L4_Studiul sedimentarii particulelor in coloana stationara.doc

Sisteme de depoluare în industria alimentară

Laborator 4STUDIUL SEDIMENTĂRII PARTICULELOR

ÎN COLOANĂ STAŢIONARĂ

1. OBIECTIVELE LUCRĂRII

Lucrarea de laborator are următoarele obiective:- să permită studenţilor să observe fenomenul de sedimentare a particulelor solide dintr-o

suspensie într-o manieră simplă şi sugestivă;- în timpul experimentelor studenţii vor face măsurători pe baza cărora vor ridica curbe

de variaţie specifice sedimentării şi vor învăţa cum pot fi utilizate aceste grafice pentru proiectarea decantoarelor şi îngroşătoarelor de nămol din instalaţiile de tratare a apelor uzate;

- studenţii vor determina cantitatea specifică de material sedimentat dintr-un sistem static şi vor pune în evidenţă modul de variaţie al acesteia în funcţie de dimensiunile particulelor solide, de densitatea şi de concentraţia acestora.

2. ASPECTE TEORETICE

Studiul fenomenului de sedimentare a particulelor solide din ape este deosebit de important, atât pentru proiectarea şi exploatarea echipamentelor de separare a impurităţilor decantabile sau de îngroşare a nămolurilor din cadrul instalaţiilor de tratare a apelor, cât şi pentru o administrare eficientă a cursurilor naturale de ape.

Sedimentarea este fenomenul de separare a particulelor solide aflate în suspensie într-o masă de lichid prin depunere gravitaţională. Dacă într-o coloană de sticlă se introduce o cantitate de apă în care se găsesc particule solide decantabile în suspensie şi se lasă în repaus se observă, după trecerea unei perioade de timp, apariţia unei zone limpezite la partea superioară a masei de apă şi stratificarea pe verticală, în funcţie de concentraţie, a particulelor în suspensie care se decantează (vezi figura 1).

Fig 1. Decantarea unei suspensii în coloană staţionară

As.dr.ing. Nicoleta Ungureanu 1


În fapt se formează trei zone distincte: o zonă de apă limpezită, o zonă de suspensie cu particule în plin proces de decantare şi o zonă cu nămol concentrat sedimentat. Aceste zone sunt separate de două interfeţe: o interfaţă apă limpezită–suspensie şi o interfaţă suspensie–nămol concentrat sedimentat.

În timp interfaţa apă limpezită–suspensie coboară, iar interfaţa suspensie–nămol concentrat sedimentat se ridică, iar la un moment dat aceste interfeţe ajung la aceeaşi înălţime şi se suprapun (punctul în care cele două interfeţe care se suprapun poartă numele de punct critic al procesului de decantare, corespunde volumului maxim de material sedimentat şi se constituie într-o măsură a înălţimii acestuia), în coloană rămânând doar două zone: una de apă limpezită şi una de nămol concentrat sedimentat.

Dacă observarea continuă, se remarcă că interfaţa apă limpezită–nămol concentrat sedimentat coboară foarte lent în timp (cu viteze mult mai mici decât viteza de coborâre a interfeţei apă limpezită–suspensie) şi se stabilizează la o anumită înălţime după o perioadă lungă de timp. În urma studiilor efectuate de cercetătorii Camp şi Fitch asupra decantării diverselor tipuri de suspensii, aceştia au clasificat fazele procesului de decantare în funcţie de concentraţia suspensiilor şi natura particulelor solide astfel: clarificarea de tipul I, clarificarea de tipul II, sedimentarea în masă şi compactarea sedimentului (vezi figura 2).

Fig 2. Diagrama fazelor decantării

Clarificarea de tipul I apare în cazul sedimentării particulelor pur granuloase în suspensii diluate. În acest caz, sedimentarea poate fi considerată nestânjenită, fiecare particulă deplasându-se individual, pe traiectoria proprie, caracteristicile mişcării particulei depinzând numai de proprietăţile lichidului şi ale particulelor solide. În acest caz viteza de sedimentare ws [m/s] se poate stabili cu bună aproximaţie pe baza Legii lui Stokes:

(1)

în care: dp [m] – diametrul particulelor solide;ρp [kg/m3] – densitatea particulelor solide;ρ [kg/m3] – densitatea lichidului;g [m/s2] – acceleraţia gravitaţională;η [kg/m·s] – vâscozitatea lichidului.

Acest tip de decantare se întâlneşte în cadru deznisipatoarelor.

Clarificarea de tipul II apare în cazul sedimentării particulelor floculoase în suspensii diluate. În acest caz, particulele mai grele, cu viteze de sedimentare superioare ajung din urmă şi cionesc particule mai uşoare, cu viteze de sedimentare inferioare, formând agregate cu viteze crescute de depunere. Probabilitatea formării de agregate creşte pe măsură ce adâncimea stratului de apă este mai mare. Datorită complexităţii procesului, nu a fost elaborat încă un model matematic complet justificat de stabilire a vitezei de sedimentare pentru clarificarea de tipul II.



În acest caz, în practică, viteza de sedimentare se determină prin metode experimentale pentru tipuri particulare de suspensii.

Acest tip de decantare se întâlneşte în stratul superior al decantoarelor.

Sedimentarea în masă apare în cazul sedimentării particulelor în suspensii concentrate. În acest caz, în funcţie de valoarea concentraţiei, se formează zone cu compoziţie uniformă, în care toate particulele acţionează colectiv, rezultând o depunere cu viteză mai redusă decât în cazul clarificării. În aceste zone, viteza de sedimentare poartă numele de viteză de sedimentare stânjenită, se notează cu ws’, valoarea acesteia variând în funcţie de concentraţie şi se determină de obicei pentru cazuri particulare pe cale experimentală.

Acest tip de decantare se întâlneşte în stratul inferior al decantoarelor.

Compactarea sedimentului este un proces extrem de lent care presupune dislocarea lichidului din stratul de sediment care se compactează, deci printr-un mediu a cărui porozitate este în continuă reducere. În acest caz, valoarea vitezei de compactare se reduce în timp datorită creşterii rezistenţei la curgerea lichidului. Viteza de compactare se poate aprecia teoretic cu relaţia:

(2)

în care: H [m] – înălţimea stratului de sediment la momentul de timp t [s];H∞ [m] – înălţimea finală a stratului de sediment;i [s-1] – constantă a procesului de compactare a sedimentului în funcţie de

suspensia supusă procesului de decantare.

Timpul t [s] necesar pentru coborârea nivelului stratului de sediment de la înălţimea Hc

[m] corespunzătoare punctului critic al procesului de decantare la înălţimea H, se poate determina prin integrarea relaţiei 2, atunci când se cunoaşte înălţimea finală H∞ a stratului de sediment.

(3)

în care: tc [s] – perioadă de timp în care procesul de decantare ajunge la punctul critic.

De menţionat că o agitare lentă favorizează procesul de compactare a sedimentului.Dacă într-o coloană cilindrică gradată de sticlă se introduce o anumită cantitate de

suspensie formată din apă şi particule solide decantabile floculoase şi se înregistrează în timp atât coborârea interfeţei apă–suspensii, cât şi ridicarea nivelului sedimentului, se obţin curbe de variaţie tipice cu aluri similare cu cele prezentate în figura 3, în care sunt reprezentate familii caracteristice de curbe de variaţie în timp ale poziţiei interfeţei apă–suspensii, respectiv ale nivelului sedimentului pentru suspensii formate din particule argiloase şi apă la diferite concentraţii.

Dacă se analizează curbele de variaţie în timp a înălţimii interfeţei apă–suspensii se remarcă că acestea au o alură cvasiliniară în perioada iniţială a procesului de sedimentare şi după o anumită perioadă alura devine neliniară. Privind familia de curbe de variaţie în timp a înălţimii interfeţei apă–suspensii din figura 3, se poate observa că abaterea de la linearitate a curbelor survine cu atât mai devreme cu cât concentaţia suspensiei este mai ridicată. Cantitatea specifică de material sedimentat în perioada iniţială, ms [g/cm2·h], se poate calcula cu următoarea relaţie:

(4)

în care: tgαi [cm/min] – panta curbei de variaţie în timp a înălţimii interfeţei apă – suspensii în zona de linearitate;



mp [g] – masa totală a particulelor solide din suspensie;V [cm3] – volumul iniţial de suspensie din coloana gradată.

Fig 3. Familii caracteristice de curbe de variaţie în timp ale poziţiei interfeţei apă – suspensii, respectiv ale nivelului sedimentului pentru suspensii formate

din particule argiloase şi apă la diferite concentraţii

Dacă se reprezintă grafic variaţia cantităţii specifice de material sedimentat în funcţie de concentraţia suspensiei supuse procesului de sdimentare se va obţine o curbă de variaţie similară celei din figura 4 (graficul din figură a fost ridicat pe baza curbelor din figura 3 pentru suspensii formate din particule argiloase). Din grafic se observă că odată cu creşterea concentraţiei de particule solide din suspensie, cantitatea specifică de material sedimentat creşte rapid până se obţine o valoare maximă pentru o anumită concentraţie a suspensiei, după care, dacă concentraţia suspensiei creşte în continuare, cantitatea specifică de material sedimentat va începe să scadă. Totuşi, scăderea va fi de o manieră mult mai lentă decât creşterea. Cantitatea specifică maximă de material sedimentat, obţinută pentru o anumită concentraţie se constituie ca o importantă dată de intrare pentru dimensionarea decantoarelor continue din instalaţiile de tratarea apei.



Fig 4. Curba de variaţie a cantităţii specifice de material sedimentat în funcţiede concentraţia suspensiei supuse procesului de sedimentare

Revenind la analiza curbelor de variaţie în timp a înălţimii interfeţei apă – suspensii, se remarcă că după o perioadă de timp acestea devin nelineare datorită faptului că odată cu coborârea interfeţei apă – suspensii concentraţia suspensiei creşte, iar sedimentarea particulelor îşi schimbă caracterul din sedimentare nestânjenită în sedimentare stânjenită. Dacă pentru zona curbei corespunzătoare compactării sedimentului se trasează un grafic de variaţie al log(H-H∞) în funcţie de timp, atunci se obţine o alură a curbei ca în figura 5, în care sunt curbele obţinute pentru diferite concentraţii ale unor suspensii formate din particule argiloase şi apă, în zona de compactare a sedimentului.

Fig 5. Curbe logaritmice de variaţie ale ale poziţiei interfeţei apă – suspensii pentru diferite concentraţii ale unor suspensii formate din particule argiloase şi apă, în zona de compactare a

sedimentului

Dacă se analizează curbele din figura 5, se observă că acestea sunt cvasilineare, iar pantele acestora reprezintă chiar constantele i ale procesului de compactare a sedimentului



pentru diferite concentraţii ale suspensiilor procesate (vezi relaţia 2). De menţionat că H∞ [m] este înălţimea finală a stratului de sediment.

De menţionat faptul că pentru a nu avea influenţe negative asupra experimentelor (interfeţele apă limpezită – suspensie şi suspensie - nămol concentrat sedimentat şi zonele descrise în figura 1 nu apar clar) trebuie ca gama de valori ale dimensiunii particulelor solide din suspensie să nu fie mai mare ca 6:1, iar raportul între dimensiunea maximă a particulelor solide şi diametrul coloanelor cilindrice să nu fie mai mare ca 1:100.

Ridicarea curbelor de variaţie în timp a înălţimii interfeţei apă–suspensii (denumite şi curbe de sedimentare) pentru anumite variante concrete de suspensii supuse procesului de sedimentare au şi o însemnată importanţă practică în proiectarea echipamentelor de decantare şi îngroşarea nămolurilor.

Astfel, având curba de sedimentare pentru o anumită suspensie, se pot determina cu bună aproximaţie printr-o metodă grafică viteza us [cm/min] a particulelor în momentul sedimentării şi concentraţia limită minimă Clim [%] a sedimentului în următorul mod (vezi figura 6):

- se duc tangente la ramurile perioadei iniţiale şi de compactare a sedimentului ale curbei de sedimentare, care se intersectează;

- se construieşte bisectoarea unghiului format de cele două tangente, care va intersecta curba sedimentării într-un punct ce corespunde punctului critic Cc descris anterior;

- prin punctul critic se duce tangenta la curba de sedimentare care intersectează ordonata sistemului de axe în punctul Hc

*[cm];- panta tangentei la curba de sedimentare prin punctul critic reprezintă viteza us a

particulelor în momentul sedimentării;- concentraţia limită minimă Clim rezultă din următoarea expresie:

Clim · Hc* = C0 · H0 (5)

în care: C0 [%] – concentraţia iniţială a suspensiei supusă procesului de sedimentare;H0 [cm] – înălţimea iniţială a interfeţei apă – suspensii, în fapt înălţimea coloanei de suspensie supusă procesului de sedimentare.

Cunoscând valoarea determinată a vitezei us a particulelor în momentul sedimentării se pune condiţia ca aceasta să fie mai mare sau cel puţin egală cu valoarea încărcării hidraulice a decantorului pe care dorim să-l proiectăm.

Fig 6. Deteminarea grafică a vitezei particulelor în momentul sedimentării şia concentraţiei limită minimă a sedimentului

De menţionat că procedura de determinare grafică a valorilor vitezei de sedimentare şi concentraţiei suspensiei nu este valabilă doar pentru punctul critic Cc al curbei de sedimentare, ci pentru orice punct al acesteia. Astfel, dacă se duce tangenta într-un punct oarecare al curbei de



sedimentare, panta acesteia reprezintă valoarea vitezei u [cm/min] de sedimentare a particulelor corespunzătoare poziţionării interfeţei apă–suspensii la înălţimea corespunzătoare punctului considerat. Dacă se prelungeşte tangenta la punctul considerat până intersectează ordonata sistemului de axe într-un punct notat cu H*[cm] atunci concentraţia C [%] a suspensiei aflate sub interfaţa apă–suspensii poziţionată la înălţimea corespunzătoare punctului considerat se poate determina din relaţia:

C · H* = C0 · H0 (6)

3. APARATURA ŞI MATERIALELE UTILIZATE

- Aparat pentru studiul sedimentării W2 – Armfield, Marea Britanie (vezi figura 7);- Balanţă electronică 0 – 2000 g;- Praf de cretă;- Apă de la reţeaua de alimentare urbană.

Fig 7. Schema aparatului pentru studiul sedimentării

4. MODUL DE LUCRU

În cadrul lucrării de laborator se vor face trei experimente:

Experimentul 1

- se prepară volume de cca. 1,5 l de suspensii de praf de cretă în apă, cu concentraţiile masice de 2,5%, 5%, 7,5%, 10% şi 12,5% (gama de valori ale dimensiunii particulelor de praf de cretă nu trebuie să fie mai mare de 6:1, iar raportul între dimensiunea maximă a particulelor de praf de cretă şi diametrul coloanelor cilindrice nu trebuie să fie mai mare de 1:100);

- se desprind din cleme cele 5 coloane cilindrice gradate ale aparatului pentru studiul sedimentării, se introduc separat în acestea suspensiile de apă şi praf de cretă cu concentraţii diferite, se pun dopurile de cauciuc şi se agită energic în vederea unei bune amestecări;



- se fixează coloanele cilindrice gradate umplute cu suspensii pe suportul aparatului şi se aprinde corpul de iluminat;

- se porneşte cronometrul şi se înregistrează la intervale regulate de timp poziţiile interfeţelor apă limpezită–suspensie, respectiv suspensie–nămol concentrat sedimentat (înregistrările se vor face în timpul celor 2 ore ale lucrării, urmând ca înălţimea finală a sedimentului să se înregistreze după 24 de ore);

- se vor trasa curbele de variaţie în timp ale poziţiilor interfeţelor apă limpezită–suspensie, respectiv suspensie–nămol concentrat sedimentat;

- se va trasa curba de variaţie a cantităţii specifice de material sedimentat în funcţie de concentraţia suspensiei în perioada iniţială a procesului de sedimentare;

- se vor trasa curbele logaritmice de variaţie în timp ale poziţiei interfeţei apă–suspensii pentru diferitele concentraţii ale suspensiilor în zona de compactare a sedimentului.

Experimentul 2

- se prepară un volum de cca. 1,5 l de suspensie de praf de cretă în apă cu concentraţia masică de 5% (gama de valori ale dimensiunii particulelor de praf de cretă nu trebuie să fie mai mare de 6:1, iar raportul între dimensiunea maximă a particulelor de praf de cretă şi diametrul coloanelor cilindrice nu trebuie să fie mai mare de 1:100);

- se procedează exact ca la experimentul 1 folosindu-se doar o coloană cilindrică gradată a aparatului pentru studiul sedimentării, se înregistrează la intervale regulate de timp poziţiile interfeţei apă limpezită – suspensie (înregistrările se vor face în timpul celor 2 ore ale lucrării, urmând ca înălţimea finală a sedimentului să se înregistreze după 24 de ore) şi se va trasa curba de variaţie în timp a poziţiei interfeţei apă limpezită–suspensie (curba de sedimentare);

- se determină concentraţiile suspensiei şi vitezele de sedimentare pentru diferite puncte ale curbei de sedimentare;

- pe baza valorilor determinate se va trasa curba de variaţie a vitezei de sedimentare în funcţie de concentraţia suspensiei supuse procesului de decantare.

Experimentul 3

- se prepară un volum de cca. 5 l de suspensie de praf de cretă în apă cu concentraţia masice de 5% (gama de valori ale dimensiunii particulelor de praf de cretă nu trebuie să fie mai mare de 6:1, iar raportul între dimensiunea maximă a particulelor de praf de cretă şi diametrul coloanelor cilindrice nu trebuie să fie mai mare de 1:100);

- se procedează exact ca la experimentul 1, folosindu-se toate cele 5 coloane cilindrice gradate ale aparatului pentru studiul sedimentării, care se umplu până la înălţimi de 30 cm, 40cm, 50 cm, 60 cm, şi respectiv 70 cm, după care se înregistrează la intervale regulate de timp poziţile interfeţelor apă limpezită–suspensie (înregistrările se vor face în timpul celor 2 ore ale lucrării, urmând ca înălţimea finală a sedimentului să se înregistreze după 24 de ore) şi se vor trasa curbele de variaţie în timp ale poziţiilor interfeţelor apă limpezită–suspensie (curbele de sedimentare);

- se determină concentraţiile suspensiei şi vitezele de sedimentare pentru diferite puncte ale curbelor de sedimentare;

- pe baza valorilor determinate se vor trasa curbele de variaţie a vitezei de sedimentare în funcţie de concentraţia suspensiei supuse procesului de decantare pentru cele 5 curbe de sedimentare, după care se vor compara între ele (în mod normal nu trebuie să apară diferenţe).



5. ÎNREGISTRAREA ŞI PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE

Înregistrarea atât a datelor experimentale, cât şi a celor calculate, se va face în următoarele tabele, pe baza cărora se ridica curbele de variaţie indicate:

Tabelul 1 Concentraţia suspensieiParametrul [%]

2,5 5 7,5 10 12,5

Masa particulelor solide [g]Masa apei [g]Diametrul interior al coloanelor [cm]Volumul iniţial de suspensie [cm3]Volumul suspensiei în punctul critic [cm3]

Volumul final al sedimentului [cm3]

Tabelul 2 Poziţia interfeţei apă limpezită- suspensii la diferite con-Timpul [min] centraţii [%]

2,5 5 7,5 10 12,5

Tabelul 3 Poziţia interfeţei suspensii-nămol sedimentat la diferite con-Timpul [min] centraţii [%]

2,5 5 7,5 10 12,5



Observaţii: În tabelele 2 şi 3, înregistrările poziţiilor interfeţelor se vor face la intervale regulate de timp (de exemplu 10 minute) şi se vor indica explicit momentele şi poziţiile interfeţelor corespunzătoare punctului critic şi sedimentului final.

Tabelul 4 Concentraţia suspensieiParametrul [%]

2,5 5 7,5 10 12,5

Panta curbei de sedimentare în zona iniţială (de linearitate) [cm/min]Cantitatea specifică de material sedimentat în perioada iniţială ms [g/cm2·h]

Observaţie: Cantitatea specifică de material sedimentat în perioada iniţială se calculează cu relaţia 4.

Tabelul 5 log (H-H∞)Timpul [min]

2,5 5 7,5 10 12,5

Tabelul 6 Punctul de pe curba de sedimentare consideratParametrul

1 2 3 4 5

Viteza de sedimentare [cm/min]Punctul de intersecţie al tangentei la curba de sedimentare cu ordonata sistemului H* [cm]Concentraţia suspensiei aflată sub interfaţa apă limpezită-suspensii poziţionată în punctul considerat C [%]

Tabelul 7 Poziţia interfeţei apă limpezită-suspensii pentru diferite înălţimiTimpul [min] iniţiale [cm]

30 40 50 60 70



Observaţii: În tabelul 7 înregistrările poziţiilor interfeţei apă limpezită - nămol se vor face la intervale regulate de timp (de exemplu 10 minute) şi se vor indica explicit momentele şi poziţiile interfeţelor corespunzătoare punctului critic şi sedimentului final.

Tabelul 8 Punctul de pe curba de sedimentare (30 cm) consideratParametrul

1 2 3 4 5



1 2 3 4 5



1 2 3 4 5



1 2 3 4 5



1 2 3 4 5



Date post:	02-Dec-2015
Category:	Documents
Upload:	serban-veronica
View:	241 times
Download:	1 times

L4_Studiul sedimentarii particulelor in coloana stationara.doc

Documents