FLOCCULAZIONE COAGULAZIONE Flocculazione: aggregazione o crescita in sospensione colloidale stabilizzata. Può coincidere con la destabilizzazione o coagulazione (chimica del processo), mentre la f. è la fase di trasporto risultante dalla collisione fra le particelle con formazione di fiocchi pesanti. Natura particelle: - IDROFOBE - IDROFILE Carica superficiale: é un fattore di stabilità dei colloidi, dipendeti dalla composizione chimica del mezzo (refluo) e dal colloide. Solo neutralizzando la carica è possibile la formazione di fiocchi di dimensioni e peso specifico superiore e neutralizzabili. Lo sviluppo della carica superficiale si ha per assorbimento superficiale, ionizzazione. Quando il colloide è carico, alcuni ioni di carica opposta si legano alla superficie, legati tramite forze di Wan der Waals. Esiste uno strato di ioni diffusi che non riesce a formare unostarto doppio compatto a causa dell agitazione termica. Bulk solution Doppio strato: strato compatto (Stern) in cui il potenziale passa da ψ 0 a ψ S aderehnte alla superfice delle particelle Strato diffuso: da ψ S a zero nella bulk solution (dove c è insaturazione); Si distinguono in funzione dell insaturazione tre tipi di potenziale: 1. Di Stern al mite dello strato fisso 2. Potenziale zeta: potenziale alla superficie della nuvola, al limite dello starto diffuso. Nerst al bulk solution 1
COAGULAZIONE Per far avvenire l aggregazione delle particelle è necessario abbassare il potenziale Z, ossia ridurre le cariche o superare l effetto di tali cariche. I modi possibili sono: aggiunta di ioni determinanti il potenziale, i quali vengono assorbiti e reagiscono con la superficie del colloide; oppure aggiunta di elettroliti che riducono lo spessore dello strato diffuso e quindi riducono Z; aggiunta di molecole (polimeriche) organiche a lunga catena che causano la rimozione attraverso l adsorbimento e il concatenamento. aggiunta di sostanze chimiche che formano ioni di metallo idrolizzato. Punto di elettroneutralità o isoelettrico: Punto in cui i colloidi coagulano, perchè le forze di repulsione sono inferiori a quelle di Van Der Waals e Z P = ± 5 mv. Corrisponde al massimo rendimento della coagulazione Polielettroliti: 1. Naturali: Polimeri di origine biologica e derivati da prodotti quali amido e cellulosa. 2. Sintetici: semplici monomeri che sono polimerizzati a seconda della funzione (anionici (-), cationici (+), noionici (0)) FLOCCULAZIONE a. PERICINETICA (aggregazione da moto termico significativo per sistemi da 1 a 2 µm) b. ORTOCINETICA prodotta da gradienti di velocità nel fluido ed agente sui microfiocchi ottenuti nella fase a). È fondamentale nel trattametno dei rreflui per il dimensionamento. Flocculazione a flusso orizzontale- Meccanica Eq.ne di Von Smoluchowski Dove: dn/dt = rapporto di collisione fra la particella 1 e la 2 G= gradiente di velocità uniforme; n 1, n 2 = densità particelle d 1, d 2 = dimensioni particelle P [Kamp e Stein] G = µv G= 20-74 s -1 1 2 dn G n 1 n 2( d 1 d 2) dt = 6 + 1 P= potenza richiesta = C Aρv 2 D V= volume fluido µ = densità dinamica del fluido 2
Dalla risoluzione numerica dell equazione, si arriva a 2 importanti conclusioni: 1. Esiste un tempo minimo nel quale non c è flocculazione, qualunque sia il valore di G; 2. Ridurre in più compartimenti il bacino significa ridurre anche i tempi di ritenzione necessaria allo stesso grado di trattamento Schematizzazione del processo di coagulazione aggiungere alcalinità al liquame; (l aggiunta di bicarbonato fornisce alcalinità senza innalzare il ph della soluzione); aggiunta di Sali di Al o Fe che rivestono i colloidi con cationi (Al + o Fe + ) e microfiocchi a carica positiva; aggiungere catalizzanti per la coagulazione (silicio attivo e/o polielettroliti) che promuovono la formazione del fiocco e aiutano a controllare il potenziale zeta. miscelazione rapida di 1- minuti, seguita da una fase di coagulazione (20-0 minuti).
Proprietà dei coagulanti Solfato di alluminio o allume (Al 2 (SO 4 ) 18H 2 O) reperibile in forma solida o liquida. In presenza di alcalinità si ha la formazione di alluminio idrato. Idrossido di alluminio (Al 2 O xh 2 O) che ha la caratteristica di essere anfotero, ossia di comportarsi indifferentemente come acido o base. Il fiocco di allume raggiunge il punto di minima solubilità ad un ph prossimo a 7. La maggior parte dei colloidi in liquami ha carica negativa, per cui il potenziale zeta è diminuito dall aggiunta di cationi a valenza elevata in particolare ioni metallici trivalenti. Anche i Sali ferrici sono comunemente utilizzati come coagulanti, ma hanno lo svantaggio di essere più difficili da manipolare. L effetto coagulante può essere ottenuto anche con calce con dosaggi tali da portare il ph a valori molto alti (11-11.5) e far precipitare carbonati di Ca, idrati di Mg, sottoforma di fiocchi dotati di carica positiva ad elevata capacità di adsorbimento. Potenziale Z per una soluzione di idrossido di alluminio A causa della complessità di reazioni che danno origine ai processi di coagulazione, è necessario effettuare sperimentazioni per verificare ph e dosaggio ottimale di coagulante a seconda del liquame 1. Prova in cilindro graduato (si varia il ph e dosaggio coagulante) - Prova di dosaggio di coagulante a piccole dosi fino a formazione del fiocco, a ph 6. - Con il dosaggio determinato nella fase precedente, eseguire 6 prove a diverso ph (da 4 a 9) e misurare la concentrazione dell effluente dopo la deposizione dei fiocchi; - si determina ph ottimale - si ripete il tutto a ph ottimale, facendo variare il dosaggio. - se si usa un polielettrolita ripetere la prova aggiungendolo dosi variabili al termine della miscelazione. 2. Metodo del controllo del potenziale zeta - aggiungere al campione il coagulante in incrementi noti a ph ottimale; - determinare il potenziale Z dopo ogni aggiunta 4
Tipologie di processo - sistema convenzionale: vasca di miscelazione rapida + vasca di flocculazione con miscelazione lenta + sedimentatore - unità a coltre di fango: combina in una sola vasca miscelazione, flocculazione e sedimentazione (la destabilizzazione dei colloidi può risultare meno efficiente del processo convenzionale). Applicazioni Il processo di coagulazione può essere utilizzato per la chiarificazione: di liquami industriali contenenti materiali colloidali e solidi sospesi di liquami contenenti oli emulsionanti rimozione di metalli che precipitano come idrossidi mediante aggiunta di calce sino al raggiungimento del ph di minima solubilità. DIMENSIONAMENTO La massima efficacia coagulante si ha quando i reagenti vengono immediatamente a contatto con le particelle colloidali Miscelazione rapida e tempi di detenzione tra i 15-60 s Per tempi maggiori si ha sempre coagulazione ma con maggiori consumi e spreco di reagenti. In funzione dei tempi di contatto viene fornita la potenza specifca da adottare nella vasca di miscelazione (vedi ex). 2 Per il dimensionamento dei miscelatori meccanici: P = µ G V Dove µ = viscosità dinamica del fluido (acqua) in Ns/m 2, V= volume vasca [m ] P = potenza immessa [W] P K N D G = gradiente di velocità [1/s] 5 ass = ρ [potenza assorbita all asse del miscelatore] Dove ρ = densità del fluido (acqua) in kg/m, K= coefficiente di forma miscelatore D=diametro miscelatore [m] N = velocità di rotazione miscelatore [giri/s] Nel trattamento con sola calce i tempi di detenzione sono dell ordine dei 5-10 minuti e G ha valori 10-400 1/s. 5
Nella fase di flocculazione si adottano tempi di detenzione dell ordine di 0 minuti e potenze specifiche più basse (1-2 W/m ). Se la miscelazione è meccanica per evitare danni al fiocco la velocità periferica massima non deve superare 0.7-0.8 m/s. Adottando diversi stadi di flocculazione, si determinano diversi valori di G, decrescenti. Nota la potenza P necessaria alla vasca si determina la usperficie delle pale dell agitatore in m 2 : 2P A = C ρv d r Dove C d = coefficiente di resistenza delle pale ρ= denistà dell acqua V r = velocità relativa dell acqua [0.5-0.7 volte velocità reale pale] 6