EPURAREA CHIMICA A APEI PRIN TRATARE CU REACTIVI CHIMICI

EPURAREA CHIMICA A APEI PRIN TRATARE CU REACTIVI CHIMICI

1.Teoria coagularii

Coagularea este rezultatul a doua procese independente si distincte: destabilizarea cu ajutorul reactivilor chimici si transportul particulelor destabilizate.

Procesul de destabilizare urmareste transformarea sistemelor coloidale stabile in sisteme instabile folosind agenti de coagulare care actioneaza printr-un mecanism complex avand la baza forte fizice, forte de adsorbtie sau forte chimice. Teoriile cunoscute acorda rolul principal unora dintre aceste forte.

Procesul de transport are rolul de a pune in contact particulele coloidale destabilizate favorizand ciocnirea lor pentru a se aglomera.

Agentii de coagulare sunt in general saruri ale unor metale polivalente (Fe³⁺, Al³⁺) care prin hidroliza formeaza precipitate mari voluminoase care adsorb ionii existenti in solutie incarcandu-se pozitiv sau negativ in functie de pH-ul solutiei. Aceste sarcini neutralizeaza sarcinile existente la suprafata particulelor coloidale, fac posibila contopirea lor cu formarea unor agregate cu dimensiuni mari care se vor depune gravitational.

Teoria fortelor chimice considera ca produsii formati prin hidroliza agentilor de coagulare se adsorb cu unul sau mai multe puncte pe suprafata particulelor coloidale, restul moleculei ramanand indreptat spre solutie. Se formeaza punti de legatura care impanzesc sistemul coloidal producand aglomerarea particulelor sub forma de flocule.

Etapele procesului de coagulare

Etapele elementare ale procesului de coagulare sunt:

Destabilizarea sistemului coloidal care cuprinde:

Formarea hidroxocomplecsilor mono si polinucleari, prin hidroliza coagulatului si polimerizarea produsilor de hidroliza;

Destabilizarea sistemului coloidal prin difuzia hidroxocomplecsilor la suprafata particulelor coloidale si interactiunea lor;

Procesul de transport.

Cercetarile au aratat ca viteza procesului de destabilizare este mult mai mare decat viteza procesului de transport. Rezulta ca procesul de transport constituie faza limitativa a coagularii si asupra lui trebuie actionat pentru a marii viteza procesului de coagulare. Procesul de transport este un proces fizic, determinat de factori fizici. Factorii fizici determina viteza coagularii, iar reactivii chimici influenteaza mai ales destabilizarea, concomitent cu eficacitatea procesului.

Reactivi de tratare a apelor

Substantele chimice folosite pentru destabilizarea sistemelor coloidale din apa se numesc reactivi de coagulare. Cei mai folositi reactivi de coagulare sunt sarurile de fier si de aluminiu. Aceste saruri hidrolizeaza in apa. Produsii de hidroliza se polimerizeaza rezultand produsi mono si polinucleari incarcati electric sau neutri.

Procesul de coagulare este influentat de o serie de factori dintre care cei mai importanti, sunt:

Concentratia ionilor de hidrogen (pH-ul apei);

Temperatura;

Continutul mineral al apei;

Conditiile tehnice ale coagularii care se refera la intensitatea

de omogenizare a reactivilor cu apa si la timpul de contact al apei cu reactivul de coagulare. Vom prezenta influenta acestor parametri pentru reactivii de coagulare folositi in practica.

Sarurile de aluminiu sunt Al₂(SO₄)₃ 18H₂O, alaun de aluminiu si sodiu, alaun de aluminiu si potasiu, clorura de aluminiu cristalizata.

Sarurile de aluminiu actioneaza prin produsii de hidroliza care constituie elementul activ al coagularii. Domeniul optim de pH pentru formarea compusilor de hidroliza variaza intre pH=4,5-7,5 pH-ul depinzand si de caracteristicile apei tratate.

Hidroxidul de aluminiu format prin hidroliza are un caracter amfoter. La pH mai mic decat 8,2 este incarcat electric pozitiv datorita capacitatii de a adsorbi ioni pozitivi de Al ³⁺. La pH mai mare de 8,2 trece intr-un complex anionic solubil - hidroxoaluminat - si actiunea coagulanta se micsoreaza si apoi se anuleaza.

La temperaturi sub 10sC se obtine un precipitat amorf bogat in apa, hidroliza se micsoreaza sensibil, procesul de coagulare inrautatindu-se considerabil.

Hidroliza sarurilor de aluminiu este favorizata de prezenta ionilor HCO₃.

Al₂(SO₄)₃+3Ca(HCO₃)₂↔ 3CaSO₄+2Al(OH)₃↓+6CO₂    (1)

Ca reactiv de alcalinizare a apei se foloseste apa de var, Ca(OH)₂ 2-5%.

Sarurile de fier.Se folosesc atat saruri feroase cat si saruri ferice. Dintre sarurile feroase se foloseste sulfatul feros, FeSO₄ 7H₂O.

Sulfatul feros reactioneaza cu bicarbonatii de calciu si magneziu formand in prima etapa bicarbonatul de fier (II) care se transforma lent in hidroxid feros. Pentru a accelera faza a doua a procesului in apa se introduce lapte de var:

FeSO₄ +Ca(HCO₃)₂ ↔ Fe(HCO₃)₂ + CaSO₄ (2)

Fe(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ ↔ Ca(HCO₃)₂ + Fe(OH)₂    (3)

Hidroliza sarurilor feroase este incompleta si datorita acestui fapt in apa este prezenta o mare cantitate de fier (II). Scaderea concentratiei in fierul rezidual se realizeaza prin oxidarea hidroxidului feros la hidroxid feric conform reactiei:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O ↔ 4Fe(OH)₃↓ (4)

Hidroxidul feric are solubilitatea minima de 4,8 10^-5mg/l comparativ cu hidroxidul feros 4,4mg/l si are o actiune coagulanta mult mai buna. Oxidarea se face cu oxigenul dizolvat in apa la pH 8,2-9 pentru a se evita formarea sulfatilor bazici.

Oxidarea sulfatului feros se poate face si cu clor sau substante clorigene cand apele sunt sarace in oxigen, conform reactiei:

6FeSO₄ + 3Cl₂ ↔ 2Fe₂(SO₄)₃ + 2FeCl₂ (5)

Sarurile ferice formate hidrolizeaza foarte usor. Clorul in exces contribuie la dezinfectarea si la ameliorarea proprietatilor organoleptice ale apei.

Dintre sarurile ferice se foloseste in special clorura ferica care hidrolizeaza conform reactiei:

FeCl₃ + 3H₂O ↔ Fe(OH)₃↓ + 3HCl (6)

Acidul clorhidric format reduce duritatea temporara a apei si creste duritatea permanenta sub forma de cloruri, pH-ul optim pentru actiunea coagulanta a clorurii ferice este 6. Clorura ferica isi exercita actiunea coagulanta si la pH mai mic decat sase. Clorura ferica contine 1-2% clorura feroasa ceea ce prezinta un avantaj in cazul utilizarii ei la tratarea apelor pentru alimentarea cazanului de abur. Clorura feroasa consuma oxigenul din apa si micsoreaza coroziunea peretilor cazanului.

Nu se recomanda folosirea clorurii ferice daca apele contin produsi de descompunere a plantelor deoarece se formeaza complecsi colorati solubili. La alegerea agentului de coagulare se va evita prezenta ionilor comuni, acestia influenteaza procesul de hidroliza al coagulantului. Pentru o apa bogata in cloruri se va folosi ca si coagulant un sulfat si invers.

S-au facut incercari de utilizare si a altor coagulanti ca: var si lapte de var; clorura de calciu; clorura de magneziu; bentonite care sunt silicati de aluminiu hidratati de tipul (MgNa)₂Al₂(SiO₃)₄ nH₂O ce au capacitatea de a umfla si de a-si mari volumul de sase ori formand retele anionice complexe.

Calitatea apei tratate este apreciata prin: turbiditatea reziduala, proprietatile organoleptice, continutul in materii organice etc.

Acceleratori de coagulare

Acceleratorii de coagulare sunt compusi chimici care favorizeaza formarea in apele tratate cu agent de coagulare a unor precipitate, care sedimenteaza gravitational cu viteza mare. Introducerea acceleratorilor in tehnica coagularii apelor se bazeaza pe observatia experimentala conform careia in ape cu turbiditate ridicata procesul de coagulare decurge mai usor. Apele cu turbiditate ridicata contin compusi ai siliciului cu structura macromoleculara care impanzesc apa si absorb particulele produsilor de hidroliza ai coagulantului incarcate cu particulele coloidale din apa. In acest mod se formeaza flocoane grele, rezistente din punct de vedere mecanic, usor decantabile si usor filtrabile.

Acceleratorii de coagulare se pot clasifica in:

acceleratori anorganici;

acceleratori organici naturali sau modificati;

acceleratori organici sintetici.

Cei mai importanti acceleratori anorganici sunt: silicea activa (acizi polisilicili sau acid silicic activat), argile bentonitice, fire de azbest (nerecomandat).

Acceleratorii organici naturali si modificati sunt: amidonul, dextrina, gelatina, compusi celulozoici, colagenul etc. Au structura asemanatoare polielectrolitilor si nu sunt toxici.

Acceleratorii organici sintetici (polielectroliti sau floculanti). Sunt substante eficiente pentru coagularea si flocularea particolelor coloidale cat si pentru conditionarea namolurilor. Se folosesc singuri sau in amestec cu coagulanti. Sunt compusi macromoleculari obtinuti prin polimerizare, poseda grupe ionizabile active. In functie de aceste grupe se impart in acceleratori cationici, anionici si neionici.

Polielectrolitii anionici contin grupari ionizate carboxilice sau sulfonice grefate pe un lant macromoleculari. Sunt adjuvanti tipici de coagulare, se adauga concomitent cu reactivul de coagulare, maresc dimensiunile flocoanelor. Actiunea lor este independenta de pH, turbiditatea, duritatea apei. Ca exemplu mentionam: copolimerii acrilat-acrilamida, acizi polivinili sau polistiren-sulfonici.

Polielectrolitii cationici sunt compusi macromoleculari care au grupari polare de tip amina, imina sau saruri cuaternare de amoniu. Au pe langa actiunea de adjuvanti si pe aceea de coagulanti adevarati, in cazul apelor incarcate cu colizi negativi. Cei mai folositi sunt polietilenaminele si clorhidratii de polivinilamoniu.

Polimerii neionici au greutate moleculara mare, nu disociaza, se obtin prin polimerizarea acrilamidei.

Mecanismul de actiune a polielectrolitilor ca adjuvanti de coagulare, depinde de caracterul ionic al grupelor active si de compozitia lor chimica. Pentru polielectrolitii cationici se admite un mecanism fizic de neutralizare a sarcinii electrice a colizilor cu ajutorul grupelor cuaternare de amoniu.

Polimerii anionici si neionici se adsorb probabil pe particule coloidale prin intermediul legaturilor de hidrogen intre o grupare activa a lantului macromolecular si o sarcina electronegativa a particulei coloidale, in continuare se fomeaza punti de legatura care conduc la impanzirea si destabilizarea sistemului coloidal.

Polielectrolitii sintetici folositi ca si adjuvanti de coagulare prezinta unele avantaje fata de cei naturali: doze mici 0,1-10mg/dm³ apa, sedimentare rapida, permit reducerea dozei de coagulant. Ca dezavantaj, se remarca toxicitatea mare.

2.Tehnologia coagularii

Realizarea practica a procesului de coagulare presupune urmatoarele faze:

prepararea solutiei de coagulant;

dozarea solutiei de coagulant;

coagularea propriu zisa.

REACTIVII DE COAGULARE se introduc in apa, fie sub forma de solutie, fie in stare solida.

Amestecarea se realizeaza prin procedee hidraulice sau mecanice. Procedeele hidraulice folosesc camere cu salt hidraulic, camere cu pereti perforati si altele.

Procedeele mecanice realizeaza amestecarea in camere cu agitatoare de diferite tipuri: palete, elice, turbina. S-a constatat ca introducerea coagulantului la nivelul paletelor agitatorului conduce la eficienta optima.

In afara de aceste sisteme, amestecarea se poate face in conducte prin ajutaje de diferite tipuri, se creeaza astfel o turbulenta intensa si un timp de contact scurt.

Camerele de reactie folosite sunt de mai multe tipuri: camere de reactie cu sicane orizontale (fig.1 anexa 3), cu sicane verticale (fig.2 anexa 4), camere de reactie cu palete (fig.3 anexa 5), camere de reactie turbionara (fig.4 anexa 6).

In camerele cu sicane orizontale sau verticale (fig. 1 si fig. 2) viteza apei este de 0,2-0,4 m/s incat timpul de sedere a apei in camera este de 15-30 minute. Apa intra prin conducta (1), circula in sensul indicat de sageti si se evacueaza prin conducta (2). Conducta (3) permite golirea camerei de reactie.

Intensitatea de amestecare este determinata de numarul de sicane si de distanta dintre ele.

Camera de reactie cu palete (fig. 3) este compartimentata de asa maniera, incat pe masura ce floculele cresc viteza de rotatie a paletelor se micsoreaza. Apa trece succesiv prin compartimentele (1-4) prin peretii transversali (7) si este evacuata prin conducta (5) spre decantor. Paletele (6) sunt actionate de un motor.

Camera de reactie turbionara (fig.1) consta intr-un con cu varful in jos, prelungit la partea superioara cu un cilindru unghiul de varf optim este de 25-45s.

Apa se introduce prin conducta (1) cu viteza de 1m/s si ajunge la partea superioara cu viteza de 0,005-0,001m/s, stationand in aparat 6-8 minute. Apa deverseaza in bazinul decantor (2), si iese prin conducta (3) instalatia este simpla, rezistenta si ocupa volum mic. In toate cazurile s-a notat cu "a" locul de introducere a reactivului de coagulare.