of 42 /42
2. DECANTAREA STATICĂ 2.1. Consideraţii generale Decantarea statică este o metodă de separare prin sedimentare a particulelor solide dintr-un fluid sub acţiunea forţei gravitaţionale, de aici şi denumirea de separare gravitaţională. Utilizarea acestei metode este posibilă în cazul în care particulele solide sunt mai grele decât lichidul suspensiei. Particulele solide cad sub acţiunea greutăţii proprii la fundul rezervorului numit cuvă de decantare, formând un amestec: solid – lichid mai mult sau mai puţin concentrat sub formă de sediment denumit uneori nămol. Utilajul pentru separare gravitaţională se numeşte decantor. Un decantor se compune de regulă dintr-o cuvă care se alimentează cu suspensia de separat, un dispozitiv pentru extragerea şi eliminarea nămolului (sedimentului) format din materialele solide depuse prin sedimentare la fundul cuvei şi un dispozitiv pentru recuperarea lichidului limpezit (curăţit) care de regulă, depăşeşte cuva şi se scurge peste nivelul acesteia. Metoda sedimentării statice este aplicabilă atât pentru separarea lichid-solid, cât şi la separarea sistemelor gaz-solid a suspensiilor cu debite mari. Se poate aplica astfel la epurarea apelor uzate (menajere şi industriale), la tratarea apei potabile, precum şi la separarea particulelor solide şi lichide din gaze. Pentru a se asigura un proces de sedimentare care să conducă la limpezirea şi epurarea completă, un decantor trebuie să îndeplinească cel puţin două condiţii de ordin constructiv: volum şi suprafaţă de sedimentare minimale suficiente. Aceste două condiţii asigură pe lângă desfăşurarea

2. DECANTAREA STATICĂ - sim.utcluj.ro · 2. DECANTAREA STATICĂ 2.1. Consideraţii generale Decantarea statică este o metodă de separare prin sedimentare a particulelor solide

Embed Size (px)

Text of 2. DECANTAREA STATICĂ - sim.utcluj.ro · 2. DECANTAREA STATICĂ 2.1. Consideraţii generale...

  • 2. DECANTAREA STATIC 2.1. Consideraii generale Decantarea static este o metod de separare prin sedimentare a

    particulelor solide dintr-un fluid sub aciunea forei gravitaionale, de aici i denumirea de separare gravitaional. Utilizarea acestei metode este posibil n cazul n care particulele solide sunt mai grele dect lichidul suspensiei.

    Particulele solide cad sub aciunea greutii proprii la fundul rezervorului numit cuv de decantare, formnd un amestec: solid lichid mai mult sau mai puin concentrat sub form de sediment denumit uneori nmol.

    Utilajul pentru separare gravitaional se numete decantor. Un decantor se compune de regul dintr-o cuv care se alimenteaz cu suspensia de separat, un dispozitiv pentru extragerea i eliminarea nmolului (sedimentului) format din materialele solide depuse prin sedimentare la fundul cuvei i un dispozitiv pentru recuperarea lichidului limpezit (curit) care de regul, depete cuva i se scurge peste nivelul acesteia.

    Metoda sedimentrii statice este aplicabil att pentru separarea lichid-solid, ct i la separarea sistemelor gaz-solid a suspensiilor cu debite mari. Se poate aplica astfel la epurarea apelor uzate (menajere i industriale), la tratarea apei potabile, precum i la separarea particulelor solide i lichide din gaze.

    Pentru a se asigura un proces de sedimentare care s conduc la limpezirea i epurarea complet, un decantor trebuie s ndeplineasc cel puin dou condiii de ordin constructiv: volum i suprafa de sedimentare minimale suficiente. Aceste dou condiii asigur pe lng desfurarea

  • Decantarea static 27

    procesului de decantare i timpul de ateptare (timpul de staionare) necesar procesului de coagularefloculare i formarea stratului gros de sediment numit nmol.

    Printre parametrii care influeneaz comportarea particulelor n suspensie n procesul sedimentrii sunt:

    densitatea particulelor solide; mrimea i forma particulelor solide; densitatea i vscozitatea fluidului.

    Comportarea particulelor solide la sedimentare mai este puternic influenat de concentraia suspensiei i de tendina mai mult sau mai puin accentuat a particulelor de a se influena unele pe altele n cursul sedimentrii.

    Procesul de sedimentare static poate fi abordat lund n considerare patru regimuri de sedimentare:

    a) decantarea particulelor izolate; b) decantarea particulelor floculate (coagulate); c) sedimentarea (decantarea) global; d) sedimentarea prin comprimarea nmolului.

    Fenomenul care are loc difer mult de la un regim la altul. De aceea studierea lor separat reprezint o simplificare a tratrii procesului de decantare static.

    2.2. Decantarea particulelor izolate Are loc n cazul suspensiilor diluate n care particulele sunt

    distanate i nu se influeneaz unele pe altele. Dac o particul sferic izolat (d=3100 m) se sedimenteaz ntr-un lichid i curgerea n jurul particulei este laminar, aceasta cade cu o vitez constant dat de relaia lui Stokes.

    Asupra unei particule izolate de form sferic aflat ntr-un fluid, acioneaz fora gravitaional(greutatea particulei) G, fora arhimedic FA

    27

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 28

    i fora de rezisten vscoas FV (fig. 2.1). Fora gravitaional tinde s depun particula pe fundul cuvei. Celelalte dou fore mpiedic sedimentarea particulei. La echilibrul acestui sistem de fore, se poate evalua viteza de sedimentare a particulei.

    FV FA FV

    d

    G

    Fig. 2.1. Sistemul de fore care acioneaz asupra particulei din suspensie Astfel se poate scrie = 0Fi , adic: GFAFV=0. Greutatea particulei se calculeaz cu formula:

    G=m g= s Vs g = g s 6d 3

    (2.1)

    unde: g este acceleraia gravitaional; s densitatea particulei solide; Vs volumul particulei; d diametrul particulei.

    Fora arhimedic este dat de greutatea volumului de fluid dezlocuit de ctre particul.

    FA=g l 6d 3

    (2.2)

    unde: l densitatea fluidului. Fora datorat rezistenei vscoase a fluidului este determinat de vscozitatea fluidului. Fora de rezisten se opune deplasrii, respectiv forei gravitaionale i sedimentrii pe fundul cuvei. Expresia forei de rezisten vscoas (Fv) rezult astfel:

    28

  • Decantarea static 29

    FV = 3dvp (2.3)

    unde: vp este viteza de cdere (sedimentare) a particulei; vscozitatea dinamic a fluidului.

    Se poate calcula astfel viteza de sedimentare nlocuind termenii n ecuaia de echilibru. Rezult relaia lui Stokes:

    gd18

    v 2sp

    = l (2.4)

    pentru calculul vitezei de sedimentare prin decantare static a particulelor solide de impuriti n condiiile curgerii laminare. Dac diametrul particulei este mai mare de aproximativ 2 mm, curgerea este turbulent i viteza de sedimentare este dat de relaia lui Newton:

    vp= gd133,3 s

    l

    (2.5)

    ntre cele dou regimuri de curgere laminar i turbulent, viteza de sedimentare a particulei este cuprins ntre valorile calculate prin cele dou relaii de mai sus.

    Viteza de deplasare prin decantare a particulelor din suspensie este influenat astfel:

    scade cu micorarea dimensiunii particulei (fig. 2.2). Particulele mari sedimenteaz cu vitez mare.

    crete cu diferena dintre densitatea materialului impuritii solide i a lichidului suspensiei.

    scade cu vscozitatea suspensiei.

    2.3. Calculul debitului fluidului

    Se consider o cuv de decantare de form paralelipipedic alimentat la partea superioar cu suspensie de lichid (F), la partea inferioar un dispozitiv de eliminare a sedimentului solid (nereprezentat) i

    29

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 30

    un jgheab deversor pentru lichidul limpezit (L). Se presupune c alimentarea, eliminarea nmolului (S) i deversarea lichidului limpezit sunt procese care se desfoar n mod continuu i uniform (fig. 2.3).

    Fig. 2.2. Schema sedimentrii n timp a particulelor de mrimi diferite

    Fig. 2.3. Reprezentarea schematic a cuvei de decantare

    30

  • Decantarea static 31

    Viteza unei particule din suspensia supus separrii, este rezultanta componentelor vitezei de cdere vg i a vitezei de curgere a lichidului vc, n direcia de deversare.

    Timpul mediu de staionare a particulei (t) n cuv se calculeaz prin raportul dintre volumul cuvei pline V i debitul lichidului Q.

    V = b h l (2.6)

    t=Q

    lhbQV = (2.7)

    Pentru a fi reinut (prin sedimentare) o particul trebuie s ating fundul cuvei nainte de a ntlni extremitatea din dreapta cuvei n direcia de curgere (poziia B). Se noteaz cu dlim (diametrul limit), respectiv diametrul echivalent al particulei care pornind din poziia superioar A, ntlnete fundul n extremitatea B, iar vlim viteza de sedimentare n aceste condiii. Toate particulele mai mari dect cele cu diametrul limit dlim vor fi reinute pe fundul cuvei. Timpul necesar pentru particulele cu diametrul limit necesar parcurgerii distanei de la A la B este:

    t=limvh (2.8)

    Egalnd cele dou relaii:

    Qlhb =

    limvh (2.9)

    Q

    lb = limv1 (2.10)

    Dac se noteaz: A=bl, aria suprafeei cuvei, rezult:

    Q = vlim A (2.11)

    31

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 32

    Q reprezint debitul maximal de alimentare al suspensiei care asigur condiiile ca toate particulele solide cu diametrul egal sau superior celui dlim s fie separate prin sedimentare.

    Concluzii:

    Debitul maximal al decantorului este proporional cu suprafaa decantorului.

    nlimea cuvei nu influeneaz debitul maximal.

    Concluziile rmn valabile i n cazul unor condiii reale de decantare static.

    Particulele de dimensiuni inferioare dimensiunii limit se vor sedimenta n urma tratamentului de coagulare floculare prin care se aglomereaz n agregate de dimensiuni sedimentabile prin decantare.

    2.4. Decantarea particulelor floculate

    2.4.1. Coagularea (flocularea) impuritilor din suspensii

    Prin decantare nu se pot elimina suspensiile foarte fine i cele

    coloidale (particule cu dimensiuni mai mici de 1m), orict de mare ar fi timpul de sedimentare, datorit echilibrului ntre sedimentare i difuziune, n care se afl aceste suspensii. Cnd cantitatea de particule foarte fine i coloidale existente n fluidul supus decantrii depete (1020) %, atunci este necesar tratamentul de coagulare - floculare a suspensiei, deoarece majoritatea particulelor au un diametru mai mic dect al porilor filtrelor ntr-o eventual operaie de filtrare.

    Procesul de coagulare const n creterea dimensiunilor particulelor fazei disperse prin alipirea sau prin contopirea lor. Existena sarcinilor electrice de acelai semn (fore electrostatice de respingere), influeneaz n mod deosebit stabilitatea sistemului coloidal, deoarece ele mpiedic aglomerarea particulelor fazei disperse.

    32

  • Decantarea static 33

    Stabilitatea sistemelor coloidale este asigurat de doi factori, unul electrostatic i unul steric, care mpiedic aglomerarea particulelor.

    Factorul electrostatic se bazeaz pe forele de repulsie electrostatic care apar ntre particulele ncrcate superficial cu sarcini de acelai semn. Existena sarcinilor superficiale determin stabilitatea acestor particule, deoarece forele de repulsie electrostatice sunt suficient de puternice pentru a mpiedica aglomerarea lor.

    n jurul particulelor coloidale ncrcate de obicei negativ se formeaz un strat dublu electric, format dintr-un strat compact i unul difuz de particule ncrcate pozitiv (fig. 2.4).

    Particul coloidal

    Ioni pozitivi

    Ioni negativi

    Fig. 2.4. Reprezentarea stratului dublu electric care se formeaz n jurul particulei coloidale

    ntre particula ncrcat electric i soluie apare o diferen de

    potenial. n figura 2.5, este reprezentat variaia potenialului electrostatic n vecintatea particulei coloidale.

    ntre particule acioneaz i fore de atracie van der Waals. Dac aceste fore de atracie sunt mai mici dect forele de respingere electrostatic, sistemul coloidal este stabil.

    Pe de alt parte, exist o serie de interaciuni ntre ap i particulele coloidale solide, care mpiedic, de asemenea aglomerarea.

    33

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 34

    Fig. 2.5. Variaia potenialului electrostatic cu distana in electrolit n vecintatea particulei coloidale

    Factorul steric se bazeaz pe adsorbia la suprafaa particulelor a

    unor substane polimerice sau a unora amfifile, care acioneaz ca o barier mecanic protectoare ce mpiedic coagularea i aglomerarea particulelor.

    Pentru ca aceste particule s poat fi separate prin sedimentare, flotaie sau filtrare, este necesar un tratament chimic care s anuleze interaciunile dintre particulele coloidale i ap i s iniieze aglomerarea i depunerea particulelor.

    Formarea agregatelor ncepe cu apropierea particulelor datorit reducerii forelor de respingere electrostatice, prin introducerea n mediul lichid a unor electrolii capabili s genereze ioni cu ncrcare electric opus ncrcrii particulelor coloidale (contraioni). Ionii formai sunt adsorbii la suprafaa particulelor coloidale neutraliznd sarcina electric a acestora. Un alt efect const n comprimarea stratului dublu electric difuz, conducnd la scderea razei de aciune a forelor electrostatice de respingere, astfel nct se ajunge s predomine forele de atracie van der Waals. Efectul electrolitului coagulant crete foarte mult cu creterea sarcinii ionilor.

    n consecin, coagularea este un proces fizicochimic complex de tratare a lichidelor (de exemplu tratarea apei potabile sau a apelor uzate), cu reactivi chimici electrolii sau ageni superficial activi), cu scopul eliminrii

    34

  • Decantarea static 35

    particulelor fine, coloidale sau cvasi coloidale, avnd loc totodat i eliminarea, ntr-o msur mai mic sau mai mare, a unor poluani prezeni i a microorganismelor. Coagularea poate fi considerat ea nsi o metod de epurare pentru limpezirea apelor uzate sau pentru tratarea apei potabile.

    Acest procedeu de tratare a apei se poate realiza cu ajutorul unor reactivi chimici. Oricare ar fi tehnologia aplicat, procesul de coagulare (floculare) reprezint una din cheile succesului tratrii i epurrii apelor.

    Coagularea poate fi considerat ca fiind rezultatul a dou procese distincte: destabilizarea sistemului coloidal al particulelor i transportul particulelor destabilizate.

    n procesul de destabilizare a dispersiei coloidale, sistemul coloidal stabil se transform in sisteme instabile, prin intermediul substanelor de coagulare.

    Procesul de transport aduce n contact particulele coloidale destabilizate, favoriznd aglomerarea lor.

    Reactivii de coagulare frecvent utilizai la coagularea suspensiilor din ap sunt din categoria srurilor de fier i de aluminiu, coninnd ioni cu sarcin mare, +3 sau +2, ca de exemplu:

    sulfatul de aluminiu: Al2(SO4)318H2O; hidroxidul de aluminiu: Al(OH)3; sulfatul feros: FeSO47H2O; sulfatul feric: Fe2(SO4)3nH2O; clorura feric: FeCl3.

    n unele cazuri se pot utiliza aluminatul de sodiu (NaAlO3), oxidul de calciu (varul) (CaO) sau hidroxidul de calciu (laptele de var) (Ca(OH)2).

    n ultimii 40 de ani au fost elaborai numeroi coagulani organici, precum i anorganici, dintre care menionm policlorura de aluminiu, iar la ora actual acetia fiind folosii pe scar larg. O mare parte dintre acetia pot determina apariia unor probleme de sntate, n cazul n care se folosesc pentru tratarea apei potabile, dac se depesc anumite concentraii. n unele ri utilizarea pentru tratarea apelor potabile a coagulanilor

    35

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 36

    polielectrolii cationici este categoric interzis. Utilizarea coagulanilor polielectrolii neionici sau anionici nu este restricionat total, dar concentraia lor admis n apa potabil este reglementat. Polielectroliii se utilizeaz ns fr probleme pentru tratarea apelor de canalizare, sau n industria minier.

    Pentru coagularea unor substane complexe existente n ap i pentru a se crea condiii favorabile coagulrii se mai utilizeaz oxidani ca permanganatul de potasiu (KMnO4), sau ozonul (O3).

    Coagularea este procesul n care ntre produii de hidroliz ai coagulanilor (sruri de aluminiu sau de fier) i particulele solide coloidale se formeaz legturi stabile, rupndu-se legturile dintre ap i faza solid dispers, crendu-se condiiile necesare coagulrii i floculrii ulterioare.

    Srurile de Al i Fe adugate au un dublu efect:

    1. ionii (Al3+, Fe2+) neutralizeaz sarcina electric a particulelor coloidale, uurnd coagularea lor;

    2. prin hidroliz formeaz ele nsele un gel care nglobeaz agregatele de particule coloidale, favoriznd depunerea.

    Lund n discuie cazul particular al sulfatului de aluminiu, acesta este format din ioni de aluminiu i ioni de sulfat (SO42):

    Al2(SO4)3 2Al3+ + 3SO42 (1)

    Ionii Al3+ sunt termodinamic instabili, de aceea n soluie apoas se vor gsi sub form hidratat, ca hexaaquocompleci, [Al(H2O)6]3+, care se formeaz imediat dup adugarea coagulantului (Al2(SO4)318H2O) n ap:

    Al2(SO4)3 + 12H2O 2[Al(H2O)6]3+ + 3SO42 (2) ion hexaacvo alumiu n urma reaciei cu apa, un proton din acvocomplex este cedat unei

    molecule de ap, cu formarea unui ion hidroniu (oxoniu) H3O+ avnd loc urmtorul lan de reacii:

    [Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(H2O)5OH]2+ + H3O+ (3) ion penta acvo nomohidroxi aluminiu

    [Al(H2O)5OH]2+ + H2O [Al(H2O)4(OH)2]+ + H3O+ (4) ion tetra acvo dihidroxi aluminiu

    36

  • Decantarea static 37

    [Al(H2O)4(OH)2]+ + H2O Al(OH)33H2O + H3O+ (5) hidroxid de aluminiu Ionii pozitivi de hidroniu formai n urma reaciilor 35, reacioneaz

    cu ionii negativi din mediu (ionii sulfat formai n urma reaciei 2):

    H3O+ + SO42 [HSO4] + H2O (6) ion sulfat acid

    Ionii de sulfat acid reacioneaz n continuare cu ionii hidroniu, cu formarea acidului sulfuric (H2SO4):

    [HSO4] + H3O+ H2SO4 + H2O (7)

    Acidul sulfuric fiind un acid tare, disociaz imediat cu formarea ionilor de hidroniu i a ionilor de sulfat acid i sulfat:

    H2SO4 + H2O [HSO4] + H3O+ (8)

    [HSO4] + H2O SO42 + H3O+ (9)

    Reaciile 25 sunt reacii de echilibru, iar echilibrul poate fi deplasat spre dreapta, doar dac acidul (H3O+) format este nlturat din sistem.

    Se stabilete astfel un echilibru dinamic ntre speciile ionice existente n soluie: [Al(H2O)6]3+, [Al(H2O)5OH]2+, [Al(H2O)4(OH)2]+, H3O+, HSO4, SO42. Acidul sulfuric prezent n sistem mpiedic deplasarea total a echilibrului de reacie spre dreapta, de aceea n apa distilat nu se formeaz hidroxid de aluminiu, esenial n procesul de coagulare i nici flocoane.

    Echilibrul dinamic stabilit nu se poate deplasa spre dreapta, dect dac se reuete ndeprtarea permanent a ionilor de hidroniu din vecintatea ionilor compleci de aluminiu. Aceasta se poate realiza doar n cazul n care ionii H3O+ vor forma legturi stabile n urma reaciei cu carbonaii acizi de calciu (CaHCO3) i magneziu (MgHCO3) prezeni n ap, cnd se formeaz acidul carbonic (H2CO3) i ap:

    HCO3 + H3O+ H2CO3 + H2O (10)

    Acidul carbonic format fiind un acid slab va fi puin disociat. Deoarece este instabil se descompune uor n dioxid de carbon (CO2) i ap:

    37

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 38

    H2CO3 H2O + CO2 (11)

    Dioxidul de carbon format se va degaja din ap, deplasnd echilibrul reaciilor 35 spre formarea hidroxidului de aluminiu puin solubil n ap.

    Dac apa nu conine cantiti suficiente de bicarbonai de calciu i magneziu, care au rolul de a asigura capacitatea de tamponare a sistemului, pHul apei va scdea din cauza formrii acidului sulfuric, iar procesul de hidroliz cu formarea hidroxidului de aluminiu va fi mpiedicat. De aceea n unele cazuri n ap se adaug compui bazici:

    var stins (hidroxid de calciu, Ca(OH)2); sod (carbonat de sodiu, Na2CO3); sod caustic (hidroxid de sodiu, NaOH),

    pentru neutralizarea acidului sulfuric format. Deci hidroliza ionilor de Al3+ n urma reaciilor 25 este insuficient

    pentru producerea flocoanelor de hidroxid de aluminiu (sau de fier n cazul utilizrii unui coagulant pe baz de Fe), dac valoarea pHului scade prea mult. Reaciile 35 au loc doar simultan cu reaciile 10 i 11.

    Reacii asemntoare au loc n cazul utilizrii unui coagulant care conine ioni Fe3+.

    n condiii de pH favorabil, ionii de aluminiu sau fier hidrolizeaz, conducnd la formarea produilor finali de reacie (ioni compleci de aluminiu, hidroxid de aluminiu, hidroxid de fier).

    Ionii compleci de aluminiu sau fier fiind ncrcai pozitiv interacioneaz cu particulele coloidale ncrcate negativ. Anulnd sarcinile negative, particulele coloidale nu se mai resping i se pot ulterior aglomera.

    Ionii compleci de aluminiu pot de asemenea suferi reacii de polimerizare n urm crora se formeaz ioni polimerici puin solubili: [Al2(OH)4]2+, [Al6(OH)15]3+, [Al8(OH)20]+4, ., [Al13(OH)34]+5. Aceti ioni polimerici pot la rndul lor s formeze legturi stabile cu particulele solide dispersate, modificndu-le sarcina electric i declannd procesul de aglomerare.

    38

  • Decantarea static 39

    Pentru nlturarea eficient a particulelor aflate n suspensie, e necesar s se formeze legturi stabile ntre ionii compleci solubili ai Al (Fe), hidroxidul de aluminiu puin solubil i particulele dispersate, ntr-un interval de timp de (1015) secunde de la introducerea coagulantului, altfel nu are loc procesul de coagulare, chiar dac n ap se formeaz flocoane de hidroxid de aluminiu. De aceea trebuie asigurate condiiile n care reacia de hidroliz are loc rapid, n timp ce formarea hidroxidului de aluminiu s aib loc mai lent. Acest deziderat se poate atinge printr-o amestecare energic (mecanic sau hidraulic), timp de 30 secunde ...1 minut, dup adugarea coagulantului. Amestecarea rapid iniiaz efectul de destabilizare a hidroxizilor de aluminiu sau fier asupra coloizilor din ap asigurnd:

    dispersia ct mai rapid a coagulantului n ap; un contact intim al tuturor particulelor coloidale cu coagulantul

    hidrolizat; condiiile necesare desfurrii rapide a reaciei de hidroliz; ndeprtarea rapid a ionilor sulfat din vecintatea ionilor

    compleci de aluminiu sau fier (III); accesul ionilor de bicarbonat n vecintatea ionilor compleci de

    aluminiu.

    De asemenea amestecarea rapid mpiedic aglomerarea prea rapid a flocoanelor de hidroxid de aluminiu (floculaia secundar).

    Pentru asigurarea unei amestecri rapide, este important dizolvarea coagulanilor i floculanilor nainte de introducerea n ap.

    Iniierea proceselor de coagulare are loc de obicei n camerele de amestecare.

    Amestecarea mecanic se poate realiza cu ajutorul agitatoarelor sau prin insuflare de aer comprimat.

    Faza a dou de floculare (creterea flocoanelor formate) se realizeaz n camerele de reacie, timp de (1040) de minute (n funcie de necesitile impuse de tratamentele aplicate ulterior i de temperatura apei), pentru asigurarea formrii particulelor aglomerate care pot fi separate prin metode de separare solidlichid grosiere sau fine. Procesul efectiv de floculare

    39

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 40

    necesit un regim lent de amestecare pentru a permite contactul dintre particulele gelatinoase de hidroxid de aluminiu i a flocoanelor mici ntre ele.

    Exist i reactoare (cuve) de separare care funcioneaz n flux continuu. n cazul acestora, timpul de amestecare rapid a coagulanilor trebuie s fie semnificativ mai scurt.

    De asemenea flocularea poate fi realizat ntr-o reea de conducte sau canale. Necesitatea existenei unei etape separate de floculare depinde de tipul tratamentului aplicat ulterior apei.

    Simplificat, n cazul utilizrii sulfatului de aluminiu pentru coagulare, fcnd abstracie de etapele intermediare ale reaciilor, se poate considera c acesta reacioneaz direct cu bicarbonaii de calciu i magneziu existeni n ap:

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

    Al2(SO4)3 + 3Mg(HCO3)2 2Al(OH)3 + 3MgSO4 + 6CO2

    n continuare sunt prezentate reaciile care au loc ntre diferii coagulani, bicarbonaii prezeni n ap i hidroxidul de calciu adugat pentru corectarea pHului, n prezena oxigenului sau a clorului.

    2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO2

    Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2

    FeSO47H2O + Ca(OH)2 Fe(OH)2 + CaSO4 + 7H2O

    4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3

    3FeSO47H2O + 3/2Cl2 Fe2(SO4)3 + FeCl3 + 21H2O

    Hidroxidul feric format are rol n procesul de coagulare - floculare. 2.4.2. Viteza procesului de coagulare Procesul de coagulare poate avea loc dac se neutralizeaz sarcinile

    superficiale ale particulelor, iar aceste particule se ciocnesc. Dac se presupune c forele de repulsie electrostatice sunt nule, ca rezultat al

    40

  • Decantarea static 41

    tratamentului cu coagulantul, viteza de coagulare depinde de micarea brownian. n conformitate cu teoria lui Smoluchowski, coagularea cea mai rapid va avea loc dac fiecare ciocnire dintre particulele coloidale conduce la aglomerarea particulelor. Timpul de njumtire (timpul n care numrul iniial de particule se reduce la jumtate) este redat de relaia:

    t1/2=00 nrD8

    1

    (2.12)

    unde: D este coeficientul de difuzie; ro raza iniial a particulei coloidale; no numrul iniial de particule din mediu.

    Constanta de difuzie D se poate calcula cu relaia:

    D=0r6

    Tk

    (2.13)

    unde: k este constanta lui Boltzmann 1,38x1023 [J/K]; T temperatura absolut [K];

    vscozitatea lichidului.

    nlocuind expresia constantei de difuzie n expresia timpului de njumtire se obine:

    t1/2=onTk4

    3

    (2.14)

    Timpul de njumtire care depinde de vscozitatea mediului, temperatur i de concentraia particulelor (numrul de particule coloidale) este cu att mai mic, cu ct concentraia particulelor este mai mare, deci viteza de coagulare va fi cu att mai mare cu ct concentraia iniial a sistemului coloidal este mai mare. n realitate, nu toate ciocnirile sunt eficiente, unele dintre ciocniri sunt elastice, nu duc la aderarea particulelor ntre ele.

    41

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 42

    Dac doar o fraciune dintre ciocnirile dintre particule conduce la aderarea particulelor, expresia timpului de njumtire devine:

    t1/2=oo nrD8

    1

    (2.15)

    n realitate procesul de coagulare este mai complex, fiind influenat i de ali factori dintre care amintim distana dintre particule, existena unei bariere energetice pentru ciocniri, etc.

    Particulele dintr-o suspensie se atrag reciproc, se aglutineaz, adic se spune c floculeaz. Flocularea poate fi natural sau accelerat prin mijloace artificiale. Mrimea agregatului (numite flocoane) crescnd, viteza de sedimentare crete progresiv.

    Viteza de cretere a floculilor, numit i vitez de floculare este deci un factor important pentru dimensiunea cuvei de decantare. Viteza de floculare influeneaz procesul de sedimentare pe ansamblul su.

    R.H.Van Note i R.A. Fiedler au demonstrat c viteza de floculare variaz cu ptratul concentraiei prii solide a suspensiei. Altfel spus, viteza de descretere a concentraiei materiei solide nefloculate este proporional cu ptratul acestei concentraii (este un proces cinetic de ordinul 2 n raport cu concentraia).

    Astfel se poate scrie relaia:

    2CKdtdC

    = (2.16)

    Prin integrare se obine:

    tKC1

    C1

    o

    = (2.17)

    unde: K este constanta de floculare; t timpul de ateptare pentru floculare; C concentraia solidului la timpul t; Co concentraia solidului la timpul t=0.

    42

  • Decantarea static 43

    Constanta K poate fi determinat experimental. Cunoscnd valoarea C i Co se poate calcula timpul teoretic t

    necesar floculrii pentru atingerea concentraiei C a solidului. Dar un decantor nu are o eficacitate egal cu 1 cnd funcioneaz continuu. Eficacitatea variaz n general ntre (3070) %. Trebuie deci multiplicat volumul teoretic calculat al cuvei cu un coeficient de eficacitate.

    Pentru un debit dat, aceast metod nu permite dect determinarea volumului decantorului fr a permite calcularea suprafeei i nlimii acestuia. Determinarea suprafeei decantorului pentru regimul de funcionare ca decantor limpezitor cu tratament de coagulare, se poate face printr-o metod pur empiric, dar care d rezultate corecte.

    Calculul suprafeei necesare a decantorului se face n modul urmtor. Cea mai mare parte a particulelor sedimenteaz la o anumit vitez, denumit n general vitez de sedimentare global. Aceast vitez poate fi determinat experimental (de exemplu n eprubet). Viteza medie de alimentare a lichidului n cuv trebuie s fie cel mult egal cu viteza de sedimentare global. Cunoscnd viteza i debitul de alimentare, se calculeaz suprafaa cuvei. Avnd volumul i suprafaa se poate calcula nlimea cuvei. 2.4.3. Factorii procesului de coagulare floculare

    Factorii care influeneaz procesele de coagulare sunt:

    natura coagulantului; cantitatea coagulantului; pHul apei; alcalinitatea apei; temperatura apei; compoziia chimic a apei; concentraia i natura fazei solide n suspensie;

    43

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 44

    volumul flocoanelor formate; potenialul electrocinetic Zeta (PZ).

    Natura coagulantului. Alegerea coagulantului se face n funcie de tipul coloizilor prezeni n ap, astfel nct:

    coagulantul s aib o vitez i o capacitate ct mai mare de coagulare;

    s se formeze flocule mari, consistente cu densitate mare.

    De asemenea coagulantul se alege n funcie de pHul apei tratate, deoarece fiecare coagulant are un domeniu optim de pH de hidroliz i de coagulare.

    Cantitatea coagulantului. Stabilirea cantitii de coagulant necesar se face prin ncercri de laborator. n general, dozele de coagulant cresc odat cu coninutul de substane coloidale i de materii organice din apa brut.

    pHul. Aa cum s-a artat anterior, pHul este un factor decisiv n procesul de coagulare. n cazul utilizrii sulfatului de aluminiu la pH acid nu are loc formarea hidroxidului de aluminiu, deci nici procesul de coagulare. Dac acelai sulfat de aluminiu se utilizeaz la pH bazic, n ap se pot forma produi solubili, care de asemenea nu vor declana procesele de coagulare. De asemenea, creterea pHului poate influena forma n care particulele coloidale se gsesc n ap. Astfel, acizii humici insolubili sunt transformai n humai solubili care nu coaguleaz.

    Pentru corectarea pHului n ap se adaug ageni de alcalinizare (sod Na2CO3, sod caustic NaOH, lapte de var Ca(OH)2, doza de reactiv stabilindu-se pe baza relaiei:

    A=(0,05aDt+2)r (2.18)

    unde: A este doza de reactivi de alcalinizare, [mg/l]; a doza de sulfat de aluminiu pur, [mg/l]; Dt duritatea temporar;

    44

  • Decantarea static 45

    r doza de reactiv de alcalinizare, corespunztoare mririi alcalinitii apei cu 1 grad (pentru lapte de var r = 10 mg/l; pentru sod r = 18,3 mg/l; pentru sod caustic, r = 14,3 mg/l).

    n tabelul 2.1 sunt prezentate domeniile de pH n care pot fi utilizai anumii coagulani.

    Tabelul. 2.1. Domeniile optime de pH pentru unii coagulani

    Coagulantul pH sulfatul de aluminiu Al2(SO4)318H2O 4,07,0

    sulfatul feros FeSO47H2O >8,5 clorura feric FeCl3 3,56,5

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 46

    Duritatea temporar a apei Dt (determinat de concentraia bicarbonailor de Ca i Mg), influeneaz capacitatea de tamponare a apei, care determin limitarea scderii pHului, cnd echilibrul reaciilor de hidroliz este deplasat spre formarea hidroxizilor insolubili. n cazul apelor cu o duritate temporar prea mic, pentru corectarea pHului se adaug, aa cum s-a menionat anterior, carbonat de sodiu, lapte de var, etc.

    Concentraia fazei disperse. n ceea ce privete concentraia fazei disperse, literatura de specialitate prezint dou situaii:

    a) o dependena liniar a concentraiei de coagulant faa de concentraia fazei disperse situaie n care exist o relaie stoechiometric ntre doza de coagulant i cantitatea de particule coloidale;

    b) cantitatea de coagulant necesar nu depinde de concentraia de particule coloidale aflate n suspensie (comportare nestoechiometric).

    Tabelul 2.2. Dozele de coagulant (sulfat de aluminiu) necesare la

    temperaturi sczute n comparaie cu dozele necesare la (1822)C, n funcie de turbiditatea apei

    Cantitatea de Al2SO4[mg/l]

    Turbiditatea

    apei brute [SiO2]

    Temperatura

    de comparaie [C]

    La temperatura

    respectiv

    La 1822 [C]

    Creterea dozei de reactiv la

    temperatur redus [%]

    1500 1,0 90 6570 3040 212 1,0 50 2025 100150 184 1,0 30 1520 50100 102 1,0 25 1015 65150 184 1,0 30 1520 50100 250 1,5 100 90 10 280 2,0 60 25 140 380 2,5 70 30 130

    1500 3 80 6570 1520 212 3,0 40 2025 65100

    1000 3,0 60 50 20 292 3,0 50 25 100

    46

  • Decantarea static 47

    Potenialul electrocinetic Zeta Diferena de potenial dintre particula aflat n micare i soluie

    poart de numirea de potenial Zeta sau potenial electrocinetic. Valoarea potenialului Zeta este o msur a stabilitii sistemului

    coloidal. n practic se utilizeaz acceleratori de floculare, n cazul n care fr

    acetia procesul nu are loc n condiii satisfctoare. Aditivii sunt n general substane solubile n ap, cu mas molecular mare, care n condiiile respective formeaz legturi cu particulele aflate n suspensie.

    Aditivii de coagulare se pot clasifica n funcie de natura, originea [naturali (bentonita) sau sintetici (polimeri)], semnul ncrcturii electrice, starea de agregare (solizi sub form de pulbere, soluii concentrate) i rolul pe care l au n tratarea apelor (coagulani, adjuvani de coagulare).

    n funcie de natura substanelor, aditivii se pot clasifica n:

    aditivi anorganici:

    - silicea activat, obinut prin neutralizarea parial a silicatului de sodiu cu un acid, de obicei acid sulfuric sau acid clorhidric. Considernd situaia n care silicatul de sodiu (Na2SiO3) este tratat cu un acid notat cu HA, are loc reacia:

    Na2SiO3 + HA 2NaA + H2SiO3

    silicat acid sarea de Na acid de sodiu a acidului metasilicic

    Acidul metasilicic format polimerizeaz formnd macromolecule liniare sau ramificate de acizi polisilicici cunoscui n literatura de specialitate sub denumirea de silice activat. Ca ageni de activare, n locul acidului sulfuric sau clorhidric se mai pot utiliza: acidul fosforic (H3PO4), acidul carbonic (H2CO3), acidul sulfuros (H2SO3), etc. Silicea activat este folosit pentru ape cu temperaturi sczute i pH variabil n timp. Silicea activat se introduce n ap dup sulfatul de aluminiu, dup ce primele flocoane au nceput s se formeze. Rolul silicei

    47

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 48

    activate apare n cazul n care flocoanele care adun impuritile rmn ncrcate superficial cu sarcini electrice pozitive, aprnd ntre ele fore electrostatice de respingere, care mpiedic formarea unor flocoane mari sedimentabile;

    - silicatul de sodiu; - bentonita; - anumite argile; - praful de crbune activ; - carbonatul de calciu. aditivi organici naturali care provoac o sedimentare rapid.

    Dintre aditivii organici naturali menionm o serie de polizaharide ca: amidonul, gelatina, dextranul, compui celulozici, guma arabic, agaragarul;

    aditivi organici sintetici polielectrolii. n funcie de semnul sarcinii electrice acetia pot fi:

    - polielectrolii anionici, compui macromoleculari cu grupri funcionale carboxilice sau sulfonice, de exemplu copolimeri acrilatacrilamid; poliacrilamide; ionizate sub aciunea unor baze; acizi polivinil sulfonici. Polielectroliii anionici sunt activi n medii bazice;

    - polielectrolii cationici, compui macromoleculari care au n molecul un ion cuaternar de amoniu, de exemplu polietilenamidele, clorhidraii de polivinil amoniu. Polielectroliii cationici sunt activi n medii acide;

    - polielectrolii neutri, compui macromoleculari cu masa molecular de ordinul milioanelor, obinui prin polimerizarea radicalic a acrilamidei. Polielectroliii neutri sunt activi indiferent de pHul soluiei.

    Aciunea polielectroliilor este complex, fiind dependent de structura i proprietile electrice ale acestora. n principiu acetia absorb particulele aflate n suspensie, participnd activ la formarea agregatelor.

    48

  • Decantarea static 49

    Remarcabil n cazul utilizrii polielectroliilor este concentraia extrem de mic (0,10,15 mg/l) necesar pentru coagulare, n cazul unora dintre acetia. Polielectroliii pot fi utilizai att pentru nlocuirea reactivilor de coagulare pe baz de sruri anorganice de Al sau Fe, ct i pentru accelerarea procesului de coagulare.

    Coagulanii se pot aduga sub form uscat sau sub form de soluii preparate anterior. Se prefer soluiile deoarece utilizarea acestora asigur condiiile necesare reaciilor de hidroliz n intervalul de timp impus (de maxim un minut de la adugare).

    Exist i procedee de coagulare electrolitice (coagulare eletrochimic sau electrocoagulare). n cazul acestora, coagulanii sunt produi prin electroliz direct n mediul apos prin dizolvarea anodic electrochimic a unor electrozi de Al sau Fe:

    Al Al e3 3+

    Fe Fe e2 2+

    Pentru producerea coagulrii electrochimice apa trece printr-un electrolizor conectat la o surs de curent continuu, utilizndu-se anozi de Fe sau Al.

    Ionul de Fe2+ poate suferi un proces de oxidare n prezena oxigenului sau a clorului din mediu, cu formarea ionilor Fe3+:

    Fe2+ e1 Fe3+

    Ionii Fe3+ vor fi hidrolizai cu formarea hidroxidului de fier Fe(OH)3. n cazul n care pHul apei este mai mic de 7,5 oxidarea fierului bivalent la fier trivalent este foarte lent, de aceea se recomand clorinarea apei, intoducndu-se 0,64 mg clor pentru fiecare miligram de fier care se va forma n urma electrolizei.

    Aa cum se remarc, n urma oxidrii anodice a electrozilor de Al se formeaz direct ioni Al3+, care vor hidroliza cu formarea hidroxidului de aluminiu Al(OH)3.

    49

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 50

    Cantitatea de metal dizolvat se poate calcula cu ajutorul legii lu Faraday:

    FntIMm

    = , [g] (2.20)

    unde: m este masa metalului dizolvat; M masa atomic a metalului; I intensitatea curentului [A]; t timpul electrolizei [s]; n valena; F constanta lui Faraday F=96.500.

    Dizolvarea n ap a 1 g de Al este echivalent cu introducerea n ap a 6,35 g de sulfat de aluminiu pur, anhidru, n timp ce dizolvarea a 1 g de Fe este echivalent cu introducerea n ap a 2,93 g de clorur feric.

    Procedeul se poate aplica n dou moduri, cu tratarea ntregii cantiti de ap sau cu tratarea unei pri din ap. n general este recomandat ca electroliza s se desfoare la o intensitate a curentului slab (34) A.

    Acest procedeu are urmtoarele avantaje:

    nu modific mineralizarea apei; nu modific pHul apei; poate fi aplicat indiferent de pH. Eficiena procesului de electrocoagulare depinde de: temperatur,

    pH, coninutul iniial de suspensii, intensitatea curentului, etc. 2.5. Determinarea vitezei de sedimentare

    Dac ntr-un cilindru gradat se toarn o suspensie de concentraie

    suficient, dar nu prea ridicat, se vor putea observa fenomenele urmtoare: Particulele de dimensiuni mari sedimenteaz rapid i se depun la

    fundul cilindrului gradat (fig. 2.6). Puin sub suprafaa lichidului apare imediat o suprafaa de separare (interfaa I) care separ lichidul limpede L sau aproape limpede de o zon inferioar format din suspensie. Aceast interfaa se deplaseaz de sus n jos cu vitez constant (poriunea dreapt a

    50

  • Decantarea static 51

    curbei de sedimentare). Apoi scade viteza, solidele se ndeas (se adun) pe fundul eprubetei, iar viteza de sedimentare scade, curba de sedimentare evolund asimptotic paralel cu axa timpului.

    Analiza de sedimentare n cmp gravitaional de fore, permite determinarea dimensiunii particulelor de impuriti dintr-o suspensie, stabilirea distribuiei granulometrice a dimensiunilor, precum i determinarea vitezei de sedimentare.

    Considerm viteza de sedimentarea, viteza de deplasare descendent a interfeei I dintre volumul de lichid limpezit L i suspensia F, care n timp urmeaz s se limpezeasc (fig. 2.6). Altfel exprimat, viteza de sedimentare este practic, viteza de limpezire a volumului de fluid.

    h (mm) L

    I F h hs

    S ts t [min]

    Fig. 2.6. Curba de sedimentare

    Proba de suspensie supus analizei se introduce ntr-un cilindru gradat de sticl i se agit puternic pentru omogenizare. Prin msurarea

    51

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 52

    evoluiei n timp a nlimii interfeei I se poate trasa curba de sedimentare. La nceput se poate observa sedimentarea particulelor grosiere cu vitez de cdere mare, superioar celorlalte particule de mrime mai mic. Dup un anumit timp ncepe s se observe n partea superioar a cilindrului o zon de lichid limpede, iar la partea inferioar zona de suspensie i zona de compresie a sedimentului la fundul cilindrului.

    Se constat n timp evoluia descendent a poziiei liniei de interfa ntre volumul de lichid limpezit L i volumul de suspensie F nc nesedimentat.

    Curba de sedimentare are dou pri distincte, respectiv dou linii drepte racordate ntre ele. Prelungirea celor dou segmente drepte ale curbei, reprezentnd tangentele trasate la curb n punctele corespunztoare timpului t=0 i a timpului final formeaz un unghi. Intersecia bisectoarei unghiului tangentelor cu curba de sedimentare reprezint punctul care definete valorile nlimii critice i timpului critic cu care se calculeaz viteza de sedimentare (u) astfel:

    cr

    cr

    thu = [mm/min] (2.21)

    sau cr

    cr

    thu =

    100060 [m/h] (2.22)

    Spre finalul procesului de sedimentare dispare zona cu suspensie n lichid, iar limita de separare (interfaa I) se confund cu limita superioar a zonei de compresie, respectiv cu limita superioar a nmolului format de impuritile solide sedimentate. n acest moment ncepe procesul de comprimare (tasare) a sedimentului.

    2.6. Sedimentarea global

    n anul 1916 Coe i Clevenger propune un model de calcul al sedimentrii globale, prezentat n continuare.

    52

  • Decantarea static 53

    Procesul sedimentrii globale se produce n cazul suspensiilor cu concentraii relativ mari de impuriti solide. Se consider o curgere continu, respectiv un flux continuu al prii solide din fluid de la intrarea n cuva de decantare pn la ieirea sedimentului (nmolului) prin baza cuvei.

    Se definesc urmtoarele mrimi:

    G fluxul de solide din sediment la un nivel oarecare al cuvei exprimat prin masa pe unitate de suprafaa i timp, adic debitul specific al solidului [ML2 t1]. Fluxul solidului poate fi definit astfel prin produsul dintre concentraia solidului i viteza de sedimentare;

    C concentraia n solid [ML3]; u viteza de sedimentare a solidelor la aceast concentraie [Lt1]

    reprezentnd viteza de coborre a interfeei I care separ suspensia F de zona lichidului limpezit L;

    v viteza de deplasare spre fund a suspensiei n ansamblul su rezultat din evacuarea continu a sedimentului din fundul decantorului [Lt1];

    Cu concentraia solidului din nmol (sediment) [ML3]; A suprafaa decantorului [L2]; Qu debitul sedimentului extras [L3t1]. M unitate de mas; L unitate de lungime; [t] unitate de timp. Fluxul de solid are dou componente:

    GB componenta de transport a nmolului brut (debitul specific al curgerii nmolului);

    GS componenta datorat sedimentrii impuritilor solide definit prin viteza de sedimentare.

    Astfel:

    G = GB + GS = Cv + Cu = C(v+u) (2.23)

    Masa solidului care intr n decantor n unitatea de timp este egal cu masa solidului care prsete decantorul la scurgerea continu prin fundul cuvei. Astfel:

    53

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 54

    QF CF = Qu Cu = T (2.24)

    uFFu C

    1CQQ = (2.25)

    dar u

    FFu

    C1

    ACQ

    AQv == (2.26)

    Prin definiie:

    G =A

    CQ FF (2.27)

    uC1Gv = (2.28)

    Dac se nlocuiete n relaia:

    G = C v + Gs (2.29)

    se obine:

    su

    GC

    CGG += (2.30)

    sau CCGGG

    us = (2.31)

    =

    us C

    C1GG (2.32)

    Mrimile G i Cu sunt impuse de performanele necesare pentru operaia de decantare. Astfel numai Gs i C sunt mrimi necunoscute. Combinnd ecuaiile se mai poate deduce:

    uC1

    C1

    uG

    = (2.33)

    Fluxul de solide G care poate fi tratat cu un decantor de suprafa unitar este n funcie de concentraia solidului n nmol Cu, de viteza de sedimentare u i de concentraia C a impuritilor solide n suspensie.

    54

  • Decantarea static 55

    Se desprind dou constatri:

    viteza de sedimentare u este funcie de concentraia C. alimentarea cuvei se face la o concentraie CF inferioar

    concentraiei Cu a solidului n nmol.

    Astfel, conform modelului lui Coe i Clevenger, se recomand s se fac determinri experimentale ale vitezei de sedimentare (u) pentru un numr de valori ale concentraiei C cuprinse ntre CF i Cu date. Se va calcula G pentru toate valorile concentraiei C. Pentru calculul suprafeei decantorului se va alege cea mai mic valoare gsit pentru G (corespunztoare punctului minim GC de pe graficul din figura 2.7 n urma determinrilor experimentale).

    Determinarea vitezei de sedimentare u se efectueaz relativ simplu, conform procedurii prezentate anterior.

    Metoda permite astfel determinarea suprafeei A a decantorului:

    GCQ

    GTA uu == (2.34)

    unde: T este debitul masic (masa pe or) al solidului tratat. Modelul prezentat nu permite ns determinarea volumului i

    nlimii cuvei de decantare.

    G Gc

    CF Cc Cu

    Fig. 2.7. Variaia fluxului solidului n funcie de concentraie (Modelul Coe Clevenger)

    55

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 56

    2.7. Sedimentarea cu comprimarea nmolului

    Particulele care execut o micare descendent, ajung s se apropie, s se deranjeze reciproc i s ia contact cu alte particule care sunt deja depuse la fundul cuvei, neputnd astfel s coboare mai jos. Astfel, viteza de sedimentare are tendin de scdere. Particulele se taseaz, adic se comprim pe fundul eprubetei (cuvei), concentraia solidelor crete formnd o zon de o anumit grosime care se dezvolt continuu. Cnd interfaa ntlnete limita superioar a zonei cu concentraie mare de materie solid depus, curba de sedimentare devine asimptotic la o dreapt paralel cu axa timpului, datorit reducerii vitezei de coborre a interfeei I. Este astfel necesar cunoaterea volumului de nmol depus la o anumit concentraie ntr-un anumit interval de timp de ateptare (timp de staionare). Se ridic curba de sedimentare (fig. 2.6). Se fixeaz punctul de comprimare adic timpul tk la care nmolul intr n regim de tasare (comprimare). Se determin timpul tF la care nmolul atinge concentraia final. Se determin concentraia medie a solidelor din nmol Cm; T debitul masic masa solidelor intrate in cuva decantoare, n unitatea de timp (or):

    T = QF CF (2.35)

    Volumul afectat de nmolul ngroat va fi calculat astfel:

    m

    kfB C

    )tt(TV = (2.36)

    Suprafaa A fiind determinat prin procedura de calcul a sedimentrii globale, nlimea nmolului poate fi calculat astfel:

    AVh BB = (2.37)

    Experiena arat c nu este convenabil ca nlimea nmolului s depeasc circa un metru. Dac din calcule reiese mai mult, atunci se recomand recalcularea suprafeei prin adoptarea nlimii de un metru.

    56

  • Decantarea static 57

    nlimea decantorului se va lua egal cu hB plus 1 metru pentru nlimea lichidului limpezit. 2.8. Etapele dimensionrii cuvei de decantare De regul, cazurile frecvente ntlnite n practica decantrii pot fi rezumate la dou regimuri de funcionare: regimul de decantare cu floculare (limpezirea) i regimul de sedimentare global.

    A. Limpezirea

    Se determin viteza de sedimentare i se calculeaz suprafaa A a decantorului, conform indicaiilor de la paragraful 2.6.

    Prin ncercri de floculare, se determin constanta de floculare K i cunoscnd eficacitatea decantorului, se calculeaz volumul decantorului V1 necesar pentru asigurarea limpezirii.

    Se poate calcula astfel nlimea necesar operaiei de limpezire:

    AVh 11 = (2.38)

    Prin ncercri de comprimare a nmolului, se determin timpul de ateptare (staionare) a nmolului n decantor, necesar atingerii concentraiei finale dorite (Cu) i volumul necesar V2.

    Rezult astfel:

    AVh 22 = (2.39)

    unde: h2 este grosimea nmolului.

    Dac h2 > 1m, se va adopta: h2 = 1m i se va recalcula suprafaa:

    22

    2 VhV'A == (2.40)

    Se calculeaz h1 care devine:

    'AV'h 11 = (2.41)

    57

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 58

    Suprafaa decantorului va fi: A (sau A) i nlimea decantorului:

    h = h1 + h2 sau h = 1 + h1 (2.42)

    Exemplu de calcul: Se consider urmtoarele date iniiale:

    Debitul suspensiei supuse decantrii: Q = 130 m3/h; Viteza de curgere: v = 7 m/h; Timpul de staionare: t = 1,1 h; Factorul de eficacitate: f = 0,7 (70%).

    Se calculeaz:

    Volumul cuvei de decantare:

    V = Q t = 130 1,1 = 143 m3

    Aria cuvei:

    5,267,0

    17

    130f1

    vQA === m2

    nlimea cuvei:

    4,55,26

    143AV

    h === m

    Dac decantorul are form circular:

    - Diametrul cuvei:

    8,55,264A4d =

    =

    = m

    B. Sedimentarea global

    Se determin suprafaa necesar a cuvei, conform indicaiilor de la paragraful 2.6 (modelul Coe i Clevenger):

    Se calculeaz volumul V2 i nlimea h2 necesar atingerii concentraiei finale (conform punctului A de mai sus);

    Dac: h2 > 1m, se va adopta: h2 = 1m i se ca recalcula suprafaa care devine A = V2 (ca i mai sus).

    58

  • Decantarea static 59

    Se va prevedea nlimea de 1 m pentru lichidul limpezit deasupra nmolului. nlimea cuvei de decantare va fi:

    h = h2 + 1

    Exemplu de calcul: Date iniiale:

    Debitul total al suspensiei care intr n decantor: QF= 2000 m3/h;

    Concentraia solidului n suspensie: CF =4 g/l; Concentraia maxim a solidului n nmol: Cu =10 g/l; Fluxul de solid din nmol: G = 5 kg/m3 h.

    Se calculeaz:

    Debitul nmolului la fundul cuvei:

    T = QF CF = Qu Cu

    10142000

    C1CQQ

    uFFu == = 800 m

    3/h

    Aria cuvei:

    16005

    10800G

    CQGTA uu ==== m2

    Diametrul cuvei:

    4516004A4d =

    =

    = m

    2.9. Factori de influen asupra decantrii statice Principalii factori care influeneaz separarea prin decantare static sunt:

    Viteza de curgere orizontal a fluidului care influeneaz timpul limit de cdere a particulei la fundul decantorului. n cazul apei, valoarea vitezei de curgere nu trebuie s depeasc circa 1 cm/s.

    59

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 60

    Regimul de curgere (laminar sau turbulent) respectiv cifra Reynolds. Se prefer ca la trecerea fluidului prin decantor s fie ntrunite condiiile de curgere n regim laminar, adic cifra Reynolds s aib o valoare ct mai mic.

    Concentraia de impuriti n suspensie. Dac este ridicat (peste 1 g/dm3), particulele se deranjeaz ntre ele n timpul sedimentrii, mai ales n zonele adnci ale cuvei de decantare.

    Curenii datorai vntului (n cazul decantoarelor cu suprafaa mare);

    Regimul de alimentare i evacuare, care trebuie s se desfoare ct mai uniform i n mod continuu.

    Factorii perturbatori ai procesului de decantare sunt: Suprancrcarea decantorului; Alimentarea neregulat (creeaz turbulen); Curenii de convecie care apar datorit curenilor de aer i ai

    vntului, la suprafaa decantorului; Curgerea static datorit straturilor de ap cu densitate diferit.

    2.10. Principii constructive ale utilajelor pentru decantare

    Construcia, funcionarea i denumirea utilajelor i echipamentelor

    pentru separarea impuritilor din fluide este funcie de tipul fluidului supus tratamentului de decantare.

    Astfel, pentru lichide (exemplu ap) utilajul pentru sedimentare static se numete decantor.

    La purificarea gazelor sub aciunea forei gravitaionale se utilizeaz de regul camere de sedimentare (depunere) i camere de desprfuire.

    n funcie de forma lor, decantoarele se clasific n: decantoare dreptunghiulare (fig. 2.8) i decantoare radiale (fig. 2.9).

    Dup direcia de curgere a lichidului supus limpezirii se deosebesc decantoarele orizontale i decantoarele verticale.

    De regul, decantoarele orizontale au form dreptunghiular cu circulaia orizontal a lichidului.

    60

  • Decantarea static 61

    Fig. 2.8. Decantor dreptunghiular. 1 intrarea apei impur; 2 camer de

    distribuie; 3 perete pentru repartizarea uniform a apei; 4 baraj deversor; 5 camer pentru colectarea apei decantate; 6. an pentru

    colectarea nmolului; 7 curitor cu raclet pentru nmol [28]

    Fig. 2.9. Decantor radial cu pod raclor pentru nmol. 1 intrarea apei

    impure; 2 cmin de alimentare; 3 alimentare; 4 ap limpezit; 5 evacuarea nmolului; 6 cilindru de difuzie; 7 pod raclor;

    8 sistem de rulare; 9 raclor [28] Decantoarele radiale au form circular iar circulaia lichidului,

    poate fi orizontal sau vertical, n funcie de tipul constructiv. De altfel, exist un numr nsemnat de tipuri constructive i funcionale pentru decantoarele radiale, ca de exemplu: decantoarele circulare clasice, decantoarele floculatoare, decantoarele cu lamele, decantoarele cu pat de nmol, decantoarele combinate.

    Orice decantor circular clasic are urmtoarele pri componente:

    cuva de decantare; canalul circular de deversare a lichidului limpezit;

    61

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 62

    cilindrul de alimentare (cu dispozitive pentru tratamentul de coagularefloculare);

    mecanismul de raclare a nmolului; pasarela (pod) pentru deplasarea personalului operator; tubul de evacuare a nmolului sedimentat.

    n decantoarele radiale apa brut intr printr-un recipient central de unde deverseaz peste marginea superioar i traverseaz cuva circular n direcii radiale. Particulele de impuriti se depun pe fundul cuvei i sunt colectate sub form de nmol spre zona central de ctre un sistem cu raclei. Lichidul limpezit este colectat n rigola periferic (canal circular) pe marginea superioar a cuvei.

    Decantoarele floculatoare sunt prevzute cu compartiment de coagularefloculare. n acest compartiment se introduc i se prepar agenii de floculare, se realizeaz contactul intim cu particulele din suspensie i formarea agregatelor de particule sedimentabile.

    Decantorul lamelar are volumul cuvei de decantare divizat ntr-un mare numr de compartimente prin intermediul unor lamele nclinate sau tuburi de seciune circular (fig. 2.10). Existena lamelelor nclinate sau a tuburilor crete suprafaa de decantare deci i debitul admisibil al lichidului. nclinarea lamelelor, ori a tuburilor despritoare este necesar pentru curgerea nmolului. n aceast situaie, viteza de cdere a particulei solide (v) se calculeaz astfel:

    v=vo(1+kcos ) (2.43)

    unde: este unghiul de nclinare a pereilor despritori (lamel sau tub); vo viteza de sedimentare a particulelor n decantorul fr lamele; k coeficientul determinat experimental (depinde de forma

    compartimentului; k>0).

    Prin urmare, viteza de sedimentare crete n cazul decantorului cu lamele sau tuburi despritoare, iar debitul de lichid tratat crete proporional cu numrul de perei despritori.

    62

  • Decantarea static 63

    S S

    a. b.

    c.

    Fig. 2.10. Decantor lamelar. a. n contracurent; b. n co-curent c. cu sistem de nlturare a nmolului; L lichid limpezit; F suspensie;

    S sediment (nmol) [25]

    Unghiul de nclinare al lamelelor trebuie s fie suficient pentru a garanta evacuarea nmolului. Fora care antreneaz nmolul este dat de rezultanta greutii i a forei exercitate de lichid pe suprafaa nmolului. Dac cele dou faze (lichidul limpede i nmolul), curg n acelai sens (fig. 2.10. b curgere n cocurent) componentele rezultante au acelai semn. Dac ns cele dou faze curg n sensuri inverse (fig. 2.10. a curgere n

    63

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 64

    contracurent), atunci fora exercitat de lichid asupra suprafeei nmolului se opune evacurii acestuia; respectiv deplasrii lui spre partea inferioar a cuvei.

    Curgerea n contracurent (fig. 2.10. a) este mai uor de realizat. n acest gaz alimentarea trebuie s se fac de la baza compartimentelor iar lichidul iese limpezit la parte superioar a cuvei. Curgerea n acelai sens (cocurent, fig 2.10 b), se realizeaz prin introducerea lichidului brut pe la partea superioar, curge n jos i apoi are loc schimbarea direciei spre partea superioar prin tuburi pn la vrful cuvei i apoi iese spre exterior.

    Soluia constructiv mixt a unui decantor cu lamele este redat n figura 2.11 (compartimentul din stnga curgere n contracurent; compartimentul din dreapta curgere n cocurent). Acest tip de decantor are o eficacitate de decantare ridicat.

    S

    Fig. 2.11. Decantor lamelar mixt [25]

    Unul dintre dezavantajele decantoarelor cu lamele este tendina de aderare a particulelor solide pe suprafaa lamelelor, care face dificil operaia de curire. Separarea gravitaional este cea mai simpl metod de purificare a unui curent de gaz, de particulele solide (peste 75 m), utiliznd conductele (tuburile) i camerele de sedimentare.

    64

  • Decantarea static 65

    2.11. Particulariti ale purificrii gazelor prin sedimentare Se poate afirma c densitatea unui gaz este mult mai mic dect

    densitatea particulelor solide ale impuritilor din suspensie. Prin urmare, termenul l din relaia lui Stokes poate fi neglijat. Se poate calcula astfel, viteza de sedimentare static a unei particule:

    2sp d18

    1v = (2.44)

    unde: s este densitatea particulelor solide; d diametrul particulei;

    vscozitatea suspensiei.

    n practic, se constat c viteza de sedimentare a particulelor solide ntr-un curent de gaz este mai mic dect cea calculat, datorit influenei formei neregulate a acestora, care mrete rezistena la deplasare.

    La sedimentarea particulelor n suspensie, viteza curentului de gaz trebuie s fie mai mic dect viteza la care particulele sedimentate pot fi antrenate de gaz.

    Cel mai simplu echipament pentru purificarea gazelor de particule solide (sub form de praf) sunt camerele sau conductele de sedimentare (fig 2.12). Astfel, n lungul conductelor de transport a gazelor care necesit tratamentul de desprfuire, se monteaz camere de sedimentare prevzute cu perei verticali. Se mrete astfel, drumul parcurs de gaz, se micoreaz viteza de curgere a gazului, condiii care contribuie la separarea prafului. n plus, pereii verticali n calea gazului impurificat, reprezint suprafee de depunere pe care din ineria fluxului de aer ader o important cantitate de particule solide, n afara celor sedimentate sub influena forei gravitaionale. Pentru purificarea gazelor tehnologice calde din instalaiile siderurgice i metalurgice (exemplu: cuptoarele de elaborare a materialelor metalice), se utilizeaz instalaiile de desprfuire a cror principiu constructiv i funcional este redat n figura 2.13.

    65

  • Procedee fizico-mecanice de separare a poluanilor 66

    Fig. 2.12. Conducte de sedimentare a impuritilor din gaze

    Fig. 2.13. Camer de desprfuire cu polie [1]

    Gaz purificat

    Gaz impurificat cu praf

    Fluxul de gaz impurificat cu praf se distribuie i curge printr-o serie de polie orizontale care reprezint suprafee de sedimentare (depunere) a prafului. Praful depus se elimin periodic dintre polie cu ajutorul unor dispozitive speciale cu raclei sau prin splare cu jet de fluid.

    66

  • Decantarea static 67

    Cunoscnd debitul gazului Q (m3/s) i volumul V (prin dimensiunile constructive L, B, H) ale camerei (sau tubului) se poate calcula timpul de edere (de ateptare) al gazului n camera de sedimentare:

    vLt = , dar

    QLBH

    QVt == (2.45)

    n care: v este viteza de curgere a gazului; L lungimea camerei; B limea camerei; H nlimea camerei.

    de unde: v=HB

    Q

    (2.46)

    Acceptnd valabilitatea legii lui Stokes, se poate calcula diametrul limit al particulelor solide care se separ prin sedimentare gravitaional:

    LBg)(

    Q18dgs

    lim

    = (2.47)

    unde: este vscozitatea aerului; s densitatea particulei solide;

    g densitatea gazului care se purific.

    Toate particulele de impuriti din curentul de gaz cu mrimi superioare dimensiunii dlim astfel calculate se vor sedimenta prin decantare static.

    Aplicnd aceleai raionamente de calcul, ca i n cazul decantrii statice a lichidelor, se poate concluziona c i n cazul sedimentrii gravitaionale a particulelor solide din gaze, potenialul de decantare depinde de suprafaa de depunere a cuvei.

    Purificarea gazelor prin separarea gravitaional este un procedeu mai puin eficace n cazul prafului fin dispersat. De aceea desprfuirea este o operaie prealabil de purificare.

    Pentru a asigura gradul de purificare mai ridicat se aplic procedeele de purificare umed i procedeele de separare centrifugal ca de exemplu ciclonarea.

    67

    2.3. Calculul debitului fluidului