Koagulácia a flokulácia
Princíp
Koagulácia je proces, prostredníctvom ktorého sa destabilizuje daná suspenzia alebo roztok. Úlohou koagulácie je prekonať faktory stabilizujúce daný systém koloidnej suspenzie. Flokulácia je proces, prostredníctvom ktorého sa destabilizované častice alebo častice sformujú ako produkt destabilizácie stimulovaný na spájanie a tým na tvorbu väčších zhlukov (agregátov) (Bratby, 2006). V procese čistenia podzemných vôd sa procesmi koagulácie a flokulácie vytvárajú väčšie častice (agregáty) obsahujúce nežiaduce látky, ktoré je možné z čistenej podzemnej vody potom ľahšie odstrániť.
Použiteľnosť
Procesy koagulácie, resp. flokulácie je možné využiť na zníženie obsahu koloidných minerálnych suspenzií, na zlepšenie agregácie koloidných suspenzií, ktoré vznikajú napr. pri zrážaní nerozpustných zlúčenín kovov – hydroxidov (napr. As, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sb), na odstraňovanie makromolekulárnych organických zlúčenín (molekulárnych koloidov), zastúpených napr. bielkovinami či polysacharidmi, na čistenie koncentrovaných výluhov získaných pri sanácii horninového prostredia atď. Koaguláciu je možné využiť aj na čistenie skládkového alebo silážneho presakovania s vysokým obsahom organických látok (Nyer, 2000).
Základná charakteristika
Procesmi koagulácie a flokulácie sa destabilizujú suspenzie s obsahom koloidných látok. Koloidné častice sa vyznačujú veľkosťou zhruba od 10–6 do 10–9 m (IUPAC, 1971). Tvoria ich látky rôzneho charakteru, napr. minerálne čiastočky, malé agregáty zrazenín, organické makromolekuly, biopolyméry, mikrobiologický materiál (baktérie, vírusy, planktón) atď. (Bratby, 2006). V súvislosti s koloidnými sústavami termín stabilita označuje schopnosť individuálnych častíc zotrvať ako separátne častice, alebo inými slovami, zachovať dispergovaný stav systému. Zachovanie stability koloidnej suspenzie umožňuje existencia povrchových síl na rozhraní koloidov [pevná fáza)/voda (kvapalná fáza)]. Vo všeobecnosti tieto sily vyplývajú z existencie povrchového náboja a hydratácie povrchovej vrstvy koloidov (Bratby, 2006). Destabilizácia sa dosahuje rôznymi procesmi, ako sú napr. redukcia povrchového náboja, resp. zóny jeho vplyvu alebo hydratačného obalu častice. Konkrétny proces závisí od vlastností častíc, chemického zloženia podzemnej vody a pridávaného koagulantu.
V rámci koloidov je možné všeobecne vyčleniť dva základné typy, a to koloidy s hydrofóbnym a hydrofilným povrchom. Hydrofilné častice vykazujú afinitu k vode – sem sa zaraďujú napr. niektoré makromolekulárne organické zlúčeniny. Hydrofóbne častice nevykazujú afinitu k vode, sú dispergované vo vode a stabilita je podmienená existenciou náboja na povrchu, ktorý tvorí tzv. elektrickú dvojvrstvu. Sem patria napr. hydroxidy kovov alebo dispergované koloidné častice ílových minerálov. V reálnych systémoch sú často v čistenej vode prítomné oba základné typy koloidov a je nutné prispôsobiť tomu návrh technológie.
Na dosiahnutie efektu koagulácie a flokulácie je potrebné zmeniť fyzikálno-chemické podmienky v čistenej vode, a to najmä pridávaním koagulantov a flokulantov. Primárny koagulant predstavuje chemikáliu alebo látku, ktorá sa pridáva do danej suspenzie alebo roztoku s cieľom vyvolať efekt destabilizácie koloidného systému. Flokulanty sú chemikálie alebo látky, ktoré sa pridávajú do destabilizovanej suspenzie alebo roztoku s cieľom zrýchliť flokuláciu (vločkovanie, resp. agregáciu), resp. podporiť tvorbu vločiek (Bratby, 2006).
Medzi základné druhy koagulantov a flokulantov možno zaradiť anorganické aj organické látky. Anorganické kovové koagulanty zastupujú najmä chemické látky obsahujúce železo a hliník. Ako príklad koagulantov s obsahom hliníka je možné uviesť hydrát síranu hlinitého [Al2(SO4)3.14H2O], hydrát chloridu hlinitého (AlCl3.6H2O) a hlinitan sodný (NaAlO2). Z koagulantov na báze železa treba spomenúť najmä hydrát síranu železitého [Fe2(SO4)3.8H2O], hydrát síranu železnatého (FeSO4.7H2O) a chlorid železitý (FeCl3). Na základe požiadaviek a výskumu koagulantov sa vyvinuli tzv. predpolymerizované koagulanty. Ich výhodou je jednoduchšie využitie a lepšia efektívnosť (sú efektívne v širšom rozsahu pH a teploty, ako aj iných podmienok). Spomedzi nich je možné uviesť napr. polyalumínium chlorid. Predpolymerizované hlinité a železité koagulanty sa môžu s úspechom použiť najmä pri čistení kontaminovaných podzemných vôd s nižšou teplotou, kde hydrolytické reakcie v upravovanej studenej vode prebiehajú pomalšie, či pri odstraňovaní niektorých stopových prvkov, napr. As (Fan et al., 2003).
Príklad možnej reakcie po pridaní koagulantu síranu hlinitého do čistenej vody a tvorba príslušného hydroxidu hlinitého je v nasledujúcej rovnici:
.
Na podporu tvorby vločiek sa do procesu koagulácie – flokulácie – pridávajú flokulanty (niekedy sa označujú aj ako pomocné koagulanty), medzi ktoré patria (Strnadová a Janda, 1995; Demers et al., 2009; Bratby, 2006):
• minerálne flokulanty – aktivované kremičitanové sóly, zeolity, niektoré ílové koloidné substancie (napr. bentonit), hydroxidy kovov s polymérovou štruktúrou;
• syntetické polymerické flokulanty – neionogénne, katiónaktívne alebo aniónaktívne polyméry na báze polyakrylamidu; polyakrylamid je neionogénny, ale pridaním disociovateľných skupín vzniká aniónaktívna alebo katiónaktívna štruktúra;
• prírodné organické polymérne flokulanty rozpustné vo vode – sú to najmä látky na báze polysacharidov (napr. škrobu); nevýhodou ich použitia je, že ich zvyšková koncentrácia zvyšuje obsah organického uhlíka na odtoku zo sanačného systému;
• ďalšie látky na urýchlenie sedimentácie (napr. zaťažovadlá), ako sú jemný perlit, práškové aktívne uhlie, ktoré sa dá úspešne použiť tam, kde je proces koagulácie spojený so sorpciou, napr. pri odstraňovaní polychlórovaných bifenylov, pesticídov, PAU atď.
Výber typu koagulantu a flokulanta, správne dávkovanie a úpravu iných podmienok (pH, teplota, miešanie atď.) sa odporúča overiť v laboratórnych podmienkach pre konkrétne špecifické podmienky čistenej vody, odstraňovaného kontaminantu a celého systému.
V procese úpravy vody koaguláciou a flokuláciou sa rozlišujú dve fázy – perikinetická a ortokinetická fáza:
• V prvej, perikinetickej fáze sa rýchlym dávkovaním a primiešaním primárneho koagulantu do celého objemu čistenej vody docieli destabilizácia koloidného systému a podnieti sa tvorba jemných agregátov. Táto fáza je pomerne rýchla a v závislosti od podmienok trvá rádovo minúty. Táto fáza má rozhodujúci význam pri tvorbe jemných vločiek a je nutné zabezpečiť dostatočnú rýchlosť miešania (Drinan a Whiting, 2001). Používajú sa rozličné typy miešadiel, založené na mechanickom (obr. 4.2.47), hydraulickom alebo inom princípe.
• V druhej, ortokinetickej fáze sa za pomalého miešania pridávajú flokulanty, ktoré spôsobia spájanie vzniknutých jemných agregátov do väčších zhlukov/vločiek. Rýchlosť miešania v druhej fáze musí byť dostatočná, aby dochádzalo k zrážkam/spájaniu jemných agregátov, ale nie príliš vysoká, aby sa už utvorené agregáty nerozbíjali. Táto fáza je dlhšia a v závislosti od podmienok môže trvať aj desiatky minút.
Obr. 4.2.47. Schéma rôznych typov premiešavačov (Bratby, 2006).
Nevyhnutným koncovým členom pri metóde koagulácie a flokulácie je následné oddelenie vzniknutých agregátov/vločiek (obr. 4.2.48). Na separáciu vločiek sa najčastejšie využíva proces gravitačnej sedimentácie (zahŕňa usadzovanie a zahusťovanie), ale môže sa uplatniť aj odstreďovanie, filtrácie alebo flotácia.
Výhody a limitácie
Výhodou využitia metódy koagulácie pri čistení kontaminovaných vôd (s obsahom suspendovaných látok) je zvýšenie efektívnosti odstránenia látok v suspenziách (usadzovanie), zvládnutie vyššieho prietoku a konzistentná stabilná prevádzka (Vesilind, 2003).
Uplatnenie metódy limitujú tieto faktory (Bratby, 2006):
• aplikovateľnosť koagulácie určuje agregátna stabilita odstraňovaného kontaminantu vo vodnom prostredí a faktory, ktoré podmieňujú koloidný charakter výskytu;
• celková efektivita a účinnosť procesu koagulácie a flokulácie závisí od kvality vznikajúcich agregátov (vločiek), ako aj od účinnosti následnej separácie (napr. čírením, sedimentáciou, filtráciou atď.);
• pri koagulácii sa produkuje relatívne vysoké množstvo zvodnených kalov, ktoré je zvyčajne potrebné upraviť (odvodniť, zahustiť, stabilizovať atď.) a zneškodniť, napr. skládkovaním; vzhľadom na niektoré vlastnosti kalu (napr. toxicita) to môže byť nákladné;
• príliš nízka teplota čistenej vody spomaľuje proces koagulácie a flokulácie a následne tvorbu agregátov; to nepriaznivo ovplyvňuje aj proces separácie a celkovú účinnosť metódy.
Trvanie čistenia a účinnosť
Samotný proces koagulácie a flokulácie je relatívne rýchly, trvá rádovo minúty (koagulácia), prípadne niekoľko minút až desiatky minút (flokulácia). Účinnosť koagulácie a flokulácie pri odstraňovaní látok z koloidných suspenzií je relatívne vysoká. Závisí od optimálneho nastavenia parametrov metódy – výberu koagulantov a flokulantov, spôsobu a rýchlosti miešania v reaktoroch, vlastností čistenej vody (pH, iónová sila, typ kontaminantu, teplota atď., a v neposlednom rade od účinnosti následnej separácie vzniknutých vločiek (Bratby, 2006).
Obstarávacie a investičné náklady závisia od potrebnej kapacity zariadenia. Pri technologicky zložitejších postupoch sa cena pohybuje v miliónoch korún už pri kapacite niekoľko litrov za sekundu (Dubánek, 2006a). Prevádzkové náklady pokrývajú spotrebu energie (čerpanie vody, miešanie vody v reaktoroch atď.), spotrebu potrebných chemikálií (koagulanty, flokulanty a iné chemikálie na úpravu vlastností vody), údržbu technologickej linky, ale najmä náklady potrebné na manipuláciu so vzniknutým kalom (úprava kalu, a najmä náklady na jeho zneškodnenie, ktoré môžu byť vysoké najmä vtedy, ak vzniká kal s obsahom nebezpečných látok).
© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží
Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,
Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová
Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,
ISBN 978-80-89343-39-3