic puternic acid (SAC), neutralizeaz bazele puternice i transform srurile neutre n acizii lor corespunztori.

Schimbtor cationic slab acid (WAC), capabil s neutralizeze bazele puternice i folosit pentru dezalcanizare.

Schimbtor anionic baz puternic (SBA), neutralizeaz acizii puternici i transform srurile neutre n bazele lor corespunztoare.

Schimbtor anionic baz slab (WBA), neutralizeaz acizii puternici i este utilizat pentru demineralizare parial.

e. Schimbul ionic Dac punem succesiv apa mineralizat n contact cu cantiti suficiente de astfel de schimbtori de ioni se obine o ap aproape pur, iar dac ionii de H+ i ionii de

HO- sunt n proporii corespunztoare ei se combin i formeaz ap. A devenit unul dintre procesele fizico-chimice care s-a impus n ultimul timp n practica tratrii apei, mai ales pentru diferite procese de tratare industrial. Metoda poate fi folosit i la tratarea apei potabile din surse cu un coninut ridicat de sruri. Prin acest proces ionii din ap vin n contact cu schimbtorii de ioni, fiind preluai de acetia, n locul lor fiind cedai ali ioni.

e. Schimbul ionic

Utilizarea acestei tehnici pentru epurarea apelor uzate sau la demineralizarea apelor marine pe scar larg, se poate justifica numai n cazul n care n zona respectiv este un mare deficit de ap ce poate fi potabilizat sau s-a impus din motive de poluare reutilizarea apei uzate n procesele de fabricaie.

Aplicarea extins a procesului este limitat de costul ridicat al tratrii. Inconvenientul principal al metodei const n faptul c, n urma epuizrii i regenerrii materialelor utilizate la schimbtoarele de ioni rezult o serie de materiale toxice ce ar trebui depozitate n condiii ecologice. Situaia se schimb atunci cnd srurile reinute pe schimbtorii de ioni i eliberate la regenerare i gsesc o

valorificare.

e. Schimbul ionic Schimbtorii de ioni sunt polielectrolii macromoleculari, la care

un tip de ioni (cationul sau anionul) este fixat de polimerul insolubil, iar ionul contrar se poate mica liber, putnd fi schimbat.

La baza schimbtorilor de ioni folosii n prezent stau rini sintetice policondensate sau polimerizate.

n practic, schimbtorii de ioni se utilizeaz la scar mare pentru dedurizarea apelor (eliminarea ionilor de metale bivalente).

n acest caz se folosesc cationii n forma sodiu (Na), iar regenerarea lor se face cu clorur de sodiu.

e. Schimbul ionic Dedurizarea apei

Instalatie pentru dedurizarea apei cu schimbatori de ioni

e. Schimbul ionic

Demineralizarea apei consta n eliminarea complet a tuturor anionilor i cationilor care se gsesc dizolvai n ap.

e. Schimbul ionic

e. Schimbul ionic

Exist dou moduri de aplicare a schimbtorilor de ioni n epurarea apelor:

- n arj - n coloan. Aplicarea n coloan este modul cel mai utilizat. n aceast variant apa, eliberat n prealabil de suspensii i impuriti organice dizolvate, este trecut peste un pat fix de schimbtor sub form de granule. n aceste condiii, schimbtorul se epuizeaz treptat dinspre

zona amonte spre zona aval. n momentul epuizrii se trece la regenerarea schimbtorului introducnd n coloan soluie regenerat i splnd apoi cu ap curat.

e. Schimbul ionic n tratarea apei (dedurizarea, eliminarea

bicarbonailor, deionizare, adsorbia substanelor organice) schimbtorii de ioni pot fi folosii la: Alimentarea cu ap a cazanelor Circuitele primare ale reactorilor nucleari Apa tehnologic pentru industria chimic, textil, a

celulozei i hrtiei Apa ultrapur, necesar la fabricarea unor piese

electronice Prepararea buturilor

e. Schimbul ionic

Avantaje Dezavantaje

n principiu pot fi ndeprtai din lichidele apoase toate speciile ionizabile i ionii

se aplic cnd este nevoie este posibil eficien ridicat este posibil recuperarea

speciilor valoroase

este posibil recuperarea apei sunt disponibile o gam larg

de rini specifice.

este obligatorie prefiltrarea dezvoltarea bacteriilor pe

suprafaa rinii i murdrire ce este cauzat procesele de precipitare i de adsorbie

interferene cauzate de ionii din apa rezidual

uzura particulelor de rin datorit regenerrii

apa i lamul rezultate din procesul de regenerare trebuie tratate sau depozitate.