Νέα σύνθετα κροκιδωτικά υλικά με βάση το σίδηρο

Abstract

Coagulation – flocculation process is one of the most important physichochemical processes that are widely used in water and wastewater treatment as well as in other industrial activities. In water treatment, coagulation – flocculation is employed for the removal of: a) suspended solids (diameter: 1 – 10 μm) b) colloidal particles (diameter: 0.005 – 1 μm) c) natural organic matter (NOM) d) soluble inorganic compounds i.e. phosphate ions etv e) biological matter i.e. algae, microorganisms In wastewater treatment, coagulation – flocculation is used as a method for the basic or tertiary treatment of wastewater. Under this framework, coagulation is frequently used in combination with other physicochemical or biological processes, such as ozonation, photooxidation etc. The last decades several research efforts have been conducted for the improvement of the efficiency of the process, which resulted in the development of a new type of coagulation reagents called as Inorganic Polymeric Flocculants (IPFs). Despite of the significant improvement on the properties of the IPFs due to the pre- polumerisation of the metal (i.e. iron pr aluminium), still the aggregation ability of the IPFs is still lower than that of the organic coagulation reagents. The increased aggregation ability of the organic polymers is attributed to the high molecular weight along with the presence of large polymeric chains. Therefore, the increase of the molecular weight of the IPFs will possibly result in a subsequent improvement of their efficiency. Under this framework, a new type of reagents can be developed by adding certain additives (either inorganic or organic) into the composition of IPFs. In this thesis the synthesis, characterization of the properties and the evaluation of the efficiency of the new composite coagulation reagents based on iron is studied. The composite reagents will derive from the modification of the composition of the pre – polymerized inorganic reagent, Polyferric Sulphate (PFS) with the addition of appropriate additives. As inorganic additive, the polysilisic acid is employed, while as the organic additives 3 different (commercial available) polyelectrolytes were used depending on the charfe that each one carries: a) non -ionic (Magnafloc LT-20), b) anionic (Magnafloc LT- 25) και γ) cationic (ΡDADMAC). First of all, the optimum experimental conditions for the synthesis of each composite coagulant are determined via the conduction of a number of preliminary experiments. Then, according to the optimum conditions, a number of composite coagulants for each of the 4 additives were accomplished by varying the values of certain parameters, including the relative concentration of iron and additive, the molecular ratio r = OH/Fe and under two different preparation methods (co – polymerisation and composite polymerisation). Then the main physicochemical properties (i.e. pH, conductivity, density) were determined, emphasizing on the determination of the active iron species (with the Ferron spectrophotometric method) and on the destabilisation ability via the ζ – potential measurement. Additionally, the structure and morphology of the composite coagulant were examined via the aid of advanced methods such as FTIR, SEM and XRD. Moreover, the stability of the newly prepared coagulants was recorded as a function of time. The major conclusions drawn from the study of the properties of the coagulants can be summarized as follows: a) A sort of chemical interactions between the iron species and the additives were observed i.e. the formation of a chemical bond between iron and silica for the modified coagulants by the addition of polysilicic acid or the various indications of interactions (at some extent) between the iron and the polyacrylamide for the modified coagulants by the addition of non – ionic polyelectrolyte. b) Alteration of the destabilization ability of each composite coagulant depending on the type and properties of each additive. In particular, the addition of anionic polysilicic acid results in a deterioration of destabilization ability, while the addition of cationic polyelectrolyte results in a further increase of the destabilization capacity. ................................

Η κροκίδωση-συσσωμάτωση είναι από τις σημαντικότερες φυσικοχημικές διεργασίες που βρίσκουν ευρύτατη εφαρμογή στην επεξεργασία του νερού και των υγρών αποβλήτων καθώς και σε άλλες παραγωγικές διαδικασίες. Σύμφωνα με τον Bratby 2006: - Κροκίδωση (coagulation): είναι η διεργασία κατά την οποία πραγματοποιείται η αποσταθεροποίηση των σωματιδίων μιας διασποράς. Η λειτουργία δηλαδή της κροκίδωσης είναι να υπερνικηθούν οι παράγοντες που συνιστούν τη σταθερότητα των σωματιδίων. - Συσσωμάτωση (flocculation): είναι η διεργασία κατά την οποία τα ήδη αποσταθεροποιημένα σωματίδια «αναγκάζονται» να πλησιάσουν το ένα το άλλο, να έρθουν σε επαφή και τελικά να σχηματίσουν μεγάλα (ή μεγαλύτερα) συσσωματώματα. Γενικά, η διεργασία της κροκίδωσης/συσσωμάτωσης βρίσκει ευρύτατη εφαρμογή σε συστήματα επεξεργασίας νερού και υγρών αποβλήτων. Συγκεκριμένα, για την επεξεργασία φυσικών νερών, η διεργασία αυτή χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση: α) αιωρούμενων στερεών (μεγέθους 1-10 μm) β) κολλοειδή σωματιδίων (μεγέθους 0.005 – 1μm) γ) φυσικής οργανικής ύλης (Natural organic Matter, ΝΟΜ) δ) προϊόντων ιζηματοποίησης ανόργανων ενώσεων, όπως φωσφορικά ιόντα κ.α. ε) βιολογικής προέλευσης σωματιδίων, όπως άλγη, μικροοργανισμοί κ.α. Επιπρόσθετα, χρησιμοποιείται και στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων είτε ως μέθοδος πρωτοβάθμιας επεξεργασίας, είτε ως διεργασία που ανήκει στην τριτοβάθμια επεξεργασία για την επαναχρησιμοποίηση του νερού. Στο πλαίσιο αυτό, η διεργασία της κροκίδωσης/συσωμάτωσης συχνά χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με μια κατάλληλη φυσικοχημική ή/και βιολογική διεργασία, π.χ. οζονισμός, φωτοοξείδωση κ.α. Οι ερευνητικές προσπάθειες για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της διεργασίας της κροκίδωσης είχαν σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη των σχετικά νέων αντιδραστηρίων κροκίδωσης, τα οποία ονομάστηκαν ως ανόργανα πολυμερισμένα κροκιδωτικά (Inorganic Polymeric Flocculants, IPF’s). Παρά τη σημαντική βελτίωση που επέφερε ο προ-πολυμερισμός στις ιδιότητες των συμβατικών κροκιδωτικών, οι ερευνητικές προσπάθειες συνεχίστηκαν με στόχο να υπερνικηθούν οι αδυναμίες των IPFs , οι οποίες σχετίζονται με την ελαττωμένη ικανότητα συσσωμάτωσης, ιδιαίτερα σε σύγκριση με τα οργανικά κροκιδωτικά. Η ικανότητα των οργανικών πολυμερών οφείλεται κυρίως στο μεγαλύτερο μοριακό βάρος των συστατικών τους και στην παρουσία πολυμερικών αλυσίδων,οι οποίες ενισχύουν το σχηματισμό των συσσωματωμάτων. Επομένως, η αύξηση του μεγέθους και του μοριακού βάρους των IPFs ενδεχόμενα θα προκαλούσε περαιτέρω βελτίωση στις ιδιότητες και στην αποτελεσματικότητα τους Στο πλαίσιο αυτό μελετήθηκε η διαδικασία προσθήκης ανόργανων και οργανικών ενώσεων στα προ- πολυμερισμένα κροκιδωτικά, ώστε να παρασκευαστούν νέα σύνθετα αντιδραστήρια κροκίδωσης. Στη παρούσα διατριβή μελετήθηκε η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων και η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των νέων σύνθετων κροκιδωτικών αντιδραστηρίων με βάση το σίδηρο. Τα νέα αντιδραστήρια προήλθαν από την τροποποίηση της σύστασης του προ – πολυμερισμένου αντιδραστηρίου Polyferric Sulphate (PFS) με την προσθήκη κατάλληλων ανόργανων ή/και οργανικών προσθέτων, καθώς αναμένονταν να διαθέτουν βελτιωμένες ιδιότητες και ανώτερη κροκιδωτική απόδοση. Ως ανόργανο πρόσθετο χρησιμοποιήθηκε το πολυπυριτικό οξύ, που παρασκευαζόταν στο εργαστήριο, το οποίο γενικά εφαρμόζεται ως ενισχυτικό συσσωμάτωσης στη διεργασία της κροκίδωσης. Ως οργανικά πρόσθετα χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά είδη (εμπορικά διαθέσιμων) πολυηλεκτρολυτών ανάλογα με το είδος του φορτίου που φέρουν: α) μη-ιονικός (Magnafloc LT-20), β) ανιονικός (Magnafloc LT-25) και γ) κατιονικός (ΡDADMAC) πολυηλεκτρολύτης. Αρχικά προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες παρασκευής των σύνθετων κροκιδωτικών για κάθε κατηγορία, με τη διεξαγωγή προκαταρκτικών πειραμάτων σύνθεσης. .......................