Porównanie wielkości aglomeratów uzyskanych po - Eko-DOk

Porównanie wielkości aglomeratów uzyskanych po - Eko-DOk

Szara woda, Morphologi, aglomeraty
Sylwia JANISZEWSKA*
PORÓWNANIE WIELKOŚCI AGLOMERATÓW UZYSKANYCH
PO ELEKTROKOAGULACJI SZAREJ WODY PRZY
ZASTOSOWANIU DWÓCH RÓŻNYCH ELEKTROD
W pracy analizowano wielkość powstałych aglomeratów za pomocą zautomatyzowanego mikroskopu
Morphologi. Próbki do analizy pobierano w trakcie oczyszczania szarej wody metodą elektrokoagulacji. W artykule pokazano różnicę wielkości cząstek przy różnym czasie procesu 5, 15, 30
i 60 min dla różnych wartości natężenia prądu jednostkowego 5; 11 mA/cm2 (dla elektrody stalowej)
i 8; 19 mA/cm2 (dla elektrody aluminiowej). Badania te pokazują, że ilość cząstek małych przy zastosowaniu elektrody stalowej maleje wraz z czasem procesu, a natomiast zauważany jest wzrost ilości cząstek dużych. Średnia wartość średnicy cząstek przy zastosowaniu elektrody stalowej przy natężeniu jednostkowym 5 mA/cm2 wynosiła 30,01 µm. Natomiast przy zastosowaniu największego
natężenia jednostkowego wartość średniej średnicy cząstek wzrosła i wynosiła 540,48 µm. Podczas
prowadzenia procesu elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody aluminiowej efekt tworzenia się
aglomeratów jest odwrotny, bowiem cząstki nie opadają na dno reaktora lecz ulegają flotacji. Obserwuje się zmniejszenie ilości cząstek dużych a oraz wzrost ilości cząstek małych. Minimalna średnica
cząstek przy zastosowaniu natężenia jednostkowego 8 mA/cm2 wynosiła 55,32 µm, natomiast przy
zastosowaniu największego natężenia jednostkowego 19 mA/cm2 - 68,93 µm. Uzyskane dane pozwoliły na określenie różnic pomiędzy wielkością cząstek badanych aglomeratów.
1. WSTĘP
Zgodnie z opracowanym przez UNESCO raportem w ciągu najbliższych 20 lat
ilość dostępnej wody do picia obniży się o 30-40%. W związku z malejącymi rezerwami wody gruntowej oraz kosztownymi systemami uzdatniania wody zrodziło się
zainteresowanie ponownym użyciem i odzyskiem części zużytej wody zarówno
w domach jednorodzinnych jak i w budynkach użyteczności publicznych. Oczyszcza__________
* Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Komunalnej i Instalacji Budowlanych, 90-924 Łódź,
al. Politechniki 6, [email protected]
230
S. JANISZEWSKA
nie szarej wody umożliwiłoby racjonalne gospodarowanie wodą do picia, bowiem
szara woda jest mniej zanieczyszczona niż typowe ścieki komunalne, a tym samym
łatwiejsza do oczyszczenia. Europejska Norma EN 12056-1 definiuje szarą wodę jako
wodę wolną od fekaliów. W tradycyjnym gospodarstwie domowym około 50-80% [1]
ścieków wytwarzane jest podczas mycia naczyń, kąpieli czy prania. Ze względu
na obawy co do potencjalnych zagrożeń zdrowotnych, czy środowiskowych wiele
norm wymaga tak intensywnego oczyszczania szarej wody, w celu jej legalnego przetworzenia na wodę czystą, że koszt odzysku jest wyższy niż koszt pozyskiwania czystej wody. Pomimo tych przeszkód, możliwy jest recykling szarej wody i ponowne
użycie na przykład do spłukiwania toalet czy podlewania ogrodu. Z uwagi na fakt,
że szara woda jest zanieczyszczona różnego rodzaju detergentami i mikrozanieczyszczeniami, ważne jest ich usunięcie przed ponownym jej zastosowaniem. Jednym
ze sposobów oczyszczania szarej wody jest zastosowanie procesu elektrokoagulacji.
W procesie tym koagulant wytwarzany jest bezpośrednio w reaktorze podczas zachodzących reakcji jonów wydzielonych z elektrod metalowych pod wpływem prądu
stałego miedzy elektrodami zanurzonymi w środowisku wodnym [3]. Metoda ta różni
się od procesu konwencjonalnej koagulacji, szczególnie w odniesieniu do hydraulicznego czasu retencji, efektywności usuwania najdrobniejszych cząstek, dawkowania
koagulantu oraz produkcji osadów [6]. W szarej wodzie występują zanieczyszczenia
obecne w postaci zawiesin oraz trudniejsze do usunięcia formy rozpuszczone, które
podczas przebiegu procesu wytrącają się w postaci aglomeratów. Wytworzone w procesie elektrokoagulacji kłaczkowate skupiska są łatwiejsze do odseparowania niż
cząstki swobodnie rozproszone [5].
W zależności od zastosowanej elektrody powstałe aglomeraty mogą ulec procesowi sedymentacji czyli opadaniu cząstek na dno reaktora lub flotacji czyli tworzeniu się
w górnej warstwie reaktora piany. Powstałe aglomeraty powinny być analizowane pod
względem ich wielkości, gdyż uzyskana wiedza pozwoli zoptymalizować sam proces,
aby zminimalizować koszty oczyszczania szarej wody. Jeżeli cząstki będą miały duże
rozmiary, wówczas szybciej opadną na dno zbiornika i tym samym woda szybciej
ulegnie oczyszczeniu. Natomiast, kiedy następuje flotacja ważne jest, aby cząstki miały rozmiar jak najmniejszy, co powoduje, że są one lżejsze i łatwiej unoszą się do góry. Informacje te zostały potwierdzone przez Park S.H. i in., którzy za pomocą obliczeń numerycznych pokazali rozwiązanie analityczne dla rozkładu wielkości
aglomeratów koagulacji w funkcji czasu [4].
Pomiar wielkości cząstek powstałych podczas procesu elektrokoagulacji można
analizować za pomocą zautomatyzowanego mikroskopu Morfologi. Urządzenie
to składa się z mikroskopu oraz komputera podłączonego do dwóch monitorów.
Na jednym z monitorów wyświetlany jest program do obróbki danych. Na drugim
monitorze widoczny jest obraz próbki w odpowiednim nadanym w programie powiększeniu. Mikroskop ma wbudowane 5 różnych powiększeń 2,5x, 5x, 10x, 20x, 50x.
Powiększenie ustawione jest tak aby widoczne były zarówno małe jak i duże cząstki.
Porównanie wielkości aglomeratów uzyskanych po elektrokoagulacji szarej wody ...
231
Do mikroskopu jest podłączony dżojstik służący do sterowania obrazem na ekranie.
Po dokonaniu analizy program wyświetla zdjęcia cząstek oraz analizuje je pod względem morfologicznym. Za pomocą programu możliwe jest porównanie wybranych
parametrów i znalezienie pomiędzy nimi korelacji. Zaletą tych pomiarów jest wysoka
czułość i rozdzielczość.
W programie komputerowym jest tworzony SOP, który zawiera informacje o nazwie próbki oraz wytyczne do dokonania pomiaru. SOP jest to szablon, który definiuje
wszystkie parametry. Korzystanie z niego zapewnia, że wykonane pomiary na tym
samym rodzaju próbki są dokonywane w sposób spójny. Mogą być one tworzone
i modyfikowane w razie potrzeb.
Zdolność do wizualizacji obrazów pojedynczych cząstek pozwala sortować i klasyfikować odpowiednio cząstki. Ponadto każda z cząstek zawiera informacje o parametrach, które je charakteryzują np. o kulistości, wydłużeniu, wypukłości.
Najważniejszym parametrem charakteryzującym cząstki szarej wody jest średnica
równoważna, za pomocą której można określić wielkość aglomeratów. Średnicę
cząstki wyznacza się poprzez stworzenie koła o tej samej powierzchni jak powierzchnia badanej cząstki, a następnie wyznaczeniu średnicy utworzonego koła (Rys.3).
Rys. 3. Wyznaczanie średnicy równoważnej badanej cząstki
Efektywność tworzenia się cząstek o odpowiedniej średnicy zależy od wielu czynników, do których należy zaliczyć m.in. pH wody, czas procesu, rodzaj zastosowanej
elektrody, wielkość oporu, oraz intensywność mieszania [2]. Uzyskane dane
na temat wielkości aglomeratów tworzących się podczas procesu elektrokoagulacji
umożliwiają późniejszą analizę skuteczności ich usuwania.
Celem niniejszej pracy było określenie na podstawie przeprowadzonych badań
wpływu wybranych parametrów technologicznych na efektywność usuwania zarówno
zawiesin jak i substancji rozpuszczonych z szarej wody.
2. MATERIAŁY I METODY
Do badań użyto modelową szarą wodę wytworzoną w laboratorium poprzez dodanie do wody wodociągowej detergentów w następujących ilościach: pasta do zębów
232
S. JANISZEWSKA
(1,5 g/dm3), żel pod prysznic (0,4 g/dm3), szampon do włosów (0,4 g/dm3), proszek
do prania (0,4 g/dm3), mydło w płynie (1 g/dm3), mleczko do czyszczenia (0,4 g/
dm3). Skład syntetycznej szarej wody dobierano na podstawie danych literaturowych.
Modelową szarą wodę oczyszczano metodą elektrokoagulacji wykorzystując dwumiejscowy elektrolizer Sp. Pracy Metalowców „Nysa” typ EP-4. Reaktorem była
zlewka o pojemności 500 cm3 o wymiarach 70 mm x 70 mm x 150 mm. Odstęp pomiędzy elektrodami wynosił 10 mm. Elektrody były włączone w obwód elektryczny
prądu stałego o różnych wartościach natężenia jednostkowego. Do analizy wielkości
cząstek wzięto pod uwagę najmniejsze i największe natężenie jednostkowe 5 i 11
mA/cm2 dla elektrody stalowej oraz 8 i 19 mA/cm2 dla elektrody aluminiowej, przy
czterech różnych czasach: 5, 15, 30, 60 min. Podczas prowadzenia procesu elektrokoagulacji należy pamiętać o dobraniu optymalnej prędkości mieszania cieczy, tak aby
zapewnić maksymalną ilość zderzeń destabilizowanych cząstek. Zarazem, prędkość
mieszania nie powinna powodować rozrywania powstałych aglomeratów. Podczas
tego procesu pobierano próbki w celu analizy powstałych cząstek pod względem morfologicznym. W tym celu użyto specjalistycznego mikroskopu Morfologi G3. Prawidłowe przygotowanie próbek jest niezbędne do uzyskania dokładnych pomiarów morfologicznych badanych cząstek. Próbka jest umieszczana pomiędzy dwoma szklanymi
płytkami. Pomiędzy płytkami znajdują się dwa pierścienie z tworzywa sztucznego
w celu zabezpieczenia ciekłej próbki przed wypłynięciem (szczelne zabezpieczenie).
Tak przygotowaną próbkę umieszcza się w komorze pomiarowej. Po włączeniu urządzenia uruchomiane jest oprogramowanie. Należy pozostawić urządzenie na pięć minut przed dokonaniem pomiaru w celu jego ustabilizowania. W programie komputerowym jest tworzony SOP, który zawiera informacje o nazwie próbki oraz wytyczne
do dokonania pomiaru. W programie tym wybierany jest obszar analizy oraz przybliżenie 2,5x. Po wybraniu uprzednio utworzonego SOP-u dokonuje się analizy próbki.
Ustawiana jest odpowiednia intensywność światła. Początkowo następuje ustawienie
odpowiedniego przybliżenia i dostrojenie się mikroskopu do danej próbki. Kamera
umieszczona w mikroskopie wykonuje zdjęcia wybranego obszaru cząstek (Rys.4),
który następnie jest analizowany. Po przeprowadzonej analizie zostaje włączony filtr
intensywności cząstek i ich wielkości, w celu wykluczenia z analizy zanieczyszczenia
w postaci pyłu lub włókien. Wartość ustawionego filtru była następująca: 20.000 pikseli (wyrazistość cząstek) i 30.000 µm (średnica cząstek). Filtry te mogą być zdefiniowane w SOP-ie, czyli na etapie projektowania lub stosowane, jak w tym przypadku, po pomiarze. Pozwala to na określenie czy dana cząstka stanowi badaną próbkę
czy też jest cząstką obcą, którą należy usunąć.
Porównanie wielkości aglomeratów uzyskanych po elektrokoagulacji szarej wody ...
233
Rys. 4. Przykładowe zdjęcia aglomeratów szarej wody po elektrokoagulacji przy użyciu elektrody: stalowej (zdjęcie po lewej stronie) oraz elektrody aluminiowej (zdjęcie po prawej stronie) z mikroskopu
Morfologi G3.
Podczas oczyszczania szarej wody metodą elektrokoagulacji przy użyciu elektrody
stalowej, obecny w wodzie tlen powoduje powstawanie wodorotlenków żelaza (III).
Utworzone na anodzie jony Fe3+ skutecznie wyłapują jony OH- i wytrącają je w postaci trudno rozpuszczonego osadu wodorotlenku Fe(OH)3. Jony wprowadzone do roztworu z elektrod metalowych doprowadziły do destabilizacji układu i tym samym
zmniejszyły stopień zdyspergowania cząstek. Pojawienie się rdzawych osadów
w warstwie ścieków świadczyło o utworzeniu się aglomeratów.
Porównując pod względem wielkości średnicy równoważnej aglomeraty, które
powstały podczas oczyszczania szarej wody metodą elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody stalowej, przy natężeniu jednostkowym 5 mA/cm2 oraz przy różnych
czasach procesu (5, 15, 30 i 60 min) można zauważyć, że wraz z czasem procesu maleje ilość cząstek małych, a rośnie ilość cząstek większych (ok. 1000 µm). Minimalna
średnica cząstek wynosiła 30,01 µm, natomiast maksymalna 540,48 µm. Średnia
wielkość średnicy cząstki wynosiła 83,32µm. Według rozkładu statystycznego,
w badanej próbce znajdowało się poniżej 10% cząstek o średnicy 30,67 µm, natomiast
cząstek o średnicy 153 µm było poniżej 90% . Odchylenie standardowe wynosiło
60,96.
Rys. 5. Rozkład średnicy zastępczej cząstek po zastosowaniu elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody stalowej, przy natężeniu jednostkowym 5 mA/cm2
234
S. JANISZEWSKA
Następnie przeprowadzono analizę wielkości średnicy równoważnej aglomeratów
uzyskanych podczas oczyszczania szarej wody metodą elektrokoagulacji z zastosowaniem elektrody stalowej, przy natężeniu jednostkowym 11 mA/cm2 oraz przy różnych
czasach procesu (5, 15, 30 i 60 min). Na podstawie uzyskanych danych można zauważyć, że wraz z czasem procesu maleje ilość cząstek małych a rośnie ilość cząstek
większych (ok. 1000 µm) (Rys. 6). Minimalna średnica cząstek wynosiła 30,44 µm,
natomiast maksymalna - 727,57 µm. Średnia wielkość średnicy cząstki wynosiła
238,51µm. Według rozkładu statystycznego, w badanej próbce znajdowało się poniżej
10% cząstek o średnicy 87,50 µm, natomiast cząstek o średnicy 355,34 µm było poniżej 90%. Odchylenie standardowe wynosiło 111,22.
Rys. 6. Rozkład średnicy zastępczej cząstek po zastosowaniu elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody stalowej, przy natężeniu jednostkowym 11 mA/cm2
Dla uzyskania efektywnej wielkości aglomeratów przy zastosowaniu elektrody stalowej, proces elektrokoagulacji należy prowadzić przez 60 min i zastosować największe natężenie jednostkowe - 11 mA/cm2.
Podczas procesu elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody aluminiowej tworzący się podczas tego procesu wodór powoduje wznoszenie się aglomeratów (flotacja) i akumulowanie ich w powstałej pianie na powierzchni reaktora. Porównując
wielkości średnic zastępczych cząstek powstałych podczas oczyszczania szarej wody
metodą elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody aluminiowej, przy natężeniu
jednostkowym 8 mA/cm2 oraz przy różnych czasach procesu (5, 15, 30 i 60 min) można zauważyć, że wraz z czasem procesu rośnie ilość cząstek małych, a maleje ilość
cząstek większych (ok. 1000 µm) (Rys. 7). Jest to efekt przeciwny do tego, jaki miał
miejsce przy zastosowaniu elektrody stalowej. Minimalna średnica cząstek wynosiła
30,36 µm, natomiast maksymalna 279 µm. Średnia wielkość średnicy cząstki wynosiła
55,32 µm. Według rozkładu statystycznego, w badanej próbce znajdowało się poniżej
10% cząstek o średnicy 87,50 µm, natomiast cząstek o średnicy 355,34 µm było poniżej 90%. Odchylenie standardowe wynosiło 111,22.
Porównanie wielkości aglomeratów uzyskanych po elektrokoagulacji szarej wody ...
235
Rys. 7. Rozkład średnicy zastępczej cząstek po zastosowaniu elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody aluminiowej, przy natężeniu jednostkowym 8 mA/cm2
Natomiast przy zastosowaniu największego natężenia jednostkowego (19
mA/cm2), przy różnych czasach procesu (5, 15, 30 i 60 min) można zauważyć,
że w badanej próbce znajduje się przeważająca liczba cząstek małych. Minimalna
średnica cząstek wynosiła 30,01 µm, natomiast maksymalna 442,26 µm. Średnia
wielkość średnicy cząstki wynosiła 68,93 µm. Według rozkładu statystycznego,
w badanej próbce znajdowało się poniżej 10% cząstek o średnicy 30,56 µm, natomiast
cząstek o średnicy 123,92 µm było poniżej 90%. Odchylenie standardowe wynosiło
51,37.
Rys. 8. Rozkład średnicy zastępczej cząstek po zastosowaniu elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody aluminiowej, przy natężeniu jednostkowym 19 mA/cm2
Przy zastosowaniu najwyższego natężenia jednostkowego (19 mA/cm2) należy się
zastanowić czy celowe jest zwiększanie czasu procesu, gdyż - według Rys. 8 wykresy dla różnych czasów prawie się nakładają. Przeprowadzone pomiary morfologiczne aglomeratów wykazały, że dla uzyskania efektywnej wielkości aglomeratów
236
S. JANISZEWSKA
przy zastosowaniu elektrody aluminiowej, proces elektrokoagulacji można prowadzić
przy natężeniu jednostkowym 19 mA/cm2, jednak przy krótkim czasie procesu równym 15 min. Dzięki temu zmniejszają się koszty energii potrzebnej do przeprowadzenia procesu.
3 WNIOSKI
 Efektywne tworzenie się aglomeratów było uwarunkowane właściwym doborem
parametrów technologicznych, tj. warunków mieszania oraz odpowiedniego czasu
procesu. Zaobserwowano, że dla procesu elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody stalowej (gdzie zachodzi proces sedymentacji aglomeratów), korzystne jest tworzenie się dużych, rozbudowanych aglomeratów, co przyśpiesza ich opadanie na dno
reaktora i tym samym przyśpiesza efekt oczyszczania szarej wody z zanieczyszczeń.
Efekt ten osiągnięto przy zastosowaniu największego natężenia jednostkowego (11
mA/cm2) i najdłuższego czasu procesu (60 min).
 Aglomeraty, które powstają podczas oczyszczania szarej wody metodą elektrokoagulacji przy zastosowaniu elektrody aluminiowej ulegają flotacji tworząc kożuch
w górnej warstwie roztworu. Cząstki te powinny być jak najmniejsze, aby szybciej
unosiły się ku górze, co znaczenie przyśpiesza proces oczyszczania. Ten efekt jest
możliwy do osiągnięcia, przy zastosowaniu największego natężenia jednostkowego 19
mA/cm2 i czasu procesu 15 min.
 W badaniach morfologicznych procesu, lepszą elektrodą okazała się elektroda
aluminiowa, ze względu na możliwość zminimalizowania czasu procesu elektrokoagulacji. Korzyści wynikające z krótszego czasu procesu to m.in. zmniejszenie kosztów
energii zużytej w procesie, a także mniejsze koszty zakupu elektrod, spowodowane ich
krótszym użytkowaniem.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
ERIKSSON E. i in., Characteristics of grey wastewater, Urban Water, 2002, 4, 85–104.
EGGERSDORFER M.L. i in. Fragmentation and restructuring of soft-agglomerates under shear
Journal of Colloid and Interface Science, 2010, 342, 261–268
MEADA M. i in., Area-wide use of reclaimed water in Tokyo, Japan, Water Science and
Technology, 1996, Vol. 33, 57-7
PARK S.H. i in., Brownian Coagulation of Fractal Agglomerates: Analytical Solution Using the
Log-Normal Size Distribution Assumption, Journal of Colloid and Interface Science, 2000, 231,
129–135
VAINSHTEIN P. i in. Porous agglomerates in the general linear flow field, Journal of Colloid and
Interface Science , 2006, 298, 183–191
VIK E.A. i in., Electrocoagulation of potable water, 1984, Water Research, 1984, 18, 1355-1360.
Porównanie wielkości aglomeratów uzyskanych po elektrokoagulacji szarej wody ...
237
COMPARISON OF AGGLOMERATES OBTAINED AFTER ELECTROCOAGULATION OF GREY
WATER BY USING TWO DIFFRENT ELECTRODES
The grey water is the water slightly polluted by human activity, which after appropriate treatment, can
be used again: for flushing the toilets, for watering garden plants and for cleaning. The grey water
is contaminated with various kinds of detergents so it is important to remove them before re-using it. One
way of grey water treatment process is the application of electrocoagulation. Electrocoagulation
is a process based on electrolysis. In this process, a coagulant is produced directly in the reactor during
the reaction occurring ions emitted from the metal electrodes under the influence of direct current between electrodes immersed in an aqueous environment.
The study analysed the size of agglomerates formed by an automated microscope Morphologi.
Samples for analysis collected in the course of treatment of grey water by electrocoagulation. The article
shows the difference in size of particles with different times of the process 5, 15, 30 and 60 min for the
different current values of the unit 5, and 11 mA/cm2 (for steel electrode) and 8, 19 mA/cm2 (for
aluminium electrode).