Zrážanie

   Princíp

V rámci sanačných metód ex situ je zrážanie technologický proces, pri ktorom sa rozpustené kontaminanty odstraňujú z kontaminovanej vody tým, že sa z roztoku vylúčia prídavkom zrážacieho činidla a/alebo inou fyzikálno-chemickou zmenou (napr. zmena teploty, pH, Eh) za vzniku málo rozpustnej zrazeniny (vyzrážaných častíc). Vzniknuté nerozpustené častice sa následne odstraňujú, najčastejšie v procese sedimentácie, koagulácie, flokulácie, flotácie alebo filtrácie (Bhandari et al., 2007).

   Použiteľnosť

Proces zrážania je možné využiť na čistenie širokého spektra kontaminantov. Využíva sa najmä na sanáciu vôd kontaminovaných niektorými kovmi (napr. Al, Mn, Fe, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Se, Zn, Ni, Pb), rádionuklidmi, fosforečnanmi, síranmi, sulfidmi, fluoridmi, kyanidmi atď. (Anonym, 2002a; FRTR, 2008; Tchobanoglous et al., 2003; Ptáček et al., 1981; Ruml a Soukup, 1984). Zrážanie sa dá uplatniť aj pri odstraňovaní niektorých vysoko molekulárnych organických zlúčenín (Dubánek, 2006a). Zrážanie je možné všeobecne využiť na odstraňovanie všetkých kontaminantov, ktoré tvoria nerozpustené zlúčeniny vplyvom fyzikálno-chemických zmien v čistenom roztoku.

Zrážanie oxyhydroxidov Fe, Mn a Al a úprava (neutralizácia) vápnom (alebo vápencom) zohráva významnú úlohu aj pri úprave výtokov kyslých banských vôd. Tým sa znižuje zaťaženie okolitého prostredia (Wildeman a Updegraff, 1997).

   Základná charakteristika

Základom chemického zrážania pri sanačných technológiách ex situ je zmena fyzikálno-chemických podmienok čisteného roztoku, pri ktorej vznikajú nerozpustné zlúčeniny kontaminantu. Zmena podmienok sa zabezpečuje najmä pridávaním zrážacieho činidla. Ako zrážacie činidlá sa používajú rozličné druhy hydroxidov, síranov, sulfidov a karbonátov (FRTR, 2008). Ako príklad je možné uviesť niektoré využívané činidlá (Tchobanoglous et al., 2003; Anonym, 2002a): oktadodekahydrát síranu hlinitého [Al₂(SO₄)₃.18H₂O], chlorid hlinitý (AlCl₃), hydroxid sodný (NaOH), hydroxid vápenatý [Ca(OH)₂], chlorid železitý (FeCl₃), síran železitý [Fe₂(SO₄)₃].

Konkrétny výber zrážacieho činidla (resp. kombinácie činidiel), voľba optimálnych podmienok na zrážanie a celkový dizajn technológie závisí od špecifických podmienok čistenej vody, najmä od jej chemického zloženia, koncentrácie a typu kontaminantu a množstva čistenej vody, ako aj od požadovanej limitnej koncentrácie kontaminantu na výstupe zo zariadenia. Pri návrhu je potrebné realizovať laboratórne skúšky zohľadňujúce lokálne špecifiká.

Kovy predstavujúce jednu z hlavných skupín kontaminantov odstraňovaných zrážaním sa zvyčajne vyzrážajú vo forme hydroxidov alebo sulfidov. Dosiahnuteľná efektívnosť úzko súvisí s podmienkami v čistenom roztoku a zvoleným dizajnom zrážania. Príklad závislosti dosiahnuteľnej zvyškovej koncentrácie vybraných kovov na výstupe pri využití zrážania na hydroxidy a sulfidy je uvedený na obr. 4.2.45. Vzhľadom na rozmanitosť vedľajších vplyvov v reálnych podmienkach je uvedená závislosť len ilustratívna (Tchobanoglous et al., 2003).

 

Obr. 4.2.45. Zvyšková koncentrácia niektorých kovov na výstupe z čistenia vôd zrážaním – tvorba sulfidov a hydroxidov kovov (Tchobanoglous et al., 2003).

 

Vo všeobecnosti možno proces zrážania/rozpúšťania opísať rovnicou:

.

Pre uvedenú rozpúšťaciu/zrážaciu rovnováhu je možné určiť súčin rozpustnosti K_s, z ktorého je možné vypočítať teoretickú rozpustnosť a koncentračné množstvo zložiek rovnováhy. Vzťah medzi súčinom rozpustnosti a koncentračným množstvom zložiek rovnováhy je daný vzťahom (Pitter, 1999):

, kde:

 sú aktivitné koeficienty a (K_s)_c je koncentračná hodnota súčinu rozpustnosti.

Pri riešení zrážacej rovnováhy a používaní hodnôt súčinu rozpustnosti v reálnych systémoch je však potrebné zobrať do úvahy ďalšie fyzikálno-chemické faktory, ako je pH, teplota, iónová sila, vznik komplexov, kinetika reakcie a ďalšie faktory vplývajúce na rozpustnosť/zrážanie kontaminantu.

Príklad uplatnenia technológie chemického zrážania ex situ a jeho zaradenie je uvedené na obr. 4.2.46. Zobrazená technologická schéma vyjadruje príklad odstraňovania toxických kovov zo znečistenej vody. V prvom stupni technologického postupu je zaradený oxidačno-redukčný reaktor (zmena oxidačného stavu cieľových kovov), nasleduje reaktor, v ktorom prebieha proces chemického zrážania (prídavkom vhodných zrážacích činidiel, prípadne iných pomocných chemikálií), v ďalších stupňoch sa oddeľujú vzniknuté vyzrážané častice (pomocou flokulácie, sedimentácie, filtrácie, čírenia sanovanej vody, ako aj úpravy vzniknutých kalov) (FRTR, 2008). Výstupom z technológie je vyčistená voda zbavená cieľových kontaminantov a kal, ktorý sa po príslušných úpravách (odvodnenie, stabilizácia atď.) ukladá v súlade s jeho vlastnosťami (môže sa napr. zaradiť ako nebezpečný odpad).

 

Obr. 4.2.46. Všeobecná schéma uplatnenia zrážania (flokulácie a koagulácie) v rámci odstraňovania toxických kovov (FRTR, 2008).

 

   Výhody a limitácie

Vybrané limitácie a nevýhody zrážania je možné zhrnúť takto (Tchobanoglous et al., 2003; FRTR, 2008; Anonym, 2002a):

•          nevýhodou chemického zrážania je zvyčajné zvýšenie obsahu celkových rozpustených látok v čistenej vode;

•          účinnosť chemického zrážania je limitovaná súčinom rozpustnosti vyzrážanej zložky; ak zvyšková koncentrácia nespĺňa požadované limity ani po úprave technológie zrážania, je potrebné zaradiť ďalšie stupne úpravy vody (napr. adsorpciu, iovýmenu atď.);

•          pri zrážaní môže vzniknúť pomerne značné množstvo zvodneného kalu, s ktorým je nutné nakladať podľa jeho vlastností (môžu mať povahu nebezpečného odpadu), a je nutné odvodňovať ho a stabilizovať;

•          technologickú komplikáciu spôsobuje uplatnenie chemického zrážania pri odstraňovaní viacerých kontaminantov s rozdielnymi vlastnosťami; vyžaduje to uplatnenie rôznych postupov a podmienok zrážania;

•          množstvo pridávaných chemikálií je potrebné starostlivo kontrolovať v záujme zabránenia ich nežiaducej prítomnosti vo vode na výtoku;

•          môže nastať problém odstránenia toxických kovov prítomných v čistenom roztoku vo forme stabilných komplexov;

•          zvolené zrážacie činidlo významne ovplyvňuje efektívnosť odstraňovania kontaminantu, ale aj celkovú účinnosť technológie – napríklad množstvo kalu, potenciálna tvorba plynov, množstvo potrebnej chemikálie, úprava vody pred procesom zrážania a po ňom, úprava kalu, bezpečnostné problémy s nakladaním s potenciálne nebezpečnými chemikáliami atď.

Výhodou chemického zrážania je dlhodobé využívanie tejto metódy pri čistení vôd, relatívna rýchlosť procesu pri odstraňovaní kontaminácie z čerpanej vody, možnosť prispôsobenia procesu špecifikám čistenej vody (fyzikálno-chemickým vlastnostiam), schopnosť odstraňovať aj vysokú koncentráciu kontaminantu, ako aj možnosť usmerňovania procesov pomocou automatických monitorovacích a regulačných postupov (napr. automatické senzory a dávkovače chemikálií).

   Trvanie čistenia a účinnosť

Proces chemického zrážania patrí medzi relatívne rýchle sanačné postupy. Celkový postup sanácie je skôr limitovaný rýchlosťou uvoľňovania kontaminantu z horninového prostredia prostredníctvom sanačného čerpania. Účinnosť výrazne závisí od typu kontaminantu a zvolenej technológie zrážania. V prípade prísnych sanačných limitov a nedostatočnej efektívnosti zrážania je niekedy nutné zaradiť ďalší technologický stupeň na dočistenie (adsorpcia, ionovýmena atď.).

Nákladovosť technológie závisí od lokálnych špecifických podmienok a typu kontaminácie, z ktorého vyplýva aj návrh technológie zrážania. Špecifickým problémom je ekonomická náročnosť nakladania so vzniknutým kalom, ak je definovaný ako nebezpečný odpad. Pri ekonomickej analýze je potrebné zvážiť aj prevádzkové náklady procesu oddeľovania vzniknutej zrazeniny a finančnú náročnosť používaných chemikálií.

 

© 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