ΚΡΟΚΙΔΩΣΗ - ΣΥΣΣΩΜΑΤΩΣΗ. Δρ. Π. ΜΕΛΙΔΗΣ

ΚΡΟΚΙΔΩΣΗ - ΣΥΣΣΩΜΑΤΩΣΗ Δρ. Π. ΜΕΛΙΔΗΣ 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για τον διαχωρισμό των υλικών που περιέχονται στα φυσικά νερά εφαρμόζονται στην επεξεργασία του πόσιμου νερού κυρίως φίλτρα, δεξαμενές καθίζησης, και σπάνια εγκαταστάσεις επίπλευσης. Όταν η ποσότητα των υλικών προς διαχωρισμό είναι μικρή αρκεί συχνά μόνο μια εγκατάσταση διήθησης, ενώ για μεγαλύτερες ποσότητες πρέπει να προπορευτεί μια εγκατάσταση καθίζησης. Όταν τα υλικά βρίσκονται σε κολλοειδή μορφή ή είναι λεπτοδιασκορπισμένα ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται σχεδόν πάντα μόνο με την χρήση κροκιδωτικών, ειδάλλως απαιτούνται αντιοικονομικές διαστάσεις εγκαταστάσεων και μεγάλη χρόνοι δράσης στις δεξαμενές καθίζησης (πίν.. 5-1). 5 2

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πιν. 5-1: Χαρακτηριστικά καθίζησης αιωρουμένων σωματιδίων Υλικό Μέγεθος (μm) Χρόνος καθίζησης, 1 m Χαλαζίάς Ιλύς Βακτήρια Κολλοειδή 10.000 1.000 100 10 1 0,1 1 sec 10 sec 125 sec 108 min 180 h 755 d 3

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με την κροκίδωση αφαιρείται και ένα μέρος πραγματικά διαλυμένων ουσιών. Για αυτές όμως τις ενώσεις εφαρμόζεται η χημική καθίζηση. Κροκίδωση και καθίζηση μπορεί να επιτευχθούν με τα ίδια υλικά, εξελίσσονται κατά ένα μέρος παράλληλα και πολλές φορές στην πράξη δεν μπορεί να διαχωριστούν. Πολλά σώματα που περιέχονται στο νερό, κυρίως στα επιφανειακά νερά και σε προεπεξεργασμένα υπόγεια νερά, βρίσκονται σε κολλοειδή ή λεπτοδιασκορπισμένη μορφή. 4

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με την πρόσθεση κροκιδωτικών, στα οποία κυρίως συγκαταλέγουμε τα άλατα αργιλίου και σιδήρου, μπορεί να επέλθει μια αποσταθεροποίηση και υπέρβαση του φράγματος του δυναμικού. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται κυρίως θειικό αργίλιο, και χλωριούχο αργίλιο, θειικός- και χλωριούχος σίδηρος (ΙΙΙ), όπως και μίγματα των. Η ποσότητες πρόσθεσης κυμαίνονται στην τάξη μεγέθους από 0,03 μέχρι 0,3 mmol/l, αντίστοιχα 0,7 μέχρι 7,0 mg/l αργιλίου και 1,7 μέχρι 17 mg/l σιδήρου. 5

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για την υποστήριξη της καθίζησης και για καλυτέρευση των ιδιοτήτων καθίζησης χρησιμοποιούνται συχνά και βοηθητικά υλικά κροκίδωσης. Αυτά είναι συνήθως συνθετικά πολυμερή όπως πολυακρυλικά αμίδια με διαφορετική φόρτιση. Η χρονική απόσταση από την πρόσθεση των κροκιδωτικών είναι τουλάχιστον 30 s. Επίσης μπορεί να είναι αναγκαία και άλλα υλικά σε σχέση με την κροκίδωση όπως π.χ. οξειδωτικά ή χημικά για την ρύθμιση του ph. 6

Στάδια δημιουργίας συσσωματώματος Βήμα μεθόδου Οδηγίες Αποθήκευση, μεταφορά και διάλυση Σύμφωνα με τις οδηγίες του προμηθευτή του κροκιδοτικού 1. Δοσομέτρηση και ανάμιξη Γρήγορή και ομοιογενής διασκορπισμός του κροκιδοτικού, συνήθως είναι απαραίτητη η τυρβώδης ανάμιξη (Αναδευτήρας, ανάμι ξη αγωγού, στατικός αναμίκτης) 2. Αποσταθεροποίηση Συνήθως εξελίσσεται ταυτόχρονα με την ανάμιξη και στον ίδιο χώρο. 3. Συσσωμάτωση σε μικρονιφάδες Συνήθως απαιτείται μεγάλη δύναμη διάτμησης δηλ προσφορά ενέργειας από τον αναδευτήρα 4. Συσσωμάτωση σε μεγάλες νιφάδες Αύξηση του μεγέθους των νιφάδων με ελάχιστη προσφορά ενέργειας. Πιθανόν πρόσθεση βοηθητικών υλικών κροκίδωσης 0,1 1 g/m 3. Βελτιστοποίηση σύμφωνα με την μέθοδο διαχωρισμού. Διαχωρισμός των σχηματισθέντων νιφάδων 7

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τις μικρότερες απαιτήσεις, βέβαια σε μικρή φόρτιση, απαιτεί η διήθηση κροκίδωση με την δημιουργία των νιφάδων στο χώρo πάνω από το φίλτρο και ακόμα πιο καλά στο ίδιο το στρώμα του φίλτρου. Ο σχεδιασμός, η μέτρηση και βελτιστοποίηση εγκαταστάσεων κροκίδωσης απαιτούν σχεδόν πάντα πειράματα σε πιλοτικές μονάδες και στην ίδια την μονάδα, διότι είδος και ποσότητα του κροκιδωτικού και πιθανόν του βοηθητικού κροκίδωσης, κατάλληλο ph, θέση δοσομέτρησης, κατανάλωση ενέργειας, χρόνος παραμονής κλπ πρέπει να ρυθμιστούν βάση της ποιότητας του νερού προς επεξεργασία, την μέθοδο διαχωρισμού, και το τελικό αποτέλεσμα της κατεργασίας. 8

Εγκαταστάσεις για την δημιουργία των νιφάδων Βασικός τύπος Λεπτομέρειες Δεξαμενή ανάμιξης - Χρόνοι παραμονής από 2 30 min - Διαφορά δύναμης διάτμηση από 100 10 s - Δύο ή και παραπάνω δεξαμενές στην σειρά διαφορετική διαφορά δύναμης διάτμησης - Συμμόρφωση στην παροχή και στο είδος του ακαθάριστου νερού Στατικά συστήματα - Ροή διαμέσου χώρων με εσοχές που δρουν υδραυλικά - Συστήματα που εξαρτώνται από την ροή - Ταχύτητες ροής 0,1 0,2 m/s - Απλή κατασκευή Σωλήνες - Γρήγορη δημιουργία νιφάδων σε αγωγούς μήκους πάνω από 20 m - Οριοθέτηση της ποσότητας προς τα κάτω και πάνω Στρώμα επιπλέουσας λάσπης - Συνδυασμός με καθίζηση - Νερό που ρέει προς τα πάνω - Σχηματισμός νιφάδων στο επιπλέον στρώμα - Μακρύς χρόνος εκκίνησης 9

Κροκίδωση Στα διασκαροπισμένα αυτά σωματίδια με το ίδιο φορτίο δρουν σταθεροποιητικές δυνάμεις (απωθητικές δυνάμεις) τις περισσότερες φορές ηλεκτροστατικής φύσης. Έτσι παρά την δράση των επιφανειακών δυνάμεων έλξης (van der Waals) σχηματίζεται ένα φράγμα δυναμικού που δεν επιτρέπει να επέλθει μια συσσωμάτωση των σωματιδίων, έτσι η καθίζηση γίνεται ανεπαρκώς και τα φίλτρα δεν έχουν καμία απόδοση. 10

Κροκίδωση αποσταθεροποίηση αιωρημάτων Η αποσταθεροποίηση αιωρημάτων είναι μια χημική διεργασία που προηγείται της καθίζησης και της διήθησης και είναι απαραίτητη για να επιτευχθεί η συσσωμάτωση, δηλαδή ο σχηματισμός μεγαλύτερων αιωρουμένων στερεών. Τα αιωρούμενα σωματίδια στα επιφανειακά νερά έχουν μέγεθος από 10 10-1 mm. Επειδή τα κολλοειδή σωματίδια έχουν μέγεθος μεταξύ 10-6 (1 nm) 10 (1 μm) mm, συμπεραίνουμε ότι ένα μεγάλο μέρος των αιωρουμένων σωματιδίων ανήκει στα κολλοειδή. Στερεά κολλοειδή είναι οι μικροοργανισμοί όπως οι ιοί τα βακτήρια, τα μικροφύκη και η άργιλος. Παράλληλα συναντάμε και υγρά κολλοειδή όπως οι υδρογονάνθρακες. 10-7 10-3 11

Κροκίδωση Σταθερότητα των κολλοειδών Τα αιωρούμενα στερεά απομακρύνονται από το νερό βασιζόμενα κατά κύριο λόγο στην βαρύτητα. Τα στερεά όμως κολλοειδή δεν καθιζάνουν με την βαρύτητα, δηλαδή είναι σταθερά. Η σταθερότητα τους έχει άμεση σχέση με το ηλεκτρικό φορτίο της επιφάνειας τους. Βέβαια εκτός τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις υπάρχουν και δυνάμεις που οφείλονται σε προσροφημένα μακρομόρια, π.χ. οι χουμικές ουσίες που προέρχονται από το έδαφος και δημιουργούνται μέσο χημικών και βιολογικών διεργασιών αποσύνθεσης της φυτικής ύλης. Το ηλεκτρικό φορτίο που έχουν το οφείλουν στις καρβοξυλικές και φαινολικές ομάδες που φέρουν. 12

Κροκίδωση Ηλεκτροστατική σταθεροποίηση των κολλοειδών Τα ηλεκτρικά φορτία των αιωρουμένων στερεών οφείλονται στην ανισοκατανομή των ιόντων πάνω στο στερεό και στο περιβάλλον διάλυμα. H Ανισοκατανομή οφείλετε σε διάφορούς μηχανισμούς όπως: 1. Στην αντίδραση ομάδων που βρίσκονται στην επιφάνεια του κολλοειδούς με το νερό και παίρνουν ή δίνουν πρωτόνια Η+, οπότε τα αιωρούμενα φορτίζονται θετικά ή αρνητικά. Αυτό εξαρτάται άμεσα από το ph. Η τιμή του ph όπου το συνολικό φορτίο μηδενίζεται ονομάζεται σημείο μηδενικού φορτίου. 2. Σε ομάδες που υπάρχουν στην επιφάνεια των αιωρούμενων στερεών και είναι δυνατόν να αντιδράσουν με διαλυμένες ενώσεις εκτός του πρωτονίου 13

Ηλεκτρική διπλοστοιβάδα στη διεπιφάνεια στερεού- υγρού 14

Αλληλεπίδραση απωστικών και ελτικών δυνάμεων μεταξύ κολλοειδών σωματιδίων 15

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης) Η αποσταθεροποίηση των αιωρημάτων παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον γιατί είναι μια διεργασία που επιτρέπει τη συσσωμάτωση των αιωρούμενων στερεών και επομένως την ευκολότερη απομάκρυνση τους. Οι μηχανισμοί αποσταθεροποίησης των αιωρημάτων είναι: 1. συμπίεση της ιονικής στοιβάδας 2. προσρόφηση με αποτέλεσμα την εξουδετέρωση των φορτίων 3. παρασυρμός από ίζημα 4. διασωματιδιακή γεφύρωση 16

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης) Η συμπίεση της ιονικής στοιβάδας Προκαλείται με την προσθήκη στο διάλυμα ιόντών αντίθετου φορτίου από το φορτίο των αιωρούμενων στερεών. Υψηλή ιονική ισχύς συμπιέζει την διπλή ιονική στοιβάδα προς την επιφάνεια του κολλοειδούς. Όταν η συμπίεση αυτή είναι σημαντική, επικρατούν οι ελκτικές δυνάμεις London-van der Waals, με αποτέλεσμα την συσσωμάτωση των επιμέρους κολλοειδών. Ο βαθμός συμπίεσης της ιονικής στοιβάδας αυξάνει με την αύξηση του φορτίου των θετικά φορτισμένων ιόντων, που προκαλούν την συμπίεση αυτή. Έτσι η αποτελεσματικότητα μειώνεται από το Al 3+ > Ca 2+ > Νa + Ο μηχανισμός συμπίεσης δεν αρκετός για κοινές εφαρμογές κροκίδωσης στην επεξεργασία του πόσιμου νερού, διότι τα κροκιδωτικά αυτά χρησιμοποιούνται σε μικρές συγκεντρώσεις που δεν επαρκούν να προκαλέσουν συμπίεση της ιονικής στοιβάδας. 17

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης) Η συμπίεση της ιονικής στοιβάδας Σχετική αποτελεσματικότητα διαφόρων αλάτων στην κροκίδωση αρνητικών κολλοειδών σωματιδίων 18

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης) Προσρόφηση και εξουδετέρωση φορτίου Στον μηχανισμό αυτό καθοριστικό ρόλο παίζει η φύση των κατιόντων που προκαλούν κροκίδωση των κολλοειδών, παρά η ποσότητα τους. Ο ιονισμός του θειικού αργιλίου στο νερό παράγει θειικά ανιόντα και κατιόντα αργιλίου. Τα θειικά δεν είναι ιδιαίτερα δραστικά αλλά τα κατιόντα αργιλίου συμμετέχουν σε αντιδράσεις υδρόλυσης και συμπλοκοποίησης και παράγουν πρωτόνια και μια σειρά συμπλόκων αργιλίου (θετικών και αρνητικών) και στερεό Al(OH OH)3. Από τα σχηματιζόμενα ιόντα αργιλίου, τα θετικά φορτισμένα καθίστανται μέρος της διπλής στοιβάδας, η οποία περιβάλει τα φυσικά κολλοειδή και εξουδετερώνουν το επιφανειακό αρνητικό τους φορτίο. 19

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης) Προσρόφηση και εξουδετέρωση φορτίου Αυτό οδηγεί στην καταστροφή της διπλής στοιβάδας και εξαφάνιση του ηλεκτρικού δυναμικού, να μην παρεμποδίζεται η επαφή και η συσσωμάτωση των κολλοειδών. Αύξηση της δόσης μπορεί να επιφέρει την επανασταθεροποίηση του αιωρήματος. Αυτό οφείλεται στην δημιουργία θετικά φορτισμένων σωματιδίων, που προκύπτουν από την προσρόφηση περίσσειας θετικά φορτισμένων ιόντων του Al 3+, και η διπλή στοιβάδα αποτελείται από ανιόντα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι, η επανασταθεροποίηση λόγο της αύξησης της δόσης του κροκιδωτικού, αποτελεί βασική διαφορά μεταξύ των μηχανισμών συμπίεσης της ιονικής στοιβάδας και προσρόφησης και εξουδετέρωσης φορτίου. Έτσι, όσο και να αυξήσουμε την συγκέντρωση των Νa +, Ca 2 +, και Al 3+ είναι αδύνατη η επανασταθεροποίηση τους. 20

Συμπίεση της ιονικής στοιβάδας Διασωματιδιακή γεφύρωση προσθήκη στο διάλυμα ιόντών αντίθετου φορτίου βαθμόςσυμπίεσηςτηςιονικής στοιβάδας αυξάνει με την αύξηση του φορτίου των θετικά φορτισμένων ιόντων χρησιμοποιούνται σε μικρές συγκεντρώσεις που δεν επαρκούν να προκαλέσουν συμπίεση της ιονικής στοιβάδας. Προσρόφηση και εξουδετέρωση φορτίου καθοριστικόρόλοπαίζειηφύση των κατιόντων παρά η ποσότητα Αύξηση της δόσης επιφέρει την επανασταθεροποίηση Παρασυρμός από ίζημα Διασωματιδιακή γεφύρωση 21

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης) Παρασυρμός από ίζημα Όταν προστίθενται στο νερό άλατα αργιλίου και σιδήρου σε συγκεντρώσεις που έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ιζημάτων των υδροξειδίων των μετάλλων αυτών, τα κολλοειδή στερεά μπορεί να εγκλωβίζονται στα ιζήματα και να συγκαθιζάνουν. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται στην επεξεργασία του πόσιμου νερού, όπου στην πραγματικότητα προσθέτουμε στερεά υπό μορφή Al(OH OH)3 για να απομακρύνουμε χαμηλές θολότητες και χρώμα. 22

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης) Παρασυρμός από ίζημα Η προσθήκη των στερεών βελτιώνει την κινητική της συσσωμάτωσης. H καμπύλη Al(OH OH)3 ισχύει για τις συνθήκες όπου σχηματίζεται ίζημα του Al(OH OH)3. Τα οργανικά πολυμερή δε σχηματίζουν ίζημα, γι αυτό συνήθως δεν χρησιμοποιούνται ως μοναδικά κροκιδωτικά στην επεξεργασία του νερού. Έχουν χρησιμοποιηθεί ως βοηθητικά της κροκίδωσης και ως μόνα κροκιδωτικά στην επεξεργασία της άμεσης διήθησης, δηλαδή χωρίς προηγούμενη καθίζηση. 23

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης 24

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης) Διασωματιδιακή γεφύρωση Όταν το αργίλιο προστίθεται σε υδατικά διαλύματα, σχηματίζονται μεγαλομόρια (πολυμερή) του αργιλίου. Ανάλογες ενώσεις σχηματίζονται και κατά την χρήση αλάτων τρισθενούς σιδήρου. Συχνά, επίσης χρησιμοποιούνται συνθετικοί πολυηλεκτρολύτες, είτε από μόνοι τους είτε σε συνδυασμό με άλατα αργιλίου και σιδήρου. Όλα τα παραπάνω μεγαλομόρια (γραμμικά ή διακλαδισμένα) έχουν μεγάλη συγγένεια για τις επιφάνειες κολλοειδών και προσροφώνται σε αυτές. 25

Θεωρία κροκίδωσης (αποσταθεροποίησης) Διασωματιδιακή γεφύρωση Έτσι ένα μεγαλομόριο δύναται να προσροφάτε σε περισσότερα του ενός κολλοειδή σωματίδια, παίζοντας το ρόλο γέφυρας μεταξύ τους, με τελικό αποτέλεσμα την συσσωμάτωση και καθίζηση τους. Για την αποφυγή επανασταθεροποίησης του αιωρήματος, θα πρέπει να αποφεύγεται η υπερβολική δόση πολυμερούς. Επίσης, για την αποφυγή καταστροφής των ήδη υπαρχόντων συσσωματωμάτων, θα πρέπει να αποφεύγεται η υπερβολική ανάδευση. 26

Πειραματικός σχεδιασμός κροκίδωση Η επιλογή για την βέλτιστη δόση κροκιδωτικού προσδιορίζεται πειραματικά με μια εμπειρική δοκιμή (Jar test). Εφαρμόζεται σε κάθε είδους νερό και πρέπει να επαναλαμβάνεται κάθε φορά που παρατηρείται μεταβολή της ποιότητας του. Για την δοκιμή χρησιμοποιούνται έξι ποτήρια, ομοιόμορφου σχήματος, εφοδιασμένα με μια συσκευή ανάμιξης το καθένα. Σε κάθε ποτήρι 27 τοποθετείται ο ίδιος όγκος ύδατος.

Πειραματικός σχεδιασμός κροκίδωση Όλες οι παράμετροι (αλκαλικότητα, ph, θερμοκρασία) διατηρούνται σταθερές και μεταβάλλεται μόνο η δόση του κροκιδωτικού από 0 mg/l (φιάλη ελέγχου) έως μια ανώτερη τιμή, που ποικίλει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του νερού. 28

29

Πειραματικός σχεδιασμός κροκίδωση Η δοκιμή αρχίζει με μια γρήγορη ανάμιξη 1 min, προσομοιώνει το στάδιο της κροκίδωσης ακολουθεί βραδεία ανάμιξη 20-24 24 min προσομοιώνει το στάδιο της συσσωμάτωσης. Έπεται η περίοδος ηρεμίας 30 min προσομοιώνει το στάδιο της καθίζησης. Μετά την καθίζηση αναλύονται δείγματα για τον προσδιορισμό της θολότητας, χρώματος, COD, ή και άλλων παραμέτρων και προσδιορίζεται η βέλτιστη δόση. 30

Πειραματικός σχεδιασμός κροκίδωση Σε υπερβολική δόση κροκιδωτικού παρατηρείται συχνά (κυρίως σε οργανικά πολυμερή) επανασταθεροποίηση. Για τον λόγο αυτό πρέπει να μεταβάλλεται η δόση του κροκιδωτικού στις δοκιμές Jar test τουλάχιστον κατά 4 τάξεις μεγέθους. 31

Πειραματικός σχεδιασμός κροκίδωση Kροκίδωση ενός αιωρήματος 100mg mg/l καολινίτη με ένα κατιονικό πολυηλεκτρολύτη (DEAE dextran, ΜΒ ~ 2x1062 σε ph 7. Αποτελεσματική δόση πολυμερούς παρατηρείται στο πεδίο από 0,08 1 mg/l. Μη αποτελεσματική κροκίδωση παρατηρείται σε χαμηλές και πολύ υψηλές δόσεις. 32

Εφαρμογή της κροκίδωσης στην επεξεργασία νερού Τα κροκιδωτικά που χρησιμοποιούνται συχνότερα στην επεξεργασία του πόσιμου νερού είναι άλατα του αργιλίου και του σιδήρου και η άσβεστός. Ενώ το θειικό αργίλιο είναι οικονομικότερο τα άλατα του σιδήρου έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι αποτελεσματικότερα σε ευρύτερη περιοχή του ph. Για την αποσκλήρυνση του νερού χρησιμοποιείται άσβεστος, η οποία δρα σαν κροκιδωτικό και παράγεί ένα βαρύ ίζημα ανθρακικού ασβεστίου και υδροξειδίου του μαγνησίου, που βοηθά τόσο στην κροκίδωση όσο και στην συσσωμάτωση. 33

Εφαρμογή της κροκίδωσης στην επεξεργασία νερού Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την κροκίδωση του νερού είναι η θολότητα, τα αιωρούμενα στερεά, η θερμοκρασία, το ph, η ιονική ισχύς, η διάρκεια και ο βαθμός ανάμιξης, το είδος και η δόση του κροκιδωτικού. 34

Θειικό αργίλιο Κατά την διάλυση του θειικού αργιλίου στο νερό ελαττώνεται το ph του διαλύματος: (1) Al 3+ + 3H 2 O Al(OH) 3(s) + 3H + Συνεπώς για τον σχηματισμό ιζήματος υδροξειδίου του αργιλίου πρέπει να υπάρχει επαρκής ποσότητα αλκαλικότητας που για τις τιμές που ενδιαφέρουν απαντά στη μορφή των όξινων ανθρακικών HCO 3- : (2) Al 2 (SO 4 ) 3 14 H 2 O + 6 HCO 3-2Al(OH) 3(s) + 3SO 4 2- + 14 H 2 O + 6CO 2 35

Θειικό αργίλιο Εάν η υπάρχουσα αλκαλικότητα δεν είναι επαρκής, θα πρέπει να προστεθεί, συνήθως υπό μορφή ασβεστίου ή ανθρακικού νατρίου (σόδας): (3) Al 2 (SO 4 ) 3 14 H 2 O + 3Ca(OH) 2 2Al(OH) 3(s) + 3CaSO 4 + 14 H 2 O Η βέλτιστη περιοχή για κροκίδωση με θειικό αργίλιο είναι 4,5 8,0, διότι σε αυτή το υδροξείδιο του αργιλίου εμφανίζει την χαμηλότερη διαλυτότητα. 36

Θειικό αργίλιο Το θειικό αργίλιο διατίθεται σε υγρή ή ξηρή (συνηθέστερη) μορφή. Οι κόκκοι κρυσταλλώνονται με 14 μόρια νερού περιέχουν 15-22% Al 2 O 3 και έχουν πυκνότητα 960 1010 Kg/m3. Η τροφοδοσία είναι δυνατή και απ ευθείας σε ξηρή μορφή, χωρίς δηλαδή να προηγηθεί διάλυση. Η υγρή μορφή περιέχει συνήθως 50% Θειικό αργίλιο. 37

Τρισθενής θειικός σίδηρος Το κατιόν του τρισθενούς σιδήρου, που παράγεται κατά την διάσταση του θειικού σιδήρου είναι οξύ κατά Lewis (όπως του αργιλίου) και ελαττώνει το ph του διαλύματος. (1) Fe 2 (SO 4 ) 3 9H 2 O + 6 HCO 3-2Fe(OH) 3(s) + 3SO 4 2- + 9H 2 O + 6CO 2 Το ίζημα είναι βαρύ και καθιζάνει γρήγορα. Εάν η φυσική αλκαλικότητα δεν επαρκεί, προστίθεται άσβεστος. 38

Τρισθενής θειικός σίδηρος Η βέλτιστη περιοχή του ph είναι 4-12. Διατίθεται σε ξηρή κοκκώδη μορφή ή σκόνη, αλλά η κοκκώδης μορφή είναι συνηθέστερη. Οι κόκκοι κρυσταλλώνονται με 9 μόρια νερού, περιέχουν 90-94% 94% Fe2( 2(SO4)3 και έχουν πυκνότητα 1120-1155 1155 Kg/m3. Η τροφοδοσία γίνεται συνήθως σε ξηρή μορφή. 39

Άσβεστος Στην επεξεργασία του νερού γίνεται συχνή χρήση ασβέστου είτε σαν γάλα της ασβέστου είτε σαν υδράσβεστος. Το γάλα της ασβέστου (Ca(OH) 2 ) παράγεται από την αντίδραση οξειδίου του ασβεστίου (CaO) με νερό. Το οξείδιο του ασβεστίου διατίθεται σε στερεά μορφή σε περιεκτικότητα 70-96% και πυκνοτητα 880-1120 Kg/m 3. Στο εμπόριο διακινείται σε σάκους, βαρέλια ή χύμα. Εάν η απαιτούμενη ποσότητα είναι μικρή, είναι προτιμοτερη η χρησιμοποίηση υδρασβέστου για οικονομικούς λόγους. Η υδράσβεστός είναι διαθέσιμη σε μορφή σκόνης με 40 περιεκτικότητα 82-99% σε Ca(OH OH) 2.

Βοηθήματα κροκίδωσης Στην επεξεργασία του νερού χρησιμοποιούνται συχνά ουσιές που βοηθούν στην ταχεία παραγωγή ιζημάτων με υψηλή πυκνότητα και πολύ καλά χαρακτηριστικά καθίζησης, ώστε να επιτυγχάνεται βέλτιστη κροκίδωση και συσσωμάτωση. Οι ουσίες αυτές ονομάζονται βοηθήματα κροκίδωσης: Αλκαλικότητα προστίθεται όταν η φυσική αλκαλικότητα του νερού είναι ανεπαρκής για την βέλτιστη παραγωγή κρoκίδων κίδων. Είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί άσβεστος ή σόδα. 41

Βοηθήματα κροκίδωσης Οι πολυηλεκτρολύτες χρησιμοποιούνται επίσης για την επίτευξη βέλτιστης κροκίδωσης και ταξινομούνται με βάση τα ιονικά τους χαρακτηριστικά (ανιονικοί, κατιονικοί, μη ιονικοί). Κατά την χρήση σαν βοηθήματα κροκίδωσης αλληλεπιδρούν με τις χαρακτηριστικές επιφανειακές ομάδες των κροκίδων και παίζουν τον ρόλο διασωματιδιακών χημικών γεφυρών. Μερικές φορές οι πολυηλεκτρολύτες χρησιμοποιούνται σαν τα μόνα κροκιδωτικά, χωρίς να απαιτείται η προσθήκη άλλων ουσιών. Η τροφοδοσία γίνεται σε υγρή μορφή.. 42

Βοηθήματα κροκίδωσης Η προσθήκη θολοτητας (αιωρούμενων σωματιδίων), όπως η προσθήκη αργιλίου ή η ανακύκλωση χημικής ιλύος σε δεξαμενές ταχείας μίξης και συσσωμάτωσης, χρησιμοποιείται ενίοτε για την αύξηση των συγκρούσεων των σωματιδίων και συνεπώς την αύξηση της ταχύτητας και αποτελεσματικότητας της κροκίδωσης. 43

Βοηθήματα κροκίδωσης Ρύθμιση του ph απαιτείται όταν η τιμή του είναι εκτός της βέλτιστης περιοχής δράσης του συγκεκριμένου κροκιδωτικού. Η αύξηση γίνεται συνήθως με προσθήκη ασβέστου, ενώ η ελάττωση του με προσθήκη θειικού οξέος. 44

Πρακτική της χημικής ιζηματοποίησης Ακολουθεί τα τρία παρακάτω στάδια: α) Ταχεία ανάμιξη Είναι αναγκαία για την διάδοση του ιζήματος διαμέσου του νερού ώστε να επέλθει η αναγκαία επαφή. Ο χρόνος ανάμιξης είναι μικρός, κυμαίνεται από 10-13 13 s. Ο αναμικτήρας αποτελείται από μια δεξαμενή με αναδευτήρα. β) Θρόμβωση Η αντίδραση της χημικής ένωσης με την αλκαλικότητα του νερού είναι πρακτικά στιγμιαία. γ) Συσσωμάτωση 45

Πρακτική της χημικής ιζηματοποίησης Το αρχικά σχηματισμένο ίζημα είναι με μοριακές διαστάσεις. Στην συνέχεια τα σωματίδια αυξάνουν σε διαστάσεις με την κίνηση Brown και μετατρέπονται σε κρυστάλλους. Η λειτουργία αυτή συμπληρώνεται γρήγορα (σε μερικά δευτερόλεπτα). Η επιπλέον ανάμιξη της ιζηματοποίησης απαιτεί ελαφριά ανάδευση. 46

Πρακτική της χημικής ιζηματοποίησης Η ταχύτητα θρόμβωσης οφείλεται στην κίνηση ενός σημείου του υγρού και είναι απευθείας ανάλογη προς την περιεκτικότητα και την ταχύτητα των θρομβούμενων υλικών στο συγκεκριμένο σημείο. Η ταχύτητα θρόμβωσης προσδιορίζεται από τον αριθμό των επαφών μεταξύ των σωματιδίων στην μονάδα του χρόνου. 47

dv G = dy Πρακτική της χημικής ιζηματοποίησης Η μέση τιμή της ταχύτητας G = dv dy dv = διαφορά των ταχυτήτων μεταξύ δύο διαφορετικών σωματιδίων, dy = η μεταξύ τους απόσταση στις δεξαμενές θρόμβωσης και ανάμειξης μπορεί να υπολογισθεί από την καταναλισκόμενη ισχύ. Το G είναι μία σημαντική παράμετρος για το σχεδιασμό συστημάτων ανάδευσης και σχετίζεται με την ισχύ που είναι απαραίτητη για την ανάδευση ανά μονάδα όγκου υγρού καθώς και με το δυναμικό ιξώδες του υγρού. 48

Πρακτική της χημικής ιζηματοποίησης Το δυναμικό ιξώδες ορίζεται από την εξίσωση dv τ yx = -μ dy Με τ yx την διατμιτική τάση κατά την έννοια μ το δυναμικό ιξώδες του νερού v x την ταχύτητα κατά την έννοια του άξονα των x 49

Πρακτική της χημικής ιζηματοποίησης Εφαρμόζοντας το ισοζύγιο δυνάμεων και ισχύος σε ένα στοιχειώδη όγκο αναδευόμενου υγρού προκύπτει G = P μv Όπου G = η κλίση της ταχύτητας, που είναι μέτρο διασκορπισμού ισχύος στη δεξαμενή ανάδευσης,, (s - 1 ) P = η ισχύς που μεταφέρεται και καταναλώνεται στην δεξαμενή ανάδευσης,, (watt( = N.m/s) V = ο όγκος της δεξαμενής ανάδευσης (m 3 ) μ = το δυναμικό ιξώδες του νερού (N.s/m 2 ) 50

Πρακτική της χημικής ιζηματοποίησης Όταν η ανάδευση είναι υδραυλική η εξίσωση που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της διασκορπισμένης ισχύος είναι P = ρ.g.q.h L ( 3 kg m m kg. m m N. m J m =. = = = watt ) 3 2 2 m s s s s s s Όπου P η διασκορπισμένη ισχύς (watt) ρ η πυκνότητα του νερού (Kg/m 3 ) Q ηπαροχήτουνερού(m 3 /s) h L οι υδραυλικές απώλειες (m) 51

Πρακτική της χημικής ιζηματοποίησης Η ταχύτητα σχηματισμού των θρόμβων είναι ανάλογος προς το μέγεθος της G. Όσο μεγαλύτερη το G τόσο ταχύτερα γίνεται ο σχηματισμός αυτών. Δηλ. θα ήταν οικονομικό να αυξηθεί αυτή όσο το δυνατόν περισσότερο. Παρόλα αυτά υπάρχει και ένα όριο της μέγιστης ταχύτητας που εξαρτάται από τις διαστάσεις των σωματιδίων. Το ιξώδες ενός υγρού είναι ο σταθερός συντελεστής μεταξύ της μοναδιαίας διατμιτικής δύναμης τ και της ταχύτητας G. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα τόσο μεγαλύτερη είναι η διατμιτική δύναμης στο υγρό. 52

Πρακτική της χημικής ιζηματοποίησης Καθώς τα σωματίδια αυξάνουν γίνονται ασθενέστερα και διαχωρίζονται. Δια τον σχηματισμό μικρών σωματιδίων θρόμβων πρέπει να χρησιμοποιηθούν σχετικά υψηλές ταχύτητες Καθώς η ταχύτητα θρόμβωσης μεταβάλλεται κατ ευθείαν με την συνισταμένη του μέσου συντελεστή ταχύτητας G, παράγεται επιτυχής θρόμβωση με ιδιαίτερη τιμή του Gt όπου t η περίοδος θρόμβωσης. 53

Παράμετροι λειτουργίας για την κροκίδωση κατά τον διαχωρισμό των νιφάδων μέσο καθίζησης, διήθησης, και επίπλευσης. Διαχωρισμός νιφάδων Επιθυμητές ιδιότητες νιφάδων Λειτουργικές παράμετροι Καθίζηση Διήθηση Επίπλευση Συμπαγείς νιφάδες με μεγάλη πυκνότητα Μεγάλη μεσαία διάμετρος νιφάδων Συμπαγείς νιφάδες Μικρότερη μεσαία διάμετρος Μικρή διασπορά μεγέθους των νιφάδων Νιφάδεςμικρήςπυκνότητας Μεγάλη διασπορά μεγέθους νιφάδων G=50 μέχρι 100 1/s Σε αντιδραστήρες με πολλά τμήματα, σταδιακή ενεργειακή είσοδος με G=10 μέχρι 30 1/s. Στο τελευταίο στάδιο l=30 min G.t = 90.000 μέχρι 180.000 Πλεονέκτημα με βοηθητικά κροκίδωσης G=40-60 1/s t=2-15 min G.t=15.000-25.000 Πλεονεκτήματα με βοηθητικά κροκίδωσης ιδίως για οργανικές προσμίξεις G=50-100 1/s Πλεονεκτήματα σε πολλαπλών σταδίων αντιδραστήρα. Δεν είναι αναγκαία η σταδιακή ενεργειακή είσοδος t=15-30 min G.t=50.000-100.000 Πλεονεκτήματα με βοηθητικά κροκίδωσης. Δοσομέτρηση πάνω από το ισοηλεκτρικό σημείο. 54

Δεξαμενή γρήγορης ανάδευσης Στοσημείοαυτόηανάμιξη πραγματοποιείται σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα και με μεγάλη κατανάλωση ισχύος. Οι συνήθεις υδραυλικοί χρόνοι παραμονής κυμαίνονται μεταξύ 20, 30, 40 sec με αντίστοιχή κλίση ταχύτητας G 1000, 900, 790. Οι δεξαμενές είναι μικρού όγκου και είναι εξοπλισμένες με σύστημα ανάδευσης 55

56

Δεξαμενή γρήγορης ανάδευσης Μηχανική γρήγορη ανάδευση με περιστρεφόμενη φτερωτή 57

Δεξαμενή γρήγορης ανάδευσης Μηχανική γρήγορη ανάδευση με περιστρεφόμενη φτερωτή μέσα σε σωλήνα 58

Δεξαμενή γρήγορης ανάδευσης Μηχανική γρήγορη ανάδευση με σταθερό αναμίκτη μέσα σε σωλήνα 59

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) α) τύπου αγωγού: απαιτείται υψηλή ταχύτητα (1m/sec sec) και μεγάλη περίοδος ιζηματοποίησης. Εναπόθεση και συσσώρευση ενώσεων που απομακρύνονται δύσκολα. 60

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) β) Δεξαμενές μαιανδρικές οριζόντιου τύπου: οι μαίανδροι γίνονται ρυθμιζόμενοι ώστε η ταχύτητα ανάδευσης να μπορεί να μεταβληθεί. Μειονέκτημα ότι οι περισσότερες απώλειες παρουσιάζονται στις καμπύλες των 180 μοιρών. Η συνισταμένη της ταχύτητας δεν μεταβάλλεται κατά την λειτουργία και είναι απευθείας ανάλογη προς την παροχή εκφόρτισης. 61

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) γ) Δεξαμενές ανάμιξης μαιανδρικές κατακόρυφοί: μόνο η διεύθυνση ροής έχει ουσιώδη διαφορά. Η υδραυλική ανάμιξη γίνεται σε δεξαμενές με χωρίσματα. Η ροή είναι μεάνδρική και μπορεί να είναι γύρο από τα χωρίσματα. Συνήθως ο σχεδιασμός γίνεται για ταχύτητες στην περιοχή 0,1-0,7 0,7 m/s. 62

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) δ) Δεξαμενές μηχανικής ανάμιξης (θρόμβωσης) Η μελέτη των δεξαμενών που χρησιμοποιούν περιστρεφόμενα πτερύγια συνίσταται στην ταυτοποίηση των διαστάσεων αυτής, των διαστάσεων των πτερυγίων και της ταχύτητας αυτών, του υπολογισμού της καταναλισκόμενης ισχύος και του προσδιορισμού των μεγεθών G και Gt. Μετά τον υπολογισμό του G εξετάζονται κατά μέσω όρο οι ταχύτητες των πτερυγίων στις θέσεις εισροής και εκροής. 63

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) Τα παρακάτω στοιχεία είναι εξαιρετικά ενδιαφέροντα: Οι χρονικές διάρκειες είναι συνήθως 30-60 λεπτά Οι περιφερειακές ταχύτητες των πτερυγίων μεταβάλλονται συνήθως στην πράξη από 0,2 μέχρι 0,8 m/s. Η ταχύτητα περιστροφής των κουπιών είναι 2-5 rpm. 64

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) Συνήθως η ταχύτητα του νερού θα είναι περίπου το 1/4 της ταχύτητας του πτερυγίου. Το διαφορικό της ταχύτητας θα είναι 0,75. Το ολικό εμβαδόν των πτερυγίων δεν πρέπει να ξεπερνά το 15 έως 20 % του εμβαδού της εγκάρσιας διατομής της δεξαμενής, διότι αλλιώς θα προκύψει κύλιση του νερού χωρίς την αναγκαία ταχύτητα. 65

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) Η αργή ανάδευση επιτυγχάνεται είτε με την προσφορά ισχύος από έναν κινητήρα (μηχανική ανάδευση) είτε με βαρύτητα (υδραυλική ανάδευση). Η μηχανική αργή ανάδευση επιτυγχάνεται με έλικες ή με φτερωτές που περιστρέφονται γύρο από οριζόντιο άξονα. Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής κυμαίνεται στην περιοχή των 30 min και για κλίση ταχύτητας μικρότερη από 200 s-1 (συνήθως 50-100 s-1). 66

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) Η δεξαμενή συσσωμάτωσης χωρίζεται σε περισσότερα από ένα διαμερίσματα και το σύστημα κουπιών κάθε διαμερίσματος είναι συνδεδεμένο με κοινό σύστημα μετάδοσης της κίνησης. Επίσης υπάρχουν ανοίγματα στο χώρισμα επικοινωνίας μεταξύ του τελευταίου διαμερίσματος της δεξαμενής συσσωμάτωσης και της δεξαμενής καθίζησης ώστε οι ταχύτητες ροής να είναι μικρές και να αποφεύγεται η διάσπαση των νιφάδων 67

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) Για τον υπολογισμό της κλίσης της ταχύτητας G για διατάξεις με περιστρεφόμενα κουπιά αντικαθιστούμε στον τύπο G = P μv = C D A p ρv 2Vμ 3 p P = D.v p Όπου P = η ισχύς που μεταφέρεται από τον κινητήρα (watt = N.m/s) D = οπισθέλκουσα δύναμη που επενεργεί στα κουπιά (Ν) Vp = η σχετική ταχύτητα των κουπιών ως προς το νερό (m/s) 68

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) D = C D A p v ρ 2 2 p C D = συντελεστής οπισθέλκουσας (αδιάστατος) Αp =επιφάνεια των κουπιών, m 2 ρ = πυκνότητα του νερού (kg/m 3 ) 69

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) H Ap είναι η συνολική επιφάνεια των κουπιών και η ταχύτητα vp είναι η σχετική ταχύτητα των κουπιών ως προς το νερό και είναι συνήθως το 75% της πραγματικής ταχύτητας των κουπιών (ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται το μέσο του πλάτους των κουπιών). Η ταχύτητα πρέπει να είναι μικρότερη από 1 m/s και θα πρέπει να προβλέπεται απόσταση των κουπιών από τα τοιχώματα της δεξαμενής ίση με 0,3 m. Με αυτό τον τρόπο αποφεύγονται τοπικά οι υψηλές τιμές κλίσης της ταχύτητας. 70

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) Αργή ανάδευση με διατάξεις που φέρουν κουπιά 71

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) Αργή ανάδευση με κουπιά προσαρμοσμένα σε κατακόρυφο άξονα 72

Δεξαμενή αργής ανάδευσης (συσσωμάτωσης ) Αργή ανάδευση με κουπιά προσαρμοσμένα σε οριζόντιο άξονα 73

Δεξαμενή κροκύδωσης - συσσωμάτωσης Πλήρης μονάδα κροκίδωσης - συσσωμάτωσης με πτερύγια 74

Δεξαμενή κροκύδωσης - συσσωμάτωσης 75

Δεξαμενή κροκύδωσης - συσσωμάτωσης 76

Δεξαμενή κροκύδωσης συσσωμάτωσης - καθίζησης 77

78